锁相环在矩阵变换器中的应用

  的优点是输出电压为正弦波，输出频率不受电网频率限制：输入电流也可控制为正弦波且和电压同相，功率因数为1，也可控制为需要的功率因数；能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行；不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。电气性能十分理想的。

  获取电网电压相位是实现中的一个关键环节。传统基于过零点检测进行相位获取，然而，这种方法必须在电网平衡时才保证有效。随着近几年配电网中整流器、变频调速装置、电气化铁路及各种电力电子设备的持续不断的增加，这些负载的非线性、冲击性和不平衡用电特性使公用电网遭到严重污染，电网随时有可能发生波动。于是，基于过零点检测的方法无法达到一定的要求，锁相环便成为电网波动条件下获取电压相位的一种有效途径。

  广义上讲，锁相环(PLL)的结构分为3种类型：基于过零点检测(ZCD)的锁相环；基于静止坐标系的锁相环；基于同步旋转坐标系(SRF)的锁相环。

  基于过零点检测的锁相环结构最简单，而一旦电网频率波动，它便无法准确跟踪电压相位。基于静止坐标系的锁相环和基于同步旋转坐标系的锁相环无法在电网不平衡时保持良好性能。在电网不平衡条件下如何准确地跟踪电压相位，很多文献已经提出大量方法。这里提出一种基于滑动平均数字滤波器的简单方法。可在电网不平衡条件下有效改善SRF PLL的性能。仿真和实验结果均表明，按此方法构建的锁相环性能优于传统SRF PLL。

  为了获取相位信息，三相系统(Va，Vb，Vc)转换为静止两相系统(Vα，Vβ)。其中，

  相位角能够最终靠图2所示方法获取，θ=ωt一(π/2)。在图2中，V为电压空间矢量，q,d轴为同步旋转参考坐标系的坐标轴。

  的输出与理想电网角频率(100π)累加成为预估计角频率ω′，对ω′进行积分得到估计相位θ′。同步旋转坐标系电压空间矢量能够最终靠下面公式得到：

  PI控制器增益设定合适时，系统的估计频率(ω′)锁定在实际电网角频率(ω)处。估计相位(θ′)近似等于电网电压实际相位(θ)，下面公式成立。

  频率为50 Hz的电网不平衡时，100 Hz的纹波将出现在两相系统中，这将导致锁相环系统无法正确地跟踪电压相位。若使用低通滤波器滤除纹波，系统调节时间将会延长，但如果将低通滤波器替换为滑动平均滤波器，系统调节时间不会延长，同时纹波能得到一定效果衰减。

  滑动平均滤波器是一种简单形式的FIR滤波器。如果对一个包含100 Hz谐波成分的信号以1 kHz的频率进行采样，同时将采样信号送入系统函数为H(x)=0．1(1+x-2+z-3+z-4+z-5+z-6+z-7+z-8+z-9)的滑动平均滤波器，根据Nyquist Criteria，100 Hz谐波成分将被滤除，输出信号所包含的整数倍频率谐波上升为500 Hz。

  低通滤波器与滑动平均滤波器的幅频响应如图4所示。能够准确的看出，在一个比较宽的频率范围内，滑动平均滤波器可对频率在100 Hz附近的信号做更大程度衰减。所以，即便电网频率发生波动，滑动平均滤波器的特性也不会被削弱。两个滤波器的频率特性如图5所示。从相频响应上分析，滑动平均滤波器能够给大家提供更好的相位裕量。所以，在传统SRFPLL中加入滑动平均滤波器可以更准确地进行相位跟踪，同时能使系统拥有比较宽的通频带。

  锁相环最终的简化框图如图6所示，电网不平衡带来的问题通过加入滑动平均滤波器得以有效解决。

  (1)将滑动平均滤波器近似为一阶低通滤波器，其阻带截止频率为100 Hz。系统的采样频率选定为1 kHz，一阶低通滤波器的时间常数设定为10 ms。两滤波器的单位阶跃响应如图7所示。