非理想电压条件下软件锁相环的相位跟踪技术研究

论文摘要

随着科学技术的日益发展和自动化程度的不断提高,越来越多先进的电力电子装置被应用到电力系统。因此,在实际的电网运行中,这些电力电子装置能否完整地实现其应有功能,就自然而然地成为人们关注的焦点。在这些电力电子装置的控制电路中,很多都会使用到电网电压的相位同步信号,因此,为了确保此类电力电子装置正常运行,必须设计性能良好的相位同步电路,用于跟踪电网电压的频率和相位,特别地,当电网电压处于非理想状态时,就需要设计性能更加优良的相位同步电路以获取相位同步信号。因此,相位同步电路是该类电力电子装置的一个关键部份。换言之,相位同步电路的性能优劣将直接关系到此类装置的动态性能和稳定性。在众多相位同步技术中,锁相环以其良好的相位同步性能成为目前常用的一种相位同步电路。特别是随着数字时代的来临,具有稳定、经济、灵活等优点的软件锁相环引起了人们的重视。因此,如何使用高性能的软件锁相环获取电力电子装置所需的相位信号,成为科学工作者的一个研究热点。论文从分析锁相环基本结构的三个主要模块:鉴相器、环路滤波器和压控振荡器的工作原理入手,分别推导了它们的数学模型,从数学模型的角度详细阐述了锁相环的工作过程。并且基于非理想电压条件,分析了几种传统的相位同步技术。在介绍软件锁相环的工作原理和优势的基础上,详细分析了两种软件锁相环的基本原理,利用matlab/simulink仿真,验证了两种软件锁相环在各种非理想电压条件下(电压跌落、相位跳变、频率偏移、三相电压不平衡)的锁相能力,指出了两种锁相环在三相电压不平衡并伴随频率偏移的条件下,锁相能力不佳。因此,针对该情况,提出一种基于坐标变换的改进型软件锁相环的电路结构,并分析了其工作原理。通过仿真,验证了改进型软件锁相环的可行性和正确性。在此基础上,选取三相电压型PWM整流器作为研究对象,将改进型软件锁相环应用于PWM整流器的控制电路,推导了PWM整流器的数学模型,并据此设计了控制电路,最后,通过仿真验证了改进型软件锁相环的锁相能力:与传统的单同步坐标系软件锁相环相比,改进型软件锁相环不仅能够在理想电压条件下实现锁相功能,而且在电压频率偏移条件下,能够保证PWM整流器运行于单位功率因数。最后,基于C8051f410单片机设计了部分实验平台,用以进一步验证改进型软件锁相环的正确性。在软件部分,本文绘制了三种软件锁相环的程序流程图,并且编写了相应的C语言程序,在硬件部分,设计并制作了锁相环输入信号的采样电路、调理电路和D/A电路。在此基础上,测试了硬件部分的实验波形。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 非理想电压
• 1.2.1 非理想电压的分类
• 1.2.2 电压标准
• 1.3 基于相位同步电路的电力电子装置
• 1.3.1 需要相位同步电路的网侧装置
• 1.3.2 相位同步电路的非理想工作环境
• 1.4 锁相环
• 1.4.1 锁相环的国内外研究现状
• 1.4.2 锁相环的种类
• 1.5 本文研究的主要内容
• 2 锁相环的拓扑结构和工作原理
• 2.1 基本概念及相位关系的描述
• 2.2 锁相环路的工作状态
• 2.3 锁相环的电路基础
• 2.3.1 锁相环的基本结构
• 2.3.2 锁相环的基本工作过程
• 2.4 传统的相位同步技术
• 2.5 本章小结
• 3 基于坐标变换的软件锁相环
• 3.1 软件锁相环
• 3.2 基于坐标变换的软件锁相环
• 3.2.1 单同步坐标系软件锁相环（SSRF SPLL）
• 3.2.2 基于对称分量法的SSRF SPLL
• 3.3 基于坐标变换理论的改进型锁相环
• 3.3.1 锁相环的结构
• 3.3.2 改进型锁相环的原理
• 3.3.3 改进型锁相环的性能分析
• 3.3.4 仿真验证
• 3.4 本章小结
• 4 基于改进型软件锁相环的三相 PWM 整流器
• 4.1 PWM 整流器的数学模型
• 4.2 矢量控制原理
• 4.2.1 坐标变换
• 4.2.2 PWM 整流器在两相坐标系下的数学模型
• 4.3 PWM 整流器的控制系统
• 4.3.1 PWM 整流器的双闭环控制系统
• 4.3.2 基于改进型锁相环的电路应用方案
• 4.4 仿真分析
• 4.5 本章小结
• 5 实验验证
• 5.1 锁相环的总体结构
• 5.2 锁相环的硬件设计
• 5.2.1 输入电压模块
• 5.2.2 电压检测电路和调理电路
• 5.2.3 C8051F410 单片机
• 5.2.4 锁相环输出电路
• 5.3 锁相环的软件设计
• 5.3.1 程序流程图
• 5.3.2 优化计算速度的措施
• 5.4 实验结果
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B.作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目目录