孫軼男 王旭東

（哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

引言

近年來(lái)，隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，我國(guó)對(duì)電能的需求日益加大，節(jié)電成為了當(dāng)今發(fā)展的主要課題，能量回饋應(yīng)運(yùn)而生。所謂能量回饋，是將電機(jī)制動(dòng)生成能量反送回電網(wǎng)，此時(shí)要求電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相，即與電網(wǎng)同步，否則會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成污染，影響電網(wǎng)正常運(yùn)作。因此，與電網(wǎng)同步是能量回饋的關(guān)鍵所在，現(xiàn)階段，在能量回饋相關(guān)領(lǐng)域，大家多采用軟件定時(shí)同步采樣方法實(shí)現(xiàn)回饋電壓與電網(wǎng)電壓的同步，但這種方法存在精度低、可靠性差等問(wèn)題，在一定程度上威脅著電網(wǎng)的安全。本文設(shè)計(jì)了一種基于鎖相環(huán)的能量回饋控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明，使用鎖相環(huán)同步采樣比使用軟件定時(shí)同步采樣精度高，能夠更好更安全的實(shí)現(xiàn)電能無(wú)污染并網(wǎng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，硬件電路設(shè)計(jì)主要包括DSP控制電路、電壓電流檢測(cè)電路、功率驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路及濾波電抗器的選取等。

1.1 能量回饋主電路

能量回饋系統(tǒng)的主回路結(jié)構(gòu)如圖2所示，能量回饋裝置的主電路主要由六個(gè)IGBT組成的三相逆變橋、串聯(lián)電感、濾波電容及一些外圍電路組成。逆變橋的輸出端通過(guò)三個(gè)扼流電抗器L1、L2、L3與三相電網(wǎng)相連；輸入端則接到直流電源上。C、R和VD組成的電路用來(lái)吸收直流母線電源上的毛刺。扼流電抗器L1、L2、L3的作用是平衡壓差、限流以及濾波，對(duì)能量回饋安全并網(wǎng)起關(guān)鍵作用。能量回饋控制系統(tǒng)的原理是：將直流側(cè)電壓經(jīng)三項(xiàng)逆變橋逆變?yōu)槿嘟涣麟?，后?jīng)過(guò)同步控制、電感濾波等處理后送回電網(wǎng)。其中主電路六個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為DSP軟件編程控制生成的矢量脈寬調(diào)制波形。

1.2 鎖相環(huán)同步采樣

本系統(tǒng)采用鎖相環(huán)來(lái)控制采樣的定時(shí)和速率，從而實(shí)現(xiàn)同步采樣。由于設(shè)計(jì)要求在一個(gè)基頻周期內(nèi)采樣256點(diǎn)，所以采樣信號(hào)頻率是基頻的256倍。256倍頻電路，采用CD4046鎖相環(huán)和4040計(jì)數(shù)器構(gòu)成。CD4046是一種性能優(yōu)良的CMOS鎖相環(huán)，片內(nèi)含有一個(gè)具有鑒相功能的數(shù)字鑒相器和一個(gè)數(shù)字門電路型的壓空振動(dòng)器，其反饋頻率信號(hào)通過(guò)壓控振蕩器產(chǎn)生，并提供給計(jì)數(shù)器4040來(lái)生成，即鎖相環(huán)輸出的高頻信號(hào)通過(guò)CLK引腳輸入到計(jì)數(shù)器4040，經(jīng)256分頻后，通過(guò)COMPin引腳反饋回鎖相環(huán)，與電網(wǎng)電壓同相過(guò)零點(diǎn)的50HZ輸入信號(hào)相比較，實(shí)現(xiàn)頻率、相位的鎖定。

由于CD4046片內(nèi)鑒相器為數(shù)字鑒相器，不能識(shí)別模擬信號(hào)，所以應(yīng)搭建過(guò)零檢測(cè)電路，如圖4所示。該電路輸入為基波正弦信號(hào)，通過(guò)對(duì)過(guò)零點(diǎn)的捕捉，形成輸出基頻方波信號(hào)，作為鎖相環(huán)的給定基頻信號(hào)。

1.3 電抗器的選取

從輸出一定功率考慮，在功率一定的情況下，交流側(cè)電感值 有最大值的限定。我們從輸入電網(wǎng)的電流 公式也可以看出，為了平衡一定的 ，電抗值越小，可以得到的回饋電流 也就越大。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，電感量取得越小越好，可以獲得更高的電流輸出，也可以減少電感的制作成本。

從抑制回饋電流的諧波含量考慮，電感值較大有利于回饋電流的高頻諧波濾波。由于電感兩側(cè)的電壓波形不同，逆變輸出電壓 在每個(gè)載波周期都產(chǎn)生躍變，但不可能突變，由于電感的作用，將圍繞正弦曲線上下起伏?？梢酝埔?jiàn)電路的載波頻率越高，或是越大，則電流的脈動(dòng)量越小，越接近正弦，但同時(shí)也會(huì)降低電流的跟蹤速度。

綜合以上考慮，對(duì)于電感值的選擇，取值較大有利于回饋電流的濾波，但成本增加且電感上的壓降增加，電感的壓降增加則直接影響逆變器向電網(wǎng)逆變的功率，或同等功率下不得不增大逆變器主開(kāi)關(guān)管的電流容量，從而使得整體成本增加；取值較小，電感上的壓降減小價(jià)格降低，但回饋電流的諧波增加。因此對(duì)于 的取值應(yīng)綜合考慮電感上的壓降、電流的諧波和制造成本。對(duì)于本文選擇電感量為4mH的電抗器。從電抗器濾波前后電流波形圖所示，可見(jiàn)，4mH電抗器可較好實(shí)現(xiàn)電流的濾波，有效減少交流側(cè)輸出正弦波所含諧波分量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

我們將鎖相環(huán)同步采樣技術(shù)應(yīng)用于能量回饋控制系統(tǒng)中，由于電網(wǎng)本身存在一定的波動(dòng)，鎖相環(huán)同步采樣與軟件定時(shí)同步采樣相比，擁有更高的精度，輸出電壓能夠?qū)崟r(shí)跟蹤電網(wǎng)電壓達(dá)到同頻同相，提高了能量回饋并網(wǎng)的安全系數(shù)。鎖相環(huán)同步采樣和軟件定時(shí)同步采樣兩種方法的具體電壓跟蹤情況如下圖所示。

由以圖3、圖4、圖5，我們可以知道，軟件定時(shí)同步采樣在標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)電壓頻率50HZ的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)同步采樣，但是一旦電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)，則會(huì)發(fā)生“跟丟”的情況，威脅電網(wǎng)安全。采用鎖相環(huán)同步采樣方式，可在45～55HZ甚至更高范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)完美跟蹤，保證回饋電壓與電網(wǎng)電壓實(shí)時(shí)同步，可實(shí)現(xiàn)安全無(wú)污染的能量回饋。

3 結(jié)束語(yǔ)

能量回饋控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是輸出電壓與電網(wǎng)電壓的嚴(yán)格實(shí)時(shí)同步，一旦相位頻率跟蹤不上，會(huì)產(chǎn)生對(duì)電網(wǎng)的污染，嚴(yán)重危害電網(wǎng)安全。本文采用CD4046鎖相環(huán)同步采樣法實(shí)現(xiàn)輸出電壓與電網(wǎng)電壓的同步，硬件電路搭建較為簡(jiǎn)單，但經(jīng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，該方法擁有安全可靠、諧波污染小等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)回饋能量的無(wú)污染安全并網(wǎng)。

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：160-165.

[2]王廷才，王偉.變頻器原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：4-5.

[3]吳隆安，賴壽宏，涂從歡.能量回饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力電子技術(shù)，1995（1）：24-24.

[4]王曉明，王玲.電動(dòng)機(jī)的DSP控制－TI公司的DSP應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004：72-78、120-140.

[6]焦維軍,吳延華.基于DSP能量回饋控制系統(tǒng)的研究[J].煤炭技術(shù)，2007，26(2)：28-30.