不對稱低電壓下的電網電壓角度檢測

朱 玲，衛 澤，朱 丹，史寧波

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106）

不對稱低電壓下的電網電壓角度檢測

朱 玲，衛 澤，朱 丹，史寧波

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106）

為滿足風電機組低電壓不對稱穿越的要求，實現風電機組不對稱控制，需要在電網對稱和不對稱跌落情況下分別準確獲取電網電壓正序和負序分量的相位、幅值和頻率。在雙dq同步旋轉坐標系下理論推導了電壓正序和負序分量的解耦公式，運用軟件鎖相環得出電網電壓正序和負序分量的幅值、相位角。最后利用Matlab仿真，驗證了該算法具有檢測準確、抗干擾和適應性強的優點。

不平衡電壓；角度檢測；軟件鎖相環；雙dq同步坐標系

1 引言

近年來風電市場發展迅猛，風電場裝機容量逐年上升，電網故障時風機的運行狀態對電網穩定性的影響成為了研究重點［1］［2］。風電機組控制系統中電網電壓角度檢測是一個關鍵的環節，它的準確與否直接會影響機組的安全運行，電網故障下更是如此。傳統電網相位檢測使用硬件鎖相環，它的基本原理是采用過零比較的方法將輸入電壓轉換為方波，送入鎖相環（PLL）芯片，與控制系統內部同步信號進行比較，改變系統內部同步信號的頻率和相位，使之與電網電壓一致。由于電網電壓一個周期內只有兩個過零點，采樣環節為抑制干擾使用濾波環節，這些都嚴重限制了檢測速度［3］［4］。當電網電壓深度跌落，尤其是零電壓跌落時更難以檢測過零點。隨著DSP、FPGA等高速處理芯片的發展，軟件鎖相環（SPLL）大大提高了鎖相性能。SPLL是基于同步坐標系跟蹤電網電壓的正序分量，有效鎖出電網電壓的頻率、相位及幅值檢測。然而當電網出現負序分量，SPLL則不能準確獲得電網電壓相位、幅值信息［5］［6］［7］。

目前，我國風電機組并網要求規定：并網點電壓跌至20%額定電壓時應能夠保持并網運行625ms的低電壓穿越能力，并在2s之內能夠恢復到90%的負荷。電網不對稱跌落下，實現機組不對稱控制需要迅速準確檢測出電壓矢量正序和負序分量的相位角及幅值。因此傳統的硬件鎖相環和SPLL都不能滿足不對稱跌落下電網電壓的檢測要求。本文在SPLL基礎上，提出一種基于雙dq同步旋轉坐標系的鎖相方法，理論推導了其模型依據，通過建模仿真和裝置試驗驗證了該方法可以迅速將不平衡電壓的正序和負序分量有效分離，分別檢測出正序電壓和負序電壓的相位、幅值。

2 基于雙dq同步旋轉坐標系的鎖相環原理

傳統SPLL將三相電網電壓由三相靜止坐標系變換到同步旋轉坐標系，考慮不對稱電壓含有正序分量和負序分量，參考SPLL鎖相方法，可建立以ω′正向旋轉的正序d+q+同步坐標系和以ω′反向旋轉的負序d-q-同步坐標系，將電壓正序分量和負序分量分別變換至正序d+q+同步坐標系和負序d-q-同步坐標系，如圖1所示。其中d+q+坐標系以ω′逆時針旋轉，角度為θ′，d-q-坐標系以ω′順時針旋轉，角度為-θ′。

圖1 雙同步旋轉坐標系

電壓矢量Us可分解為正序分量U和負序分量U，在ω′正向旋轉的正序d+q+同步坐標系下，Us電壓矢量可表示為：

以ω′反向旋轉的負序d-q-同步坐標系下，Us電壓矢量可表示為：

當電網電壓相位鎖住后，有ωt≈θ′，ωt-θ′≈0，ωt+θ′≈2ωt。式（2）、式（3）、式（5）、式（6）可簡化為：

基于電壓矢量定向，將電壓正序分量定向在正序d+q+同步坐標系的d軸，此時有U=0、φ=0；若使負序d-q-同步坐標系的d軸與負序分量重合，則φ=0、U=0，方便負序控制處理。由式（7）可看出，d+q+坐標中的系倍頻振蕩量取決于d-q-坐標系的直流量，d-q-坐標系中的系倍頻振蕩量取決于d+q+坐標系的直流量，為抑制振蕩，采用如圖2所示的解耦網絡。

圖2 雙同步坐標解耦下鎖相環原理圖

3 Matlab建模與仿真

在Matlab中建立如圖2所示的基于雙dq同步坐標系的軟件鎖相環模型，690V三相電壓源系統在0.2s-0.6s發生15%不同程序AB相間短路，經鎖相環檢測得到的正序角度、負序角度、電壓正序和負序分量幅值如圖3（a）、圖3（b）所示。

圖3 15%兩相短路時的檢測圖形

圖中顯示檢測的電壓正序分量和負序分量均為直流，隨跌落深度逐漸增大。正序q軸分量和負序q軸分量均為0，與雙dq軸定向一致。電壓相位在跌落瞬間有稍許抖動，跌落期間沒有突變。綜上所述，基于雙dq同步坐標系的軟件鎖相環在電網分別75%，15%不對稱跌落下工作性能良好，準確的檢測出電壓正負序分量。

在0.1s-0.6s向電網電壓中注入150V的5次諧波，0.2s-0.5s發生15%不對稱跌落，仿真波形如下：

圖4（a）中0.1s-0.2s電網電壓含150V的五次諧波，此時電壓相位沒有明顯變化，電壓正負序分量平均值與電網電壓正常時相等，但高頻小幅振蕩；0.2s-0.5s期間電網電壓含150V的五次諧波并且發生15%不對稱跌落，此時電網電壓相角沒有變化，跌落瞬間有些抖動，對比圖3（b）和圖4（b），正負序分量除了因諧波造成振蕩外平均值基本一致。

圖4 5次諧波15%兩相短路時檢測圖形

4 結論

本文簡述了傳統的電壓角度檢測方法，針對其僅適用于正常的電網電壓情況，提出一種基于雙dq同步旋轉坐標系的雙重定向軟件鎖相環，理論研究了該模型依據。仿真和實驗結果顯示電網故障和非故障下該鎖相環都能準確而快速的鎖住電壓相位，同時還能實現正負序電壓矢量雙重定向，檢測出其幅值大小，為風機不對稱運行下的控制提供了依據。

［1］蔚蘭，陳國呈，曹大鵬等.雙饋感應風力發電機網側變換器低電壓穿越控制策略［J］.電工技術學報，2011（7）：37-43.

［2］楊堤，程浩忠，馬紫峰等.基于儲能技術提高風電機組低電壓穿越能力的分析和展望［J］.電力自動化設備，2015（12）.

［3］江道灼，馬進，章鑫杰.鎖相環在電力系統現場測控裝置中的應用［J］.繼電器，2000，28（8）：43-45.

［4］羅小莉，楊宇.動態電壓質量問題檢測方法［J］.電力自動化設備，2007（1）：115-118.

［5］Escobar G，Ho C N M，Pettersson S，et al.Cascade threephase PLL for unbalance and harmonic distortion operation （CSRF-PLL）［C］.Industrial Electronics Society，IECON 2014-40th Annual Conference of the IEEE.IEEE，2014：5489-5493.

［6］洪小圓，呂征宇.基于同步參考坐標系的三相數字鎖相環［J］.電工技術學報，2012，11（27）：203-209.

［7］Feola L，Langella R，Testa A.On the Effects of Unbalances，Harmonics and Interharmonics on PLL Systems［J］.IEEE Transactions on Instrumentation&Measurement，2013，62 （62）：2399-2409.

［8］陳國棟，朱淼，蔡旭等.一種軟件鎖相環和電壓跌落檢測新算法［J］.中國電機工程學報，2014（25）：4385-4394.

Voltage angle detection of power grid under asymmetric low voltage

ZHU Ling，WEI Ze，ZHU Dan，SHI Ning-bo
（NARI Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China）

In order to meet the requirements of low voltage asymmetric ride through for wind turbine and to achieve the asymmetric control of wind turbines，it is necessary to respectively obtain the accurate phase，amplitude and frequency of the positive and negative sequence component of the grid voltage under symmetric and asymmetric conditions.The decoupling formula of the voltage positive and negative sequence component is deduced under the double synchronous reference frame，and the software PLL is used to achieve the amplitude and phase of the positive and negative grid voltage component.It is demonstrated by Matlab simulation that this algorithm has the advantages of accurate detection，anti-interference and strong adaptability.

unbalanced voltage；angle detection；software PLL；double synchronous coordinate

TP273

A

1005—7277（2016）03—0054—04

朱 玲（1986-），女，江蘇泰州人，研究生，工程師，專業方向為電力電子在新能量中的應用。

2016-03-09