并網(wǎng)系統(tǒng)軟件鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

嚴(yán)雙喜， 張建文， 嵇 偉， 俞 良

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州221116)

并網(wǎng)系統(tǒng)軟件鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

嚴(yán)雙喜， 張建文， 嵇 偉， 俞 良

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州221116)

并網(wǎng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行需要快速準(zhǔn)確地跟蹤電網(wǎng)電壓的相位和頻率。根據(jù)軟件鎖相環(huán)(SPLL)原理，基于坐標(biāo)變換建立了SPLL模型，仿真結(jié)果表明該鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓存在跌落、相位和頻率突變情況下均能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確鎖定。同時(shí)針對(duì)三相不平衡系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán)，詳細(xì)分析了其鎖相原理及數(shù)學(xué)模型，并通過仿真驗(yàn)證了其良好的鎖相性能。

軟件鎖相環(huán)；坐標(biāo)變換；并網(wǎng)系統(tǒng)；三相不平衡

近年，隨著能源危機(jī)的日益加劇和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，基于風(fēng)能、太陽能、燃料電池等新能源的分布式發(fā)電技術(shù)得到了空前的發(fā)展，并網(wǎng)技術(shù)成為一個(gè)重要的研究方向。在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，為了保證并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓嚴(yán)格同頻、同相，必須使用鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)[1-3]。

常用的鎖相技術(shù)主要有：過零比較法、最小二乘法[4]、基于αβ坐標(biāo)變換法[5]和變換鎖相方法[6-8]等。過零比較法依賴于電壓信號(hào)零點(diǎn)時(shí)刻的檢測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)存在電壓畸變時(shí)，電壓信號(hào)零點(diǎn)并不一定是基波零點(diǎn)，且動(dòng)態(tài)性能較差。最小二乘法動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，能準(zhǔn)確地鎖定正序電壓的相位，但對(duì)諧波的抑制較差。基于αβ坐標(biāo)變換法可以檢測(cè)任意時(shí)刻的電網(wǎng)電壓同步相位，但檢測(cè)結(jié)果受到三相不平衡的影響。為此，本文采用變換鎖相方法。

1 軟件鎖相環(huán)

1.1 SPLL原理與模型

引入同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，將式(1)電壓矢量由αβ坐標(biāo)投影到dq坐標(biāo)，其電壓矢量圖如圖1所示。

圖1 αβ與dq坐標(biāo)下電壓矢量圖

由式(2)可知，當(dāng)滿足θ=θ′時(shí)，即鎖相環(huán)的輸出相位與電網(wǎng)電壓相位保持同步，則有=0，因此可以通過控制=0來達(dá)到相位鎖定的目的。鎖相環(huán)控制原理圖如圖2所示。圖中、、分別為三相輸入電壓，ω0表示三相電壓的額定角頻率，ω'表示鎖相環(huán)的輸出角頻率，mod模塊表示鎖相環(huán)相位角以2 π為周期輸出。

圖2 dq鎖相環(huán)控制原理圖

1.2 SPLL的仿真結(jié)果

圖3 電網(wǎng)電壓跌落、相位突變和頻率突變時(shí)SPLL仿真圖

從圖3中可以看出，0～0.05 s三相電網(wǎng)平衡條件下，SPLL能準(zhǔn)確跟蹤相位和頻率；當(dāng)三相電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，輸出相位和頻率不受任何影響，仍能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確鎖定；在電網(wǎng)電壓相位和頻率發(fā)生突變情況下，輸出相角和頻率會(huì)有一個(gè)波動(dòng)，但在20 ms內(nèi)就能迅速鎖定，且穩(wěn)態(tài)誤差為零，顯示了良好的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能。

三相電網(wǎng)不平衡情況下，在電網(wǎng)電壓中注入負(fù)序分量，幅值為0.1 pu，初始相角為0，其仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 三相電網(wǎng)不平衡時(shí)SPLL的仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，SPLL難以實(shí)現(xiàn)良好的鎖相效果。因此，必須對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，才能適用于三相不平衡系統(tǒng)。

2 三相電壓不平衡條件下軟件鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

2.1 雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下SPLL模型

在三相不平衡電壓條件下，不考慮電壓諧波，根據(jù)對(duì)稱分量法，則三相電壓可表示為：

圖5 雙dq坐標(biāo)下電壓矢量圖

在頻率和相位鎖定情況下即ω≈θ’時(shí)，有：

基于雙坐標(biāo)變換的解耦軟件鎖相環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖中，LPF為一階低通濾波器：

圖6 +坐標(biāo)系下的解耦單元

圖7 -坐標(biāo)系下的解耦單元

圖8 基于雙坐標(biāo)變換的解耦軟件鎖相環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

2.2 雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下SPLL的仿真

仿真參數(shù)：正序電壓幅值311 V，負(fù)序電壓幅值31.1 V，=1.415，=311.35，濾波器參數(shù)ω=222.14。

三相電網(wǎng)電壓不平衡條件下的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 不平衡電網(wǎng)條件下雙SPLL仿真結(jié)果

從圖9可以看出，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，基于雙同步坐標(biāo)變換的解耦軟件鎖相環(huán)能準(zhǔn)確鎖定相角和頻率。由于一階濾波環(huán)節(jié)的存在，其頻率波形存在明顯的振蕩，但在在40 ms內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。電網(wǎng)電壓中正負(fù)序分量的幅值，如圖10所示。

圖10 正序和負(fù)序電壓幅值

3 結(jié)論

并網(wǎng)系統(tǒng)中各種電力電子設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行都必須以電網(wǎng)電壓同步信號(hào)作為控制基準(zhǔn)，為此需要對(duì)電網(wǎng)的相位、頻率和幅值實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的檢測(cè)。本文根據(jù)并網(wǎng)系統(tǒng)鎖相要求，分別設(shè)計(jì)了理想電網(wǎng)條件下和三相不平衡電網(wǎng)條件下的軟件鎖相環(huán)，并通過仿真驗(yàn)證了其原理和有效性，得出如下結(jié)論：(1)SPLL在理想電網(wǎng)電壓條件下、電壓跌落以及相位和頻率突變情況下均能很好地鎖定電網(wǎng)電壓。(2)三相不平衡電網(wǎng)條件下，基于雙同步坐標(biāo)系下的解耦軟件鎖相方法不僅可以精確檢測(cè)出正序電壓的相位和頻率，而且能夠檢測(cè)出電網(wǎng)電壓中正負(fù)序分量的幅值，能適應(yīng)三相不平衡情況下并網(wǎng)控制系統(tǒng)的快速準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

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Design of software phase-locked loop on grid connected system

The phase and frequency of the grid voltage could be quickly and accurately tracked by stable operation of the grid connected control system.According to the principle of the software phase-locked loop (SPLL),SPLL models were established based on the dq coordinate transformation.Simulation results show that the phase-locked loop can be accurately locked under voltage drop, mutated frequency and mutated phase. For three-phase unbalanced systems,decoupled double synchronous coordinate system software phase locked loop was designed, its lock-in principle and mathematical model were analyzed,and its good performance of phase-locked was verified by simulation.

software phase locked loop;dq coordinate transformation;grid connected system;three phase unbalance

TM 61

A

1002-087 X(2015)10-2277-03

2015-03-21

嚴(yán)雙喜(1987—)，男，湖北省人，碩士生，主要研究方向?yàn)樾履茉床⒕W(wǎng)發(fā)電控制技術(shù)；導(dǎo)師：張建文(1968—)，男，寧夏回族自治區(qū)人，教授，主要研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣檢測(cè)技術(shù)、電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)。