電壓不平衡且畸變下基于平均值環節鎖相環的研究

閆斌斌,賈焦心

(1.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012;2,北方工業大學 電氣與控制工程學院 北京 100144)

電壓不平衡且畸變下基于平均值環節鎖相環的研究

閆斌斌1,賈焦心2

(1.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012;2,北方工業大學 電氣與控制工程學院 北京 100144)

針對傳統的基于同步參考坐標系的三相鎖相環(SRF-PLL) 在非理想電網環境下不能準確跟蹤電網電壓相位的問題,提出采用一種正反dq坐標變換和平均值環節的鎖相方法,通過平均值環節將系統電壓的正序基波分量提取出來,利用頻率反饋環把周期值反饋給平均值環節模塊實現頻率自適應。仿真結果表明,在三相電壓不平衡且嚴重畸變的條件下,該方法能快速準確地實現基波的正序分離從而鎖定電網電壓的相位和頻率,驗證了其有效性。

電壓畸變;正反dq坐標變換;平均值環節;鎖相環

在新能源發電系統中,只有在鎖相環(PLL)不斷監測和反饋準確的電網電壓信息的情況下,并網逆變器才能正常工作。傳統的鎖相環結構比較簡單,實時性強,無需復雜的數學坐標運算,然而在電網電壓不平衡或電壓嚴重畸變時,鎖相產生了振蕩,不能有效地完成鎖相。文獻[1-2] 提出基于對稱分量法的鎖相環技術,可以減弱負序分量在正序分量上的二倍頻擾動影響,但對電網電壓頻率要求高,適合頻率固定的場合。文獻[3-4]通過雙同步坐標系解耦的鎖相環技術消除負序分量在正序分量上的二次諧波影響,將得到的正序分量作為鎖相環的參考基準。文獻[5-7]提出基于二階廣義積分型的鎖相技術，可以濾除電網電壓中諧波影響和實現三相電壓正負序的分離,但是電網頻率突變時系統動態響應速度慢、檢測精度不足。目前,SPLL通常采用低通濾波器LPF[8-10]來提高鎖相精確度,但是LPF不能使負序基波分量得到完全分離,且其濾波性能和動態性能往往是矛盾的。以上鎖相技術在電網電壓不平衡和嚴重畸變時不能快速精確地檢測電壓相位。基于此,本文提出采用一種正反dq坐標變換和平均值環節的鎖相方法,通過正反dq變換和平均值環節來消除諧波,以有效地消除負序分量和諧波分量的影響,精確得到基波正序分量;通過構造頻率反饋環,保證了系統能夠快速準確地跟蹤電網電壓的頻率和相位,進而實現頻率的自動跟蹤。仿真表明,該方法能快速、準確地實現基波的正序分離,并具有自適應性和抗諧波干擾能力的優點。

1 基于dq 坐標變換的鎖相環分析

1.1 三相電壓平衡沒有畸變

三相電網電壓向量usa、usb、usc可以表示為

式中:UP為電壓的幅值,θp為電網輸入相位角。

對usa、usb、usc信號進行Clark變換得

經過同步旋轉坐標θ的Park變換得

由此可知,將Uq作為控制對象,在相位鎖定時為Uq=0,通過閉環控制使θ與θp同步變換來完成鎖相。

1.2 三相電壓不平衡且有畸變

在實際電力系統中偶次諧波分量很小,對鎖相輸出影響很小,所以系統電壓畸變時,主要考慮奇次諧波。當系統電壓不平衡且存在畸變時,電壓表達式為

式中:右側各項依次為三相系統電壓的正序基波分量、正序諧波分量、負序基波分量和負序諧波分量;UP、Upk、Un、Unk和θp,θpk,θn,θnk分別為上述各項的幅值和初相位;k為諧波次數,取k=3,5,7，…。

系統電壓經過dq坐標變化后得到

當三相電壓不平衡且有畸變時,經dq變換后,傳統的RSF-PLL不能消除負序分量和諧波的影響,Usq,Usd中存在交流量,不能很好地跟蹤相角和頻率。

2 電網同步技術原理與結構

2.1 平均值環節消除諧波原理

由于Usq,Usd中的交流量的頻率均為工頻的整數倍,故可通過積分區間為工頻周期的平均值環節將之全部濾除,只余下直流量Upd,Upq(對應Usa,Usb,Usc的正序基波分量)。電壓平均值環節如圖1所示,工作原理為:利用電壓在區間[0,T]的積分值除以積分區間T;通過積分模塊的輸出減去延遲模塊的輸出(電壓積分延遲T的值)得到區間[0,T]的積分值。

圖1 電壓平均值環節

根據圖1得到的Upd,Upq為

2.2 同步檢測系統的結構

首先通過基于任意工頻旋轉角的正反兩次dq變換和平均值環節將系統電壓的正序基波分量提取出來,然后經過dq變換鎖相。另外考慮到實際電網頻率可能會在工頻附近出現擾動,影響到平均值環節模塊消除dq軸上正弦交流分量的效果,故構造頻率反饋環,將檢測到的基波頻率經低通濾波器LFP濾除高頻噪音,再換算成周期值并反饋給平均值環節模塊,保證了系統能自適應地跟蹤實際電網頻率的變化。PLL的具體框圖如圖2所示。

圖2 PLL的具體框圖

3 仿真研究

根據系統框圖,采用MATLAB/simulink搭建系統仿真模型如圖3所示。

仿真系統中,PLL的參數如下:kp=10,ki=500,ωref=314 rad/s,電網電壓幅值取標幺值;傳統的SRF-PLL的參數為kp=4.5,ki=347.8。分別在電網電壓不平衡頻率突變和諧波畸變等情況下對傳統的SRF-PLL和基于平均值環節的鎖相環進行了仿真。

3.1 電網電壓不平衡和頻率突變的仿真

當輸入電壓信號在0.15 s時注入幅值為0.1 p.u.的負序基波電壓和0.1 p.u.零序電壓,頻率突升為55 Hz,兩種電壓同步技術的響應如圖4所示。

圖4 電壓不平衡和頻率突變的仿真

由圖4可知,傳統的SRF-PLL在0.03 s后可以完成鎖相且相位有波動,基于平均值環節的PLL在突變時刻的抖動很小并且經過0.01 s后角頻率和相位準確鎖定。

圖3 改進鎖相環的仿真結構

3.2 電網電壓諧波畸變時的仿真

當輸入電壓信號在t=0.15 s時注入幅值分別為0.1 p.u.,0.1 p.u.的3次和5次諧波，兩種電壓同步技術的響應如圖5所示。

圖5 諧波畸變的仿真

由圖5知,傳統的SRF-PLL鎖相信號中也含有諧波,不能準確鎖相,基于平均值環節的PLL經過0.01 s后角頻率和相位準確鎖定。

通過對比圖4和圖5可以看出,基于平均值環節的鎖相環在電網電壓不平衡、諧波畸變和頻率突變等情況下都能夠準確快速鎖定電壓相位和頻率,說明引入平均值環節能濾除輸入信號中的負序分量和諧波分量,可以準確獲得基波電壓信號。與傳統的SRF-PLL相比,所提的鎖相環通過引入頻率反饋環極大地縮短了到達穩態的時間和減小頻率的振蕩幅度,可以快速準確跟蹤電網頻率從而實現頻率自適應。

4 結 語

針對SRF-PLL在電網電壓不平衡時不能消除負序分量和諧波分量的問題,提出了正反dq變換和平均值環節來消除諧波的鎖相技術。通過基于任意工頻旋轉角的正反兩次dq變換和平均值環節將系統電壓的正序基波分量提取出來,然后再經過dq變換可以準確快速鎖定基波正序電壓相位。仿真驗證了在電網電壓畸變和頻率突變時,PLL能快速準確地跟蹤電網電壓頻率和相位且頻率估計的振蕩幅度較小,并具有自適應和抗諧波干擾能力的優點。

[1] 吉正華, 韋芬卿, 楊海英. 基于dq變換的三相軟件鎖相環設計[J].電力自動化設備, 2011, 31(4): 104-106. JI Zhenghua, WEI Fenqing, YANG Haiying. Three-phase software phase-locked loop based ondqreference frame [J]. Electric Power Automation Equipment, 2011, 31(4): 104-106.

[2] 黨克,劉旭陽,吳艷超,等.含多微源的微電網頻率綜合控制策略研究[J].黑龍江電力,2015,37(1):38-41. DANG Ke, LIU Xuyang, WU Yanchao, et al. Consolidated frequency control strategy of micro-grid containing multiple micro-source [J]. Heilongjiang Electric Power, 2015,37(1):38-41.

[3] 辛業春,李國慶,王堯,等.基于雙dq坐標變換的三相電壓鎖相環的研究[J].電力系統保護與控制,2014,42(10):114-118. XIN Yechun, LI Guoqing, WANG Yao, et al.Research on three phase voltage phase locked loop based on doubledqcoordinate transformation [J]. power system protection and control, 2014,42 (10): 114-118.

[4] 王顥雄,馬偉明,肖飛,等. 雙dq變換軟件鎖相環的數學模型研究[J].電工技術學報, 2011, 26(7): 238-242. WANG Haoxiong, MA Weiming, XIAO Fei, et al. Study of model of software phase locked-loop based on dual-dqsynchronous transform [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(7): 238-242.

[5] 邵振華, 陳 沖, 林瑞全. 基于復合二階廣義積分的頻率自適應諧波電流檢測[J]. 電力自動化設備, 2012, 32(6): 51-55. SHAO Zhenhua, CHEN Chong, LIN Ruiquan. Harmonic current detection with adaptive frequency tracking based on multiple second-order generalized integrators [J]. Electric Power Automation Equipment, 2012, 32(6): 51-55.

[6] 馬成斌,楊滔,李春,等.基于二階廣義積分器的正負序鎖相環諧波消除方法[J].上海電氣技術,2014,7(2):12-17. MA Chengbin, YANG Tao, LI Chun, et al. A harmonic elimination method of positive and negative sequence PLL based on SOGI [J]. Shanghai Electric Tehcnology, 2014,7(2):12-17.

[7] 孔飛飛,袁鐵江,晁勤,等.基于二階廣義積分的變流器電網同步法[J].電力系統保護與控制,2012,40(12):116-120. KONG Feifei, YUAN Tiejiang, ZHAO Qin, et al. A method of converter power grid synchronization based on second-order generalized integral [J]. Power System Protection and Control, 2012,40(12):116-120.

[8] 李東,韋統振,霍群海,等.電壓畸變條件下軟件鎖相環精度提高[J].電力電子技術,2011,45(7):95-97. LI Dong, WEI Tongzhen, HUO Qunhai, et al. The improving of soft phase locked loop precision under voltage distortion [J]. Power Electronics, 2011,45(7):95-97.

[9] 范武智,任妍,辛鶴,等.風力發電機組低電壓穿越的控制策略[J].黑龍江電力,2014,36(2):107-112. FAN Wuzhi, REN Yan, XIN He, et al. Control strategy for wind turbine low voltage ride through [J]. Heilongjiang Electric Power, 2014,36(2):107-112.

[10] 沈量,尹洪全,李振清,等.一種單相并網逆變器的控制策略的研究[J].東北電力大學學報,2013,33(1):76-79. SHEN Liang, YIN Hongquan, LI Zhenqing, et al. Research on a control strategy for single-phase gird-connected inverter [J]. Journal of Northeast Dianli University, 2013,33(1):76-79.

(責任編輯 郭金光)

Research on phase locked loop based on mean value links under unbalanced and distorted voltage

YAN Binbin1, JIA Jiaoxin2

(1.School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China; 2.School of Electrical and Control Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

The traditional synchronous reference coordinate three phase locked loop(SRF-PLL) failed to accurately track the phase of the grid voltage under the condition of non-ideal grid voltage. To solve this problem, this paper proposed the PLL based on positive and negative dq synchronous reference frame transformation combined with mean value links. It is a method which extracted the positive sequence fundamental voltage through mean value links and used the frequency feedback loop to provide the period of mean value links so as to realize frequency adaptive.The simulation results show that the method is able to realize the positve sequence extraction of fundamental voltage so as to accurately track the phase and frequency of the grid voltage under the condition of unbalanced and seriously distorted three-phase voltage, which verify its validity.

voltage distortion; positive and negativedqsynchronous reference frame transformation; mean value links; phase locked loop

2015-05-11。

閆斌斌(1990—),男,碩士研究生,研究方向為光伏發電技術。

TM761

A

2095-6843(2015)06-0483-04