海上風電場電網不平衡時鎖相環的研究及仿真

岳婧儀

摘? ?要：在大功率風能并網中，當電網電壓不平衡時，準確檢測電網的相位對于保證可靠并網、保持系統的穩定運行具有重要的作用。針對電網電壓不平衡、有諧波、相位突變等情況，本文采用雙同步坐標軟件鎖相環，將處于三相靜止坐標系中的三相電網電壓轉換到正負序d-q雙同步坐標系上，再對正負序電壓分量之間進行解耦，同時，利用低通濾波器實現諧波的濾除。MATLAB仿真表明雙同步坐標軟件鎖相環能夠實現不平衡電壓、相位突變、有諧波情況下的快速準確鎖相。

關鍵詞：海上風力發電;電網不平衡;并網逆變;鎖相環

1? ? 鎖相環技術概述

為了應對能源短缺和減少環境污染，風力發電逐漸受到重視。風力發電具有清潔、環保、可再生等特點。其中，海上風力發電由于風速穩定、發電量大、空間廣闊、干擾小等優點而受到廣泛關注。但是與陸上風電場相比，大規模風電并網會給系統帶來電壓波動、電壓閃變、諧波等電能質量問題，影響系統的穩定安全運行。所以，需要利用鎖相環技術準確快速地檢測電網電壓的頻率、相位和幅值，保證并網電流與電網電壓同頻同相，使系統穩定運行。

鎖相環技術主要包括單同步坐標系軟件鎖相環（SSRF SPLL）和解耦雙同步坐標系軟件鎖相環（DDSRF SPLL）。當電網電壓不平衡時，由于電網電壓存在負序分量，SSRF SPLL不能很好地對電網電壓進行檢測。DDSRF SPLL是對電網電壓的正負序分量分別進行檢測，所以，在電網非理想工況下也能夠快速準確地跟蹤電網電壓幅值、相位和頻率的變化。

研究采用雙同步軟件鎖相環，將處于三相靜止坐標系中的三相電網電壓轉換到正負序d-q雙同步坐標系上，再對正負序電壓分量之間進行解耦，通過對正負序分量的分別檢測，同時利用低通濾波器實現諧波的濾除，對電網電壓得幅值、相位和頻率的變化進行跟蹤。

2? ? 雙同步坐標軟件鎖相環的工作原理

DDSRF-SPLL包含兩個旋轉坐標系，其中一個坐標系用來檢測電網電壓的正序分量us+1，而另一個坐標系用來檢測電壓的負序分量us-1。而電網電壓由正序電壓分量us+1，負序分量us-1，和零序電壓分量us0合成，如公式1所示：

us=us+1+us-1+us0 （1）

由于要通過clarke變換將三相坐標系轉化為α-β坐標系，而在坐標變換中，零序電壓分量在變換中相互抵消為零。電網電壓在鎖定時，θ'≈ωt+φ+1，所以經過park變換，us在d-q雙同步坐標系中可以表示為：

由式（2）可知，正序電壓分量與負序電壓分量之間存在著耦合關系，為了消除耦合干擾，必須對其進行解耦，解耦后如公式3所示：

DDSRF SPLL的整體控制框圖如圖1所示，abc/dq+和abc/dq-分別表示由abc坐標系到dq旋轉坐標系的變換過程，LPF為低通濾波器，通過提取電壓正序分量，使q軸分量uq*+1=0，從而實現正確鎖相。

3? ? 仿真模型建立

為了驗證DDSFR-SPLL的性能，需要用matlab/simulink對并網逆變的整體結構進行仿真搭建，箝位二極管三電平逆變電路有3個橋臂，一個橋臂上有4個全控型器件、4個續流二極管和兩個箝位二極管。

對鎖相環部分的仿真如圖2所示。整個系統采用直流分布式并網方案，采用一種二極管不可控整流+直流斬波+三電平并網逆變器的并網拓撲結構。

4? ? 仿真結果分析

本設計以6臺風力發電機組成額定傳輸功率為30 MW的系統，每臺機組的額定功率為5 MW，仿真算法采用變步長ode23 tb。當電網電壓為三相對稱電壓時，仿真分別給出了在電壓跌落和注入諧波情況下鎖相環的對比分析，從而驗證鎖相環性能。

4.1? 單相電壓跌落

對某一相電壓突然為0的情況進行仿真，結果如圖3所示，0～0.02 s為對稱的三相交流電壓。當0.02 s時，a相電壓變為0，此時雙同步坐標軟件鎖相環對電網電壓的幅值相位頻率均能夠做到快速鎖相。

4.2? 三相電壓注入諧波

研究三相平衡電網電壓突然注入諧波的情況，0～0.02 s時電網電壓處于平衡狀態，當0.02～0.2 s時，a相注入10%的5次正序諧波分量，b相注入10%的2次負序諧波分量，仿真結果如圖4所示，當電網電壓存在大量諧波的情況下電網電壓均能夠快速跟蹤電網電壓相位。

（a）電網電壓突變

（b）鎖相環輸出頻率

（c）鎖相環輸出角度

（a）三相電壓注入諧波

（b）直流電壓d軸分量

（c）鎖相環輸出角度

5? ? 結語

風電并網過程需要鎖相環準確快速地檢測電網電壓的頻率、相位和幅值，以控制逆變器的不同工作狀態，保證并網電流與電網電壓同頻同相，使系統穩定運行。傳統的單同步坐標軟件鎖相環只能在電網電壓平衡時對電網電壓準確鎖相。考慮到海上風電并網過程中電壓可能不平衡的特點，本研究利用matlab/simulink軟件對雙同步軟件鎖相環進行了設計、分析和仿真。結果表明，DDSRF-SPLL在平衡與以及多種不平衡電網電壓情況下，都能夠對電網電壓的幅值、相位和頻率進行很好的檢測，驗證了理論的正確性和有效性。

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