基于雙二階廣義積分鎖相的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真

謝　聰，吳新開(kāi)，雷雅云

（湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湖南湘潭411201）

基于雙二階廣義積分鎖相的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真

謝聰，吳新開(kāi)，雷雅云

（湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湖南湘潭411201）

采用雙二階廣義積分實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的鎖相，檢測(cè)出不對(duì)稱電網(wǎng)電壓中的正序和負(fù)序分量。因?yàn)殡娋W(wǎng)頻率比電網(wǎng)相角更加穩(wěn)定，應(yīng)用基于雙二階廣義積分的鎖頻環(huán)。利用Matlab/Simulink軟件對(duì)基于雙廣義二階積分鎖相環(huán)和鎖頻環(huán)的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果證明鎖頻環(huán)比鎖相環(huán)具有更加平滑的響應(yīng)，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的可行性和有效性，保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的順利并網(wǎng)。

風(fēng)力發(fā)電；雙二階廣義積分器（DSOGI）；鎖相；鎖頻環(huán)（FLL）

1　引言

近年來(lái)，資源枯竭的窘境愈發(fā)明顯，而風(fēng)能是一種清潔、安全的選擇［1］。實(shí)際中，風(fēng)能具有不穩(wěn)定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓頻率、幅值、相位都是會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化的，所以，風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)十分重要。

三相變換器并網(wǎng)依賴于高性能的檢測(cè)系統(tǒng)，尤其需要設(shè)計(jì)快速而準(zhǔn)確消除高次諧波并檢測(cè)出電壓向量各序分量的方法。三相電力網(wǎng)絡(luò)中電壓向量各序分量的實(shí)時(shí)檢測(cè)是分布式發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)、柔性交流輸配電、電力線路調(diào)整器和不間斷電源控制的關(guān)鍵問(wèn)題［2-3］。采用雙二階廣義積分器的正/負(fù)序分量計(jì)算模塊（PNSC）實(shí)現(xiàn)正序分量和負(fù)序分量的分離輸出。

在實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)實(shí)行精確鎖相。傳統(tǒng)的過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)三相電壓相位法，由于網(wǎng)側(cè)電壓在過(guò)零點(diǎn)存在毛刺，檢測(cè)會(huì)存在很大誤差。文獻(xiàn)［4］提出的單同步坐標(biāo)鎖相環(huán)不能實(shí)現(xiàn)對(duì)三相不平衡電壓的精確鎖相。文獻(xiàn)［5］提出的雙同步參考坐標(biāo)系鎖相環(huán)雖然在不對(duì)稱故障下仍能保證準(zhǔn)確的電網(wǎng)同步，但是其解耦結(jié)構(gòu)主要針對(duì)消除負(fù)序基頻分量影響，因此其抵抗低次諧波擾動(dòng)能力比較弱。本系統(tǒng)應(yīng)用基于雙廣義二階積分［6-7］鎖相鎖頻環(huán)技術(shù)。

2　三相并網(wǎng)逆變器［8］的數(shù)學(xué)模型

三相逆變并網(wǎng)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中e1、e2、e3為三相電網(wǎng)電壓，i1、i2、i3為三相變換器輸出電流，v為直流電壓源，d1-d6是6個(gè)IGBT，R、L分別為濾波器的電阻和電感。

圖1　三相逆變并網(wǎng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在abc三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型［9］為：

abc三相靜止坐標(biāo)系變?yōu)棣力聝上囔o止坐標(biāo)系的變換矩陣為：

abc三相靜止坐標(biāo)系變?yōu)閐q兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，采用如下的變換矩陣：

變換后，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

3　基于雙二階廣義積分鎖頻環(huán)的方法

雙二階廣義積分器鎖頻環(huán)通過(guò)基于二階廣義積分器自適應(yīng)濾波器獲得暫態(tài)對(duì)稱分量［10-11］，3個(gè)不對(duì)稱正弦波形電壓向量vabc根據(jù)下列的變換分解為瞬時(shí)正序、負(fù)序和零序分量，即

式中：a為Fortescue算子的特殊形式，表示在瞬時(shí)正弦輸入信號(hào)中加入基波頻率的相移，等值為120°相移。

在三相并網(wǎng)變換器中，研究主要集中于注入電流的正序、負(fù)序分量控制。vabc的各序分量可通過(guò)式（2）中變換矩陣，因此有

將式（5）代入式（6）中，可以得到：

應(yīng)用變換逆矩陣［Tαβ］-1，有：

最后，通過(guò)運(yùn)算這些矩陣，可得到以下表達(dá)式：

式中：q（q=e-jw/2）為一個(gè)90°滯后的移相運(yùn)算，將其應(yīng)用于時(shí)域，可獲得輸入波形的交軸分量。

圖2　雙二階廣義積分鎖相環(huán)（DSOGI-PNSC-PLL）結(jié)構(gòu)圖

3.1雙二階廣義積分器三相鎖相環(huán)

雙二階廣義積分器的三相鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示，兩個(gè)二階廣義積分器-正交信號(hào)發(fā)生器分別為輸入向量中的α和β分量產(chǎn)生直軸和交軸信號(hào)，例如v′α、v′β、qv′α和qv′β。這些信號(hào)作為正/負(fù)序分量計(jì)算模塊（PNSC）的輸入，正/負(fù)序分量計(jì)算模塊計(jì)算αβ軸上各序分量的方法由式（11）和（12）計(jì)算給出，經(jīng)過(guò)PNSC計(jì)算解耦得到基頻正序和負(fù)序分量，通過(guò)鎖相環(huán)檢測(cè)基頻正序分量的相位和頻率。

通過(guò)雙二階廣義積分器獲得的從不對(duì)稱輸入電壓向量到正序分量的傳遞函數(shù)為：

由于電網(wǎng)頻率比電網(wǎng)相角更加穩(wěn)定，在雙二階廣義積分解耦三相鎖相系統(tǒng)中，頻率反饋環(huán)和相位反饋環(huán)是相互交錯(cuò)的，會(huì)有系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)大和穩(wěn)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，因此采用鎖頻環(huán)代替鎖相環(huán)。

3.2雙廣義二階積分器鎖頻環(huán)

雙二階廣義積分器鎖頻環(huán)系統(tǒng)中兩個(gè)輸入信號(hào)vα和vβ具有相同的頻率，使用一個(gè)鎖頻環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，其中α和β信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生頻率誤差信號(hào)可通過(guò)計(jì)算平均誤差信號(hào)的方法進(jìn)行合并：

雙二階廣義積分器鎖頻環(huán)實(shí)現(xiàn)了αβ參考坐標(biāo)上三相電壓的對(duì)稱分量解耦估計(jì)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)頻率的估計(jì)。

圖3　基于雙二階廣義積分器的鎖頻環(huán)（DSOGI-PNSC-FLL）結(jié)構(gòu)

4　系統(tǒng)性能仿真

4.1算法仿真比較

為了驗(yàn)證雙二階廣義積分器鎖相環(huán)和鎖頻環(huán)算法，利用Matlab/Simulink搭建系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行仿真。分別采用鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)作為頻率反饋的方法，設(shè)計(jì)雙二階廣義積分器結(jié)構(gòu)的頻率輸入值ω。有以下兩種方式：第一種采用鎖相環(huán)輸出頻率值；第二種采用鎖頻環(huán)輸出頻率值。仿真參數(shù)設(shè)置為：雙二階廣義積分器正交信號(hào)發(fā)生器增益設(shè)為，鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)的穩(wěn)定時(shí)間設(shè)為ts= 100ms，可以得出kp=9.2/ts，ki=（4.6/ζts）2，Γ=4.6/ts，因此可以求得鎖相環(huán)的kp=92，ki=4225；鎖頻環(huán)標(biāo)準(zhǔn)化增益Γ≈-92。如圖4所示為鎖頻環(huán)與鎖相環(huán)仿真方式對(duì)比。圖4中0到0.2s為理想的50Hz平衡三相電壓，0.2s到 0.35s之間理想電壓基礎(chǔ)上加上0.3pu的負(fù)分量，0.35s到0.5s為在之前時(shí)刻負(fù)序分量時(shí)頻率躍變到54Hz。

圖4　鎖頻環(huán)與鎖相環(huán)仿真方式對(duì)比

從圖4仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，采用鎖頻環(huán)方式的超調(diào)量比采用鎖相環(huán)方式要小，且其穩(wěn)定時(shí)間比鎖相環(huán)方式要短；在電網(wǎng)故障情況下，兩種方式均具有頻率自適應(yīng)性，頻率精度高。可見(jiàn)鎖頻環(huán)方式具有超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)精度高，穩(wěn)定時(shí)間短，頻率自適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，從而提高了風(fēng)電并網(wǎng)的有效性和可靠性。

4.2基于雙廣義二階積分鎖頻環(huán)算法仿真

三相輸入電壓發(fā)生相與相間故障造成三相不平衡時(shí)的逆變并網(wǎng)仿真如圖5所示。三相輸入電壓幅值為1.0pu，電壓跌落為v+1=0.5∠-30°和v-1= 0.25∠+60°，雙二階廣義積分器正交信號(hào)發(fā)生器增益，鎖頻環(huán)增益設(shè)置為Γ=100，此時(shí)整定時(shí)間為45ms。

圖5　三相不對(duì)稱輸入電壓下的輸出相位和輸出頻率

從仿真結(jié)果可以看出，控制系統(tǒng)采用基于雙二階廣義積分鎖頻環(huán)的控制策略，在電網(wǎng)不對(duì)稱電壓條件下能精確檢測(cè)電網(wǎng)電壓的相位和頻率信息，檢測(cè)到的頻率無(wú)高頻振蕩現(xiàn)象，頻率自適應(yīng)性強(qiáng)。依據(jù)本文中的控制系統(tǒng)，當(dāng)電網(wǎng)電壓不對(duì)稱時(shí)，仍然能夠并入電網(wǎng)，從而提高了電網(wǎng)的可靠性和有效性。

5　結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的順利并網(wǎng)越來(lái)越重要，尤其是在三相電壓不對(duì)稱的條件下的風(fēng)電并網(wǎng)。本文從三相逆變并網(wǎng)主電路出發(fā)，應(yīng)用雙廣義二階積分鎖頻環(huán)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)的精確鎖相，使得在三相電壓不對(duì)稱時(shí)仍能快速、準(zhǔn)確地跟蹤頻率和相位信息，具有很好的頻率自適應(yīng)性。

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Simulation of grid-connected wind power system based on double second-order generalized integral phase lock

XIE Cong，WU Xin-kai，LEI Ya-yun
（School of Information and Electrical Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China）

By using the double second-order generalized integral to realize the phase locking of grid-connected wind power inverter system，the positive and negative sequence component of unbalanced grid voltage can be detected.Because the grid frequency is more stable than the phase angle of the power grid，PLL based on double second-order generalized integral is adpoted.The grid-connected wind power system based on double secondorder generalized integral PLL and frequency locked loop is simulated by using Matlab/Simulink software.The simulation results show that frequency-locked loop has more smooth response than the phase-locked loop，it verifies that this control system is feasible and effective，and ensures the smooth interconnection of the wind power system.

wind power generation；double second-order generalized integrator（DSOGI）；phase lock；frequency lock loop（FLL）

TM712

A

1005—7277（2015）02—0001—05

謝聰（1989-），女，湖南婁底人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹帮L(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)。

2014-12-04

吳新開(kāi)（1956-），男，湖南漣源人，教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電氣傳動(dòng)，半導(dǎo)體制冷技術(shù)、綠色能源及無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。