摘要：对于并网型风电变流器来说，能够准确而又快速地获得三相电网电压的相位角，从而实现成功并网具有重要的意义。本文分析多种锁相环技术后，最终采用软件锁相环来实现变流器的并网，并在此基础上进一步的优化软件锁相环技术的细节，从而实现风电变流器系统安全可靠的完成并网。
关键词：直驱风电变流器，SPLL，Z变换
GRID-SIDECONVERTERSPLLINDIRECTDRIVEWINDPOWERSYSTEM
1引言
在永磁直驱风电变流器的并网过程中，能够准确快速地获得三相电网电压的相位角是保证整个系统具有良好的稳态和动态性能的前提条件。一般采用锁相环来获得电网电压的相位，因此必须设计性能优良的锁相环。
2锁相环
2.1锁相环的概述和基本结构[1,2]
获得电网电压相位角的一般途径是先产生一个与电网电压同步的信号，再通过同步信号获得相位角。产生同步信号的方法有很多，最简单方法是用电网电压作为同步信号，但这种方法会因电网电压波形失真而导致系统输出电压和电流的畸变，甚至影响系统的稳定性，因此不宜采用此方法。一般采用锁相环 (Phase-LockedLoop,PLL)来获得电网电压的相位角。锁相环一般由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器及分频器组成，其结构框图如图2-1 所示。其基本工作原理是鉴相器将电网电压和控制系统内部同步信号的相位差信号转变成电压，经过环路滤波器滤波后去控制压控振荡器，从而改变系统内部同步信号的频率和相位，使之与电网电压一致。
图2-1 锁相环的基本结构
2.2锁相环的分类
锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环PLL(PhaseLockedLoop)。锁相环技术也称作自动相位控制技术，负反馈环路的结构可以使得其输出信号与参考信号相位同步。其广泛应用于通信、无线电及电力系统自动化等领域，实现信号处理、调制解调、时钟同步、倍频、频率综合等功能。
锁相环可分为模拟锁相环APLL(AnalogPLL)、混合锁相环Mixed-SignalPLL、数字锁相环 DPLL(DigitalPLL)和软件锁相环SPLL(SoftwarePLL)。模拟锁相环是一门成熟的技术，独特的优良性能是它在许多领域得到了广泛的应用。近年来，随着数字技术的发展，逆变电源的全数字化控制也是大势所趋，因此，锁相环也逐渐过渡为数字化。软件锁相环相对于模拟锁相环实现起来更方便，易于移植，同时用软件代替硬件，也节约了成本。本文所述系统正是采用了软件锁相环技术。
2.3三相软件锁相环的基本结构
对于三相电网，采用单相同步的方法很难准确的实现dq坐标系与电网三相电压合成矢量的同步，必须综合三相电压的相位信息。如图2-2所示，当电网电压幅值，即电压合成矢量Us的幅值不变时，Us的q轴分量Usq反映了d轴与电网电压Us的相位关系。Usq>0时，d轴滞后Us，应增大同步信号频率；Usq<0时，d轴超前Us，应减小同步信号频率；Usq=0时，d轴与Us同相。因此，可通过控制Usq，使Usq=0来实现两者之间的同相。基于这一思想，设计了一种采用DSP实现的三相软件锁相环(SPLL)。每个逆变单元的并联控制器和单机控制器中都有锁相环，在本系统中都是用软件来实现的。[3]
图2-2 电压矢量相位图 图2-3三相软件锁相环结构框图
如图2-3所示，电网电压经坐标变换后得到Usq[4]，经过环路滤波器后改变压控振荡器的振荡频率。用DSP实现时，一般采用DSP内部定时器的循环计数来产生同步信号、实现压控振荡器和分频器的功能，因此可通过改变定时器的周期或最大循环计数值的方法来改变同步信号的频率和相位。
2.4三相软件锁相环的数学模型
由于锁相环在本系统中用软件实现，所以下面先分析数字域中的锁相实现方法，进而推导出锁相环的z域数学模型。
图2-4 输出电压超前于同步信号 SYN 的示意图
图2-6：闭环锁相的控制框图
3三相软件锁相环的误差与精度
3.1三相软件锁相环的误差分析
控制系统的稳态误差，是系统控制准确度(控制精度)的一种度量，通常称为稳态性能。在控制系统设计中，稳态误差是一项重要的技术指标。对应一个时基的控制系统，由于系统结构、输入作用的类型(控制量或扰动量)、输入函数的形式(阶跃、斜坡或加速度)不同，控制系统的稳态输出不可能在人和情况下都与输入量已知或相当，也不可能在任何形式的扰动作用各下都能准确地恢复到原平衡位置。可以说，控制系统的稳态误差是不可避免的，控制系统设计的任务之一，是尽量减小系统的稳态误差，或者使稳态误差小于某一容许值。上面讨论了系统的稳定条件，只有在系统稳定时，讨论稳态误差才有意义。
由图2-6，得到输入信号下的系统误差传函为：
3.2用以提高锁相精度的SPWM再调制技
锁相精度是锁相技术中比较关键的一个问题，锁相的优劣也直接关系到逆变器并联的可靠性。逆变器输出电压的锁相精度，除了与相位误差的检测精度、控制器的性能等有关以外，还与逆变器输出周期控制的精度有直接的联系。文献针对微处理器的计数时钟以及开关周期使得锁相精度较低的问题，提出了SPWM的再调制技术，可有效地提高逆变器输出电压的锁相精度。
所谓“SPWM再调制控制”，即在原有的SPWM调制的基础上，按照一定的策略选取其中部分载波，作为再调制单元，将需要补偿的时钟控制周期叠加到这些载波的周期计数器中，以提高相位控制分辨率，实现高精度同步控制的方法。再调制控制策略在实际数字化控制系统中应用较多的有顺序插补、分组顺序插补和对称插补。本文采用了分段顺序插补技术，通过对载波周期进行精确控制来实现对相位的精确控制。以DSP作主控制器为例，采用SPWM技术时，一定的开关频率下的载波比为N，在采用连续增减计数模式产生载波时，则理论上最小锁相精度为计数时基的2N倍；若采用分段顺序插补技术对载波周期进行补偿，将N分为n个小段，并在每段中根据需要，对载波周期进行周期的顺序插补补偿，同样采用连续增减计数模式产生载波，并假设计数时基不变，此时理论的最小锁相精度为计数时钟的2n倍，与未采用插补技术时，相位精度提高为原来的N/n倍。
这种采用分段顺序插补技术对载波周期进行顺序插补补偿，实现了对载波周期的更精确的控制，有效地提高了锁相环的锁相精度。
4实验结果和分析
本文所设计的软件锁相环是基于永磁直驱风电变流器系统应用的。如图4-1，该变流器是一台额定功率为1.5MW的直驱风电变流器样机，并进行了调试与试验。该变流器采用的拓扑结构是PWM背靠背的形式，对于电机侧整流部分采用两个PWM整流器并联，同样的电网侧也是一样，整流与逆变器之间共用一个直流母线。系统采用共母线的结构在提高了功率等级的同时也加入了环流，因此系统控制相对于单个模块较复杂。在变流器网侧采用合适的电抗器滤波，提高电能质量。
图4-1 永磁直驱风电系统网侧变换器实验平台
调试中只对样机的主要功能部件进行测试与实验，并在此基础上对锁相环的跟踪性能进行测试。实验主要参数为：IGBT开关频率为1.5 kHz，调制频率 fr= 50 Hz，直流母线电压 Udc= 1100 V，额定功率为1.5MW，网侧额定电压为690V，额定电流1255A等。
图4-2 并网锁相过程
图4-2为并网电流在锁相环作用下跟踪电网电压相位的波形图（CH1为电网电压波形，CH2为并网电压信号）。由于程序采用读表法，会存在一定的相位误差，理论上的最大相位误差为2π／216=9.6×10-5（rad），该误差已相当小，满足设计要求。由图4-2可以看出，并网电流在跟踪电网电压的过程中，2路信号波形之间的相位差在逐渐减小，稳态误差已经达到了实际应用要求。从直驱变流器样机试验看，软锁相功能模块相位跟踪的精确性和快速性达到了实际应用的设计标准。
4结语
采用数字软锁相技术实现风力发电并网系统的锁相，样机试验表明，该锁相系统具有锁相精度高、稳定、快速且简单易于实现等优点，能很好地满足风电系统并网要求。对其他变流器系统也具有一定的借鉴作用。