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HVDC输电系统同步锁相环应用分析

来源:null  发布日期:2021-03-31     点击数:6

HVDC输电系统同步锁相环应用分析

 

颜泽远,熊传广,杨猛,龚骏, 曹磊

(国网上海市电力公司检修公司 上海 201600

  要:在换流站网侧换流器的控制中,为了快速准确地跟踪电压相位,需要用到锁相环。锁相环是一种可以跟踪被测信号相位的量测装置。本文主要介绍了锁相环的发展历史,以及三种不同类型的锁相环的优缺点。不同类型的锁相环适用于不同的场合。锁相环在高压直流输电系统的应用很重要。

 

关键词:锁相环;直流输电;直流输电系统

 


0引言

在高压直流输电系统中,整流站和逆变站通过换流器实现交直流的转换。在换流站网侧换流器的控制中,为了快速准确地跟踪电压相位,需要用到锁相环。在换流站网侧换流器控制系统中,锁相环将参考电压与输出电压之间的相位进行比较,产生相位误差电压来调整输出电压的相位,从而使输出电压与参考电压同频。

锁相环是一种可以实时跟踪被测信号相位的装置。锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop,简称PLL。它是一个闭环的相位误差控制系统,将参考信号与输出信号之间的相位进行比较,产生相位误差电压来调整输出信号的相位,以达到与参考信号同频的目的。由于它的环路结构简单,性能良好,广泛应用于通信、自动控制、信号检测及时钟同步等技术领域[1]。本文主要介绍锁相环的发展历史及其应用。

 

1 锁相环的发展

锁相环的概念早在1923年就由Appleton提出,最初应用在通信领域。1932年,法国科学家De Bellescize “La Reception Synchrone”一文中,首先公开发表了锁相环路的数学描述和同步检波的理论,锁相技术首先被用在同步接收中。他提出实现同步检波技术的关键是如何产生一个本振信号,使它与同步检波器另一个输入的微弱载波信号保持频率相同。同步检波能够在低信噪比条件下工作,且没有大信号检波时导致失真的缺点。但是由于电路构成复杂以及成本高等原因,当时没有获得广泛应用。

1943年,锁相环第一次被应用于黑白电视机的水平扫描和垂直扫描同步电路中,它可以抑制外界噪声对同步的影响,使电视图像的同步性能得到很大改善。从此,锁相技术引起了人们的广泛重视,发展迅速。1954年锁相环又进一步用于彩色电视机的色同步信号提取。

五十年代,随着空间技术的发展,JaffeRechtin研制成功利用锁相环路作为导弹信标的跟踪滤波器,他们发表了含有噪声效应的锁相环路线性理论分析文章,解决了锁相环路最佳设计化问题。1956年,Veterbi提出了无噪声情况下环路非线性分析方法。此后,LindscyCharles研究了在有噪声情况下环路的非线性分析方法,并得出了不少实验结果,充实了理论分析[2]

六十年代以后,锁相技术就在通信、雷达、航天、航海、测量、仪表、计算机、红外、激光、原子能、电视、立体声、马达控制以及工业、地质等技术部门获得了广泛的应用。

到七十年代,随着集成电路技术的发展,逐渐出现了集成的锁相环路部件、通用单片集成锁相环路以及多种专用集成锁相环路,锁相环路逐渐变成了一个成本低、使用简便的多功能组件,这就为锁相技术在更广泛的领域应用提供了条件。

在锁相环发展的最初阶段,锁相环都是由分立元器件组成的,电路复杂,调整困难。为了方便调整、降低成本和提高可靠性,以便在各种电子设备中发挥更好的作用,迫切希望它能集成化、数字化、小型化和通用化。随着半导体集成技术的日趋成熟,第一块锁相环集成电路芯片出现在1965年左右。这时的锁相环全都是用模拟技术实现的,锁相环技术是模拟集成电路设计中一个重要的研究方向。之后的几年内就出现了数模混合的锁相环电路,以及后来的全数字锁相环电路。这三种锁相环电路各有千秋,相互弥补,分别存在于各类电子产品中。

锁相环在电机控制和电力电子变换器领域的应用经历了由硬件锁相环到软件锁相环的发展阶段。硬件锁相环中的鉴相器采用的电压过零检测方式存在动态响应慢、检测精度低等问题,特别是过零点附近存在的噪声干扰对其测量准确性有严重影响。因此,随着高性能的数字信号处理芯片的广泛应用,电压同步信号的检测一般采用软件PLL技术。

 

2 锁相环的分类

目前,人们已经研究了很多种锁相环技术,包括三相同步锁相环(the synchronous reference frame phase-locked loopSRF-PLL)、解耦双同步坐标系锁相环(the decoupled double synchronous reference frame phase-locked loopDDSRF-PLL)和基于快速傅里叶变换的锁相环(the fast Fourier transformationFFT-PLL)等。

2.1 三相同步锁相环

2.1.1 三相同步锁相环

三相同步锁相环是目前应用最为广泛的一种三相锁相环。在三相同步锁相环的基础上,衍生出很多其他类型的锁相环。

1997 年,V. Kaura V. Blasko针对当时电力电子中广泛应用的过零锁相无法跟踪两零点间相位、抗干扰能力差等缺点的问题,首次提出了基于dq同步坐标变换的三相同步锁相环。该锁相环无须额外硬件,完全由软件算法实现。三相同步锁相环是一种基于PI控制的软件锁相环,通过同步旋转坐标跟踪原理,达到相位锁定的目的。这种锁相方法是基于跟踪电网电压的正序分量,能有效地适用于电网平衡时频率、相位及幅值检测。

在现代电力系统和电力电子领域,如静止无功补偿、动态电压调节、有源滤波器、不间断电源、统一潮流控制和分布式电源接入等工程项目中,都得到了广泛应用。

2.1.2 三相同步锁相环的改进

传统的三相同步锁相环受负序分量的影响,锁相系统要取得较好的稳态精度,其中的环路滤波器的截止频率必须取得很低,这极大地影响了动态响应的速度。同时,Karimi等学者对该软件锁相环进一步研究,认为其在电网电压不平衡、畸变等非理想情况下存在锁相的误差,因而在结构上进行了一系列的优化,包括系统结构中添加滤波器环节、改变环路滤波类型以提高系统阶数和附加负序变换环节等措施。

在三相同步锁相环的正序电压分量处加低通滤波器。增加了低通滤波器的三相同步锁相环就具有低通特性,对输入的高次谐波具有抑制作用[3]。基于低通特性,三相同步锁相环在直流偏移的影响下输出波形含二倍频谐波;当基波不平衡时,输出信号含三倍频谐波;当输入含有高次谐波分量时,输出信号含有相应的与之同频的削弱的谐波信号;高次谐波几乎可以忽略;在实际应用时需考虑到低次谐波的影响。

为了消除电网电压不平衡产生的二倍频谐波,人们还提出了一种改进三相同步锁相环的方法。这种改进的三相同步锁相环同时还能消除谐波误差。该改进三相同步锁相环能够允许频率自适应,在频率变化的情况下,能够过滤掉失真频率。用自适应陷波滤波器代替低通滤波器。由于自适应陷波滤波器是频率自适应的,它能够过滤失真频率,在频率变化的情况下。实验表明,有自适应陷波器的三相同步锁相环的性能比传统的三相同步锁相环更好。

为了提高测量的精度,通常在正序电压分量的端口处接一个低通滤波器。但是,加上低通滤波器后,跟踪的延迟时间会增加,动态响应速度会变慢,相位也会发生偏移。这些缺点限制了低通滤波器的灵活运用。人们还提出了一种简单改进三相同步锁相环结构的方法,在正序电压分量处用自适应谐振滤波器代替常用的低通滤波器。谐波滤波器比低通滤波器具有更加优越的性能。只有带有谐振频率的信号才能通过谐振滤波器,而其他信号都会被过滤掉。这样,在共振频率下就没有相位移动了。这种三相同步锁相环系统适用于谐波失真和电压不平衡的情况,能够快速、准确地跟踪频率和角速度。

其实,只要合理优化环路滤波PI参数,不改变锁相环的结构,传统的三相同步锁相环也能满足电网电压非理想情况下的锁相环准确度。优化结构后的锁相环,使原来的算法变得烦琐,占用了过多的芯片资源。而且实验过程表明,复杂的系统传递函数难于设计参数,不利于系统的稳定,实际应用不便。对三相同步锁相环的鉴相器而言,三相电压的不平衡和谐波的畸变,都表现为高次波动模式,通过优化设计KpKi参数,设置合适的系统截止频率,就可以克服电网三相不平衡和畸变给锁相环带来的影响[4]参数优化方法可以达到和增加数字滤波器算法类似的精确锁相性能,而在实现上更简单。这种方法更加适合在工程上应用。

2.2 解耦双同步坐标系锁相环

2.2.1 解耦双同步坐标系锁相环

电网是一个复杂的动态系统,电网故障、非线性负载以及发电系统所设的限制条件等诸多因素都会影响它的动作行为,导致电压向量中存在干扰。由于电压干扰的存在,三相并网逆变器控制系统会散失对功率信号的控制能力,从而造成其保护系统错误动作,严重的情况下甚至会损坏功率变换器件。为了保证在电网不对称故障下系统仍然能够实现准确的电网同步,提出了一种基于双同步参考坐标系的解耦同步锁相环,两个坐标系分别以正序和负序同步速度旋转,这种双同步参考坐标系可以实现电压分量相互作用的解耦。三相电压不平衡的情况下,解耦双同步参考坐标系锁相环具有较好的动态性能能够准确地检测出相位,以及正负序分量的大小,能够为电网同步提供准确的相位信息。

由于非线性负载的接入与退出,以及暂态电网故障的存在,电网电压通常处于不对称畸变状态。利用对称分量法,可将三相不对称电量分解为正序、负序和零序三个分量。

2.2.2 解耦双同步坐标系锁相环改进

解耦双同步坐标系锁相环也能进行改进,更加迅速、准确地确定电网正序电压的相位。

人们提出在正序q轴锁相回路加入300Hz6次谐波陷波器的方法抑制电网电压中存在的5次负序电压和7次正序电压对锁相的影响。锁相程序针对较大的相位变化采取改变正弦表指针的方法,针对较小的相位或频率变化采取调节DSP周期寄存器的方法。该实现方法能更好的兼顾锁相的动态性和精确性。

在实际运行中,交流系统电压并不能保持完全平衡,交流系统发生不对称故障的机率也相当大。一方面,当电网电压不平衡或交流系统发生不对称故障时,换流器的交直流两侧会产生大量的负序分量和非特征谐波,这些谐波分量轻者会引起系统故障保护动作,重者会严重威胁锁相装置的安全。另一方面,理想情况下设计的锁相环控制系统在谐波的影响下将失去相位定向基准,其解耦条件也遭到破坏,此时控制器性能将严重恶化甚至无法工作。因此只有考虑了电网电压不平衡时或交流系统故障情况时的控制系统才能满足工程实际运行的需要。人们借鉴在理想情况下设计换流器控制器时采用的电压前馈控制方式,提出一种负序电压实时补偿的不平衡控制策略。该控制系统不仅能够有效地抑制交流系统不对称故障引起的负序电流,而且大大简化了锁相环的结构,同时又提高了控制系统的动稳态性能。

2.3 基于快速傅里叶变换的锁相环

2.3.1 基于快速傅里叶变换的锁相环

传统过零鉴相锁相环虽然实现简单,但同步信号在含有谐波、毛刺情况下会存在多个过零点,以致锁相失败。基于离散傅里叶变换鉴相的锁相环[5]可以解决这一问题。离散傅里叶变换可以从任意信号中抽取基准频率倍频次信号的相位、频率和幅值,可以解决谐波对外同步信号的影响,从而实现周期控制锁相环对谐波的识别。采用傅里叶变换鉴相的锁相环是基于基波周期的鉴相和调节,因此和传统过零鉴相锁相环一样具有较好的动态调节能力。同时,利用傅里叶变换鉴相不存在输入信号频率改变引入相移误差,可以对任意形状的输入信号准确鉴相。

FFT-PLL结果简单。不同于SRF-PLLDDSRF-PLL,基于快速傅立叶算法的锁相环不需要PI控制器。根据仿真结果可知,该锁相环在电网谐波较严重的情况下仍能快速准确地锁定被测信号相位。另外,由于该锁相环没有PI控制器,完全依靠算法进行锁相,因此该锁相环具有相对快速的响应特性。在被测信号发生阶跃扰动后,该锁相环可以迅速跟踪被测信号的相位变化。

2.3.2 改进基于快速傅里叶变换的锁相环

人们提出了一种改进的FFT锁相环,该锁相环将原有锁相环中所用到的陷波器改成了求周期平均值的模块,获得了较好的动态响应。该模块的主要作用是求输入信号在二倍频周期内的平均值,从而将信号中的二倍频分量完全滤除。

 

3 三种锁相环的比较

三种锁相环的适用条件不同,响应速度也不相同。在三相平衡故障的时候,三相同步锁相环能很好的实现锁相功能。而系统出现三相不平衡故障或谐波失真的时候,解耦双同步坐标系锁相环比三相同步锁相环能更好的实现锁相功能,但是它的响应速度没有三相同步锁相环的快。而基于快速傅里叶变换的锁相环由于没有PI控制环节,响应速度最快。

为了比较不同锁相环算法的电网电压监测能力,人们还阐述了单/双同步坐标系软件锁相环工作原理;基于Matlab/Simulink 软件平台,分别建立了单同步坐标系软件锁相环和双同步坐标系的解耦软件锁相环的仿真模型;针对电网电压理想工况和电网电压三相不平衡情况,对单/双同步坐标轴系下软件锁相环的运行性能进行了仿真比较。

 

4 结语

三种锁相环的适用条件不同,响应速度也不相同。在三相平衡故障的时候,三相同步锁相环能很好的实现锁相功能。而系统出现三相不平衡故障或谐波失真的时候,解耦双同步坐标系锁相环比三相同步锁相环能更好的实现锁相功能,但是它的响应速度没有三相同步锁相环的快。而基于快速傅里叶变换的锁相环由于没有PI控制环节,响应速度最快。

因此,在高压直流输电系统中,为了换流站的网侧换流器控制能快速准确地跟踪电压相位,需要结合实际情况选择合适的锁相环。

 

参考文献:

[1]魏建玮,张迎雪. 锁相环技术综述[J]. 科技信息(学术研究),2008,36:190.

[2]林百娟. 三相电压不平衡条件下锁相环的设计与实现[D].内蒙古工业大学,2009.

[3]龚锦霞,解大,张延迟. 三相数字锁相环的原理及性能[J]. 电工技术学报,2009,10:94-99+121.

[4]徐云燕,蒋应伟,侯凯. 三相同步锁相环(SRF-PLL)的参数优化及其工程应用设计[J]. 电气应用,2014,02:56-62.

[5]孔雪娟,罗昉,彭力,康勇. 基于周期控制的逆变器全数字锁相环的实现和参数设计[J]. 中国电机工程学报,2007,01:60-64

作者简介:

颜泽远(1991-),男,硕士研究生,从事直流运维工作。

熊传广(1982-),男,本科,工程师,从事直流运维工作。

杨猛(1985-),男,本科,工程师,从事直流运维工作。

龚骏(1990-),男,本科,助理工程师,从事直流运维工作。

 


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