基于锁相环的能量回馈控制系统研究

孙轶男 王旭东

（哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

引言

近年来，随着工业化进程的不断加快，我国对电能的需求日益加大，节电成为了当今发展的主要课题，能量回馈应运而生。所谓能量回馈，是将电机制动生成能量反送回电网，此时要求电压与电网电压同频同相，即与电网同步，否则会对电网造成污染，影响电网正常运作。因此，与电网同步是能量回馈的关键所在，现阶段，在能量回馈相关领域，大家多采用软件定时同步采样方法实现回馈电压与电网电压的同步，但这种方法存在精度低、可靠性差等问题，在一定程度上威胁着电网的安全。本文设计了一种基于锁相环的能量回馈控制系统，实验证明，使用锁相环同步采样比使用软件定时同步采样精度高，能够更好更安全的实现电能无污染并网。

1 系统硬件设计

在所设计的控制系统中，硬件电路设计主要包括DSP控制电路、电压电流检测电路、功率驱动与保护电路及滤波电抗器的选取等。

1.1 能量回馈主电路

能量回馈系统的主回路结构如图2所示，能量回馈装置的主电路主要由六个IGBT组成的三相逆变桥、串联电感、滤波电容及一些外围电路组成。逆变桥的输出端通过三个扼流电抗器L1、L2、L3与三相电网相连；输入端则接到直流电源上。C、R和VD组成的电路用来吸收直流母线电源上的毛刺。扼流电抗器L1、L2、L3的作用是平衡压差、限流以及滤波，对能量回馈安全并网起关键作用。能量回馈控制系统的原理是：将直流侧电压经三项逆变桥逆变为三相交流电，后经过同步控制、电感滤波等处理后送回电网。其中主电路六个IGBT的驱动信号为DSP软件编程控制生成的矢量脉宽调制波形。

1.2 锁相环同步采样

本系统采用锁相环来控制采样的定时和速率，从而实现同步采样。由于设计要求在一个基频周期内采样256点，所以采样信号频率是基频的256倍。256倍频电路，采用CD4046锁相环和4040计数器构成。CD4046是一种性能优良的CMOS锁相环，片内含有一个具有鉴相功能的数字鉴相器和一个数字门电路型的压空振动器，其反馈频率信号通过压控振荡器产生，并提供给计数器4040来生成，即锁相环输出的高频信号通过CLK引脚输入到计数器4040，经256分频后，通过COMPin引脚反馈回锁相环，与电网电压同相过零点的50HZ输入信号相比较，实现频率、相位的锁定。

由于CD4046片内鉴相器为数字鉴相器，不能识别模拟信号，所以应搭建过零检测电路，如图4所示。该电路输入为基波正弦信号，通过对过零点的捕捉，形成输出基频方波信号，作为锁相环的给定基频信号。

1.3 电抗器的选取

从输出一定功率考虑，在功率一定的情况下，交流侧电感值 有最大值的限定。我们从输入电网的电流 公式也可以看出，为了平衡一定的 ，电抗值越小，可以得到的回馈电流 也就越大。从这个角度来说，电感量取得越小越好，可以获得更高的电流输出，也可以减少电感的制作成本。

从抑制回馈电流的谐波含量考虑，电感值较大有利于回馈电流的高频谐波滤波。由于电感两侧的电压波形不同，逆变输出电压 在每个载波周期都产生跃变，但不可能突变，由于电感的作用，将围绕正弦曲线上下起伏。可以推见电路的载波频率越高，或是越大，则电流的脉动量越小，越接近正弦，但同时也会降低电流的跟踪速度。

综合以上考虑，对于电感值的选择，取值较大有利于回馈电流的滤波，但成本增加且电感上的压降增加，电感的压降增加则直接影响逆变器向电网逆变的功率，或同等功率下不得不增大逆变器主开关管的电流容量，从而使得整体成本增加；取值较小，电感上的压降减小价格降低，但回馈电流的谐波增加。因此对于 的取值应综合考虑电感上的压降、电流的谐波和制造成本。对于本文选择电感量为4mH的电抗器。从电抗器滤波前后电流波形图所示，可见，4mH电抗器可较好实现电流的滤波，有效减少交流侧输出正弦波所含谐波分量。

2 实验结果分析

我们将锁相环同步采样技术应用于能量回馈控制系统中，由于电网本身存在一定的波动，锁相环同步采样与软件定时同步采样相比，拥有更高的精度，输出电压能够实时跟踪电网电压达到同频同相，提高了能量回馈并网的安全系数。锁相环同步采样和软件定时同步采样两种方法的具体电压跟踪情况如下图所示。

由以图3、图4、图5，我们可以知道，软件定时同步采样在标准电网电压频率50HZ的时候可以实现同步采样，但是一旦电网电压发生波动，则会发生“跟丢”的情况，威胁电网安全。采用锁相环同步采样方式，可在45～55HZ甚至更高范围内实现完美跟踪，保证回馈电压与电网电压实时同步，可实现安全无污染的能量回馈。

3 结束语

能量回馈控制系统的关键是输出电压与电网电压的严格实时同步，一旦相位频率跟踪不上，会产生对电网的污染，严重危害电网安全。本文采用CD4046锁相环同步采样法实现输出电压与电网电压的同步，硬件电路搭建较为简单，但经相关实验证明，该方法拥有安全可靠、谐波污染小等优点，可实现回馈能量的无污染安全并网。

[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2005：160-165.

[2]王廷才，王伟.变频器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2005：4-5.

[3]吴隆安，赖寿宏，涂从欢.能量回馈系统的设计与实现[J].电力电子技术，1995（1）：24-24.

[4]王晓明，王玲.电动机的DSP控制－TI公司的DSP应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004：72-78、120-140.

[6]焦维军,吴延华.基于DSP能量回馈控制系统的研究[J].煤炭技术，2007，26(2)：28-30.