風電場運行中電網頻率和相位信息的檢測

王帥 李鵬 崔紅芬

（電力系統保護與動態(tài)安全監(jiān)控教育部重點實驗室（華北電力大學），河北 保定 071003）

1 引言

風力發(fā)電以其無污染、可再生的優(yōu)點，日益受到世界各國的廣泛重視，得到迅速發(fā)展[1-4]。變速恒頻風力發(fā)電機突破恒速恒頻風力發(fā)電機對轉速的限制，最大限度捕獲風能以提高發(fā)電效率，并能夠實現有功功率、無功功率的解耦控制，對電網進行無功補償，改善系統的功率因數[5-7]，這些優(yōu)點使其逐漸成為風力發(fā)電機的主流機型。

如圖1所示，風力發(fā)電機的變速恒頻控制需要根據風力機轉速的變化相應地控制轉子勵磁電流的頻率，使發(fā)電機輸出的電壓頻率與電網保持一致，根據感應電機定、轉子繞組電流產生的旋轉磁場相對靜止的原理，可知變速恒頻風力發(fā)電機轉速與定、轉子繞組電流頻率的關系如下：

式中，f1、 f2、n和p分別為定子電流頻率、轉子電流頻率、發(fā)電機的轉速和極對數。由式（1）可知，當轉速n發(fā)生變化時，若調節(jié) f2相應變化，可使 f1保持恒定不變，即與電網頻率保持一致。

圖1 變速恒頻風力發(fā)電機原理

因此要實現變速恒頻控制，電網的實時頻率和相位信息是必不可少的，尤其是在風力發(fā)電機安裝的偏遠地方，通信不便，這就使得實時實地取得電網相位、頻率信息變得非常重要。

鎖相環(huán)（PLL）廣泛應用在測控信號相干解調、時間同步、頻率合成等領域。用鎖相環(huán)技術可以快速跟蹤到電網電壓的相位和頻率信息，是變速恒頻發(fā)電機的控制不可缺少的一部分。目前使用的鎖相環(huán)可以分為模擬鎖相環(huán)（APLL）、數字鎖相環(huán)（DPLL）和軟件鎖相（SPLL）環(huán)[8-9]等幾種。APLL，DPLL等都是以硬件方式實現鎖相功能的，有著較為復雜的硬件電路，會遇到一些硬件難以克服的難題，如直流零點漂移、器件飽和、必須初始校準等，特別是在過零點附近存在噪聲干擾時測量準確性受到嚴重影響。軟件鎖相技術(SPLL)與硬件實現的鎖相環(huán)相比，更容易與整體控制方法結合，有更高的精度和收斂速度[10]，基于以上原因，軟件鎖相技術越來越受到重視。

在正常電網條件下，采用SPLL可快速跟蹤電網電壓的相位和頻率，但如果電網電壓中出現諧波、負序成分軟件鎖相環(huán)就會喪失對電網的頻率和相位的跟蹤。近年來，大型變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電機的研究已從電網理想狀態(tài)下的運行[11-12]深化到電網不平衡狀態(tài)下的運行[13-14]。因此，在電網有諧波、負序成分等不平衡狀態(tài)下能夠快速準確的測定系統的頻率和相位，已經是大型變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電機控制急需解決的問題。

為快速跟蹤電網電壓的相位和頻率，排除諧波和負序分量的干擾，本文對軟件鎖相環(huán)進行了改進，提出了一種含正負序分離功能的軟件鎖相環(huán)，對該方法的原理進行了詳細的理論分析，并用Matlab/Simulink進行了仿真驗證。

2 電網平衡狀態(tài)下的頻率檢測

軟件鎖相環(huán)測頻的原理如圖2所示。

圖2 軟件鎖相環(huán)電壓矢量圖

圖中，u代表電壓矢量，uspll代表鎖相環(huán)輸出矢量，當鎖相環(huán)實現對相位的跟蹤時，uspll和 u應該重合；未實現對相位的跟蹤時，兩矢量空間之間的夾角可以表示為：

式中，uα、uβ為u的α、β分量。

將三相電網電壓由三相靜止 ABC坐標系變換到兩相靜止αβ坐標系和同步旋轉dq坐標系，可分別得到

因此，電網故障時的相角跳變(??)θ可以用同步旋轉dq坐標系下的電網電壓q軸分量uq來描述。當電網電壓處于理想的平衡狀態(tài)時，電網電壓矢量的d、q分量ud、uq為直流量，因此通過對uq的PI調節(jié)就可以準確跟蹤正序電壓空間矢量。按此原理，一般 SPLL方法實現相位和頻率跟蹤的框圖如圖 3所示。

圖3 軟件鎖相環(huán)頻率跟蹤原理圖

ua、ub、uc轉換到靜止的αβ坐標系，然后轉換到與電壓同步的旋轉 dq坐標系得到交流電壓的直流分量 ud、uq（其中變換所用的旋轉角θ，是軟件鎖相環(huán)的輸出）。如果鎖相角與電網電壓相位同步，則電壓輸出直流分量uq等于0。0與uq的差值經比例積分PI調節(jié)器調節(jié)后可視為誤差信號ω，ω與擾動角頻率0ω相加后（0ω一般取100π，以便在輸入掉電的情況下仍能輸出工頻信號）得到角頻率*ω，再除以系數2π，便可得到系統的頻率信息。整個流程構成一個負反饋，通過調節(jié)PI調節(jié)器可達到鎖相和測頻的目的。

SPLL無需像硬件鎖相環(huán)那樣采用低通濾波器濾除高頻信號，也無需進行過零點檢測，動態(tài)響應快，能對電網頻率變化實現準確、快速而穩(wěn)定地跟蹤，本文用Matlab/Simulink對SPLL的測頻性能進行仿真，圖4表示軟件鎖相環(huán)在電網頻率波動中的響應，在t=0.2s時電網頻率由50Hz上升至50.5Hz，在0.4s時又由50.5Hz恢復為50Hz。

從圖 4（a）中可知，SPLL可以在電網無諧波和負序分量的情況下快速的跟蹤電網頻率。但在電網存在諧波和負序分量時，uq已不再是一直流分量，而是交流分量，所以軟件鎖相環(huán)將不能跟蹤電網的頻率，圖4（b）表示在0.2～0.4s的時間段內在三相電壓中加入幅值為0.1的負序電壓時SPLL的響應。

由于電力電子器件的使用，使得在風電場并網時產生諧波，圖4（c）表示在在0.2～0.4s的時間段內在三相電壓中加入幅值為0.1的5次諧波時SPLL的響應，由圖可以看出，在負序電壓和諧波的影響下，SPLL喪失了對頻率的跟蹤，測得的頻率呈現等幅震蕩狀態(tài)，這對風力發(fā)電機的變速恒頻控制是大為不利的。

圖4 軟件鎖相環(huán)在不同電網狀態(tài)下的頻率跟蹤

3 不平衡分量的分離

為解決負序分量和諧波對 SPLL的不良影響，使 SPLL能在負序和諧波的影響下能很好的跟蹤電網的頻率信息，提出一種正負序分離的方案。

在一般情況下，不對稱網絡的電壓向量在αβ坐標系可表示為

式中，gω是系統的角頻率。U+和U?分別為正序分量和負序分量的幅值，?+和??分別為正序分量和負序分量的相位。如果把一個延時T加入到電壓分量中，（7）式變?yōu)?/p>

把αβ坐標系下的電壓正負序分離的框圖如圖5所示。

圖5 電壓信號正負序分離框圖

由圖可知，把包含負序分量和諧波分量的uα、uβ分解為只含正序分量的排除了負序分量的干擾，實驗證明，正負序的分離對諧波也有明顯的抑制作用。

4 仿真驗證

為驗證提出的方案，用Matlab/Simulink進行了仿真驗證。圖6是在三相電壓中加入幅值為0.1的負序分量時的電壓正負序分離，圖7是電壓信號中存在負序分量時的頻率和相位跟蹤。由圖可以看出，負序分量被濾除，從而使改進的鎖相環(huán)能很好的跟蹤系統的頻率和相位。

圖6 存在負序分量時的正負序電壓分離

圖7 存在負序分量的頻率和相位跟蹤

圖8是在在三相電壓中加入幅值0.1的5、7次諧波時電壓正負序分離，圖9是存在5、7次諧波的頻率和相位跟蹤。由圖可以看出，本系統能很好的排除5、7次諧波對鎖相環(huán)頻率和相位跟蹤的影響。

圖8 存在5、7次諧波時電壓正負序分離

圖9 存在5、7次諧波的頻率跟蹤

5 結論

隨著變速恒頻風力發(fā)電機在風力發(fā)電中的應用越來越廣泛，在電網各種條件下快速準確的測得電網的頻率、相位信息已經成為變速恒頻控制不可缺少的一部分。本文針對軟件鎖相環(huán)在電網存在負序分量和諧波分時不能跟蹤電網頻率的缺點，提出一種改進的軟件鎖相環(huán)，可對包含負序、諧波的對稱或不對稱三相電網電壓的頻率、幅值等各種信息實現快速、準確檢測和跟蹤，滿足并網風電場運行控制的需要。在Matlab/simulink下對說提出方法進行了仿真，結果證實了所提出的方法的可行性和有效性。

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