电压不平衡时风电系统中基于双同步变换的锁相环设计

ELECTR1CDRIVE2010VO140NO7电气传动2010年第4O卷第7期电压不平衡时风电系统中基于双同步变换的锁相环设计田桂珍，王生铁，林百娟，王志和内蒙古工业大学信息工程学院，内蒙古呼和浩特010051摘要快速准确地锁定正序基波电压分量的相位和频率是保证风力发电系统中网侧变换器、静止无功补偿装置安全可靠运行的基础。针对基于单幽坐标变换的锁相环在电压不平衡和畸变时动态过程较差等问题，提出一种基于解耦双同步参考坐标变换的锁相环设计方法，通过双Q变换和解耦计算检测出不平衡电网电压中正序分量和负序分量，从而消除电压不平衡的影响。在电压不平衡、电压畸变、频率突变和单相接地情况下进行了仿真和实验研究，结果验证了所提方法的正确性和有效性。关键词锁相环；不平衡电压；同步参考坐标中图分类号TM76文献标识码ADESIGNOFPHASELOCKEDLOOPBASEDONDOUBLESYNCHRONOUSREFERENCEFRAMEUNDERUNBALANCEGRIDVOLTAGEINWINDPOWERSYSTEMSTIANGUIZHEN，WANGSHENGTIE，LINBAIJUAN，WANGZHIHECOLLEGEOFINFORMATIONENGINEERING，INNERMONGOLIAUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，HOHHOT010051，NEIMONGGOL，CHINAABSTRACTINORDERTOASSUREGRIDSIDECONVERTERANDTHESTATICREACTIVECOMPENSATORINWINDPOWERSYSTEMSOFRUNNINGSAFELYANDRELIABLYUNDERUNBALANCEDGRIDVOLTAGE，ITISTHEBASICREQUIREMENTTHATTHEPHASEANDFREQUENCYOFTHEPOSITIVESEQUENCEFUNDAMENTALCOMPONENTOFGRIDVOLTAGEAREOBTAINEDQUICKLYANDACCURATELYBECAUSETHEDYNAMICBEHAVIOROFTHEPHASELOCKEDLOOPSYSTEMBASEDONTHESINGLESYNCHRONOUSREFERENCEFRAMESSRFSPLLISDISSATISFACTORY，ASOFTWAREPHASELOCKEDLOOPBASEDONDOUBLESYNCHRONOUSREFERENCEFRAMEDSRFSPLLWASPUTFORWARDTODETECTTHEPOSITIVEANDNEGATIVESEQUENCECOMPONENTSOFUNBALANCEDGRIDVOLTAGESBYDOUBLEDQTRANSFORMATIONANDDECOUPLINGCALCULATIONTHESIMULATIONANDEXPERIMENTRESULTSHAVEVERIFIEDTHEVALIDITYANDEFFECTIVENESSOFTHEDSRFSPLLUNDERTHEUNBALANCEDANDDISTORTEDGRIDVOLTAGE，THESUDDENCHANGEOFGRIDVOLTAGEFREQUENCYANDTHESINGLEPHASEEARTHINGFAULTKEYWORDSPHASELOCKEDLOOP；UNBALANCEDVOLTAGE；SYNCHRONOUSREFERENCEFRAMESRF1引言风能是一种清洁的可再生能源，风力发电是风能利用的主要形式，在世界范围内展现出良好的发展前景_】。现有的风力发电系统可以分为恒速恒频和变速恒频2类2。，前者主要采用鼠笼式异步发电机，通过软启动器和无功补偿装置并网；后者一般分为双馈异步发电机加部分功率电力电子装置接人电网和同步发电机通过全功率电力电子装置接人电网。为了保证风力发电系统中网侧变换器和无功补偿装置SVC，STATCOM在电网电压不平衡和畸变情况下安全可靠工作，必须准确而快速检测电网电压正序基波分量的相位和频率信号，为控制策略的实施提供必要的信息和依据。锁相环PLL是一种能够实现2个电信号在相位和频率同步的设备4。文献E21对开环锁相系统进行了分析，将三相电压经过变换得到其分量，从而得到其相角值，这种方法需求得反三角函数值，计算速度较慢，尤其在系统频率变动和电压不平衡时，对畸变电压的抑制作用弱，因此无法正确锁相。文献E51提出一种基于三角函数正交性基金项目内蒙古自治区高等学校科学技术研究重点项目NJO9O63作者简介田桂珍1974一，女，博士研究生，讲师，EMAILTIANGUIZHENIMUTEDUCN53电气传动2010年第4O卷第7期田桂珍，等电压不平衡时风电系统中基于双同步变换的锁相环设计以及自适应滤波原理的相位跟踪闭环控制系统，它克服了模拟锁相环的缺点，但这种方法采用了傅立叶分析法，使跟踪速度变慢。为解决上述问题，出现了基于PI控制的软件锁相环，通过同步旋转坐标变换跟踪原理，达到相位锁定的目的。目前软件锁相方法面临的主要问题是受负序分量的影响，锁相系统要取得较好的稳态精度，其中的环路滤波器的截止频率必须取得很低，这极大地影响了动态响应的速度6。为了解决上述问题，文献7采用T2和T4延时的方法来抵消电网电压中的直流偏移量和负序分量影响，但所用的丁是定值，一旦电网频率波动时，该方法将无法准确锁相；文献E8提出一种基于4个加强性单相锁相EPLL的三相锁相环方法，3个EPLL分别检测三相电网电压和其移相90。后的电压信号，利用对称分量法提取电压正序分量，最后利用1个EPLL跟踪正序分量中A相，该方法可以消除电压不平衡的影响、具有很强的抑制谐波能力和频率自适应性，但不能抑制电压中直流偏移量的影响。针对实际的风力发电系统，通过分析基于单幽坐标变换锁相环工作原理和存在的问题，研究基于双同步坐标变换的锁相环DSRFSPLL方法，通过双Q变换和解耦计算完全消除电压不平衡的影响，同时在电网电压频率突变和单相接地等故障情况下也能快速、准确地锁定相位。仿真和实验验证该方法的正确性。2基于单DQ坐标变换的锁相环基于单DQ坐标变换的锁相环SSRFSPLL结构如图L所示，其基本原理为三相输人电压经单Q坐标变换得到和，针对的闭环控制采用PI控制器来消除偏差。当“一0时，即可实现输出相位与电网电压相位同步。由于采用闭环控制，可获得良好的锁相性能。图1中，PI环节传递函数为54图1SSRFSPLL结构框图FIG1BLOCKDIAGRAMOFTHESSRFSPLLKF一1去1系统闭环的传递函数为G一2GO,OS2N2其中U一一是2一JP2SSRFSPLL在三相电压平衡且不含谐波的条件下，取得很好的结果；当出现高次谐波时，降低锁相环的带宽，谐波对输出的影响基本可以忽略；但三相电压不平衡时，锁相环的带宽太低，系统的动态响应速度变得非常慢，不利于该方法的工程应用。3不平衡电压矢量在双同步参考坐标下的分解在三相电网电压不平衡时，根据对称分量法，电网电压矢量U只考虑基波电压可以描述为正序、负序和零序电压分量3者的合成，即UC。COS一OAT2。9。JLCOSWT120。J。S一COT9UICOSOFF120。LLC。SMOOT120。J厂C。SICOST9。L3LCOSOTFJ式中己，U，分别为正序、负序、零序基波电压峰值；_。，分别为正序、负序、零序基波电压的初始相位角。利用三相静止坐标系到两相静止坐标系变换，零序分量经过变换后为零，从而抑制了零序分量的影响。电网电压矢量LL在A口坐标系下可描述为一一一G1LCOINSOAT91U7LCOINS一COT0一14式中，分别为正序电压和负序电压在坐标系上的分量。从式4中看出，在A坐标系上电压矢量LI可分解为以角频率为旋转的正序电压分量和以角频率为一CU旋转的负序电压分量组田桂珍，等电压不平衡时风电系统中基于双同步变换的锁相环设计电气传动2010年第40卷第7期成，如图2所示。它是由2个旋转坐标系组成一个是以角频率为CU旋转的DQ1坐标系，旋转的角度为0；另一个是以角频率为一叫旋转的DQ坐标系，旋转的角度为一。分别进行正向同步由坐标变换和负向同步幽坐标变换，可得USD1Q1UQL一一LIL_JL幽JSL“Q_JULCSOINSOT91一0J7UIN一1一0，Q一一岬HSD一一ILLJ幽一JLLSL“QULCOINSWTQ10ULCSOINS一WTT9一L0，J其中一一一S1N一CONSII。O一一。图2基于DSRF的电压矢量图FIG2PHASORDIAGRAMOFTHEDSRF56根据SSRFSPLL的锁相原理可知，正序变换的旋转角应该尽可能接近于OJR1，即有WT9，SINCOT一CU一0，COSWT9101，。将式5和式6整理为U一COSCOS20J7一SIN20ICOS20COS，_JJD一广COS20广COSII己，LLULL8L。1ILSIN20JLSINLJ由式7和式8可以看出，在正向DQ坐标变换下，输出电压的正序分量变成了直流量，负序分量则变为2频率的交流分量；同样，在负向Q坐标变换下，输出电压的负序分量为直流量，而正序分量为2频率的交流量。因此在电压不平衡条件下，正向口坐标变换中不仅含有直流部分，还有负序分量引起二次谐波。4DSRFSPLL结构模型通过以上的分析可以知道，不平衡电压在正负向Q坐标变换下，输出电压之间存在一定的联系，可以通过解耦计算，提取正序和负序电压分量。根据式7和式8可以得到正负序电压的解耦变换计算公式一一一COINS220J一一RSIN20IV_COS2J一“LCOINS220C。根据以上的推导关系可以得到如图3所示的DSRFSPLL结构模型，式9和式10分别为图3中的正、负序电压解耦变换计算公式。图3DSRFSPLL结构模型FIG3STRUCTUREMODELOFTHEDSRFSPLL图3中，低通滤波器LPF的传递函数为F一式中，T一1乩；为电压基频；为常数。55电气传动2010年第4O卷第7期田桂珍，等电压不平衡时风电系统中基于双同步变换的锁相环设计5仿真结果51SSRFSPLL和DSRFSPLL的比较设输入三相电压幅值分别为U。06标幺值，UB一10标幺值，D,一04标幺值，频率，一50HZ，A相初始相位为3O。，控制器参数选择为一0707，一157RADS，调节时间T一0045S，K。一222，R一000899，“一314RADS。SSRFSPLL和DSRFSPLL在PSCADEMTDC环境下的仿真结果分别如图4和图5所示。簿0篓一I11图4SSRFSPLL的仿真结果FIG4SIMULATIONRESULTSOFTHESSRFSPLL52DSRFSPLL的适应性当T一02S时，输入电压频率突然变为厂一47HZ，仿真结果如图6所示。当T02S时，C相发生单相接地故障，持续时间006S，仿真结果如图7所示。通过以上2图可以看出，DSRFSPLL具有很强的适应能力，频率变化或者发生瞬时单相接地故障时，也能够进行准确的锁相。疽鬯出姜。5逛一5糊一L0一15趟0霉B18022026OI3TS图6频率变化时DSRFSPLL的仿真结果FIG6SIMULATIONRESULTSOFTHEDSRFSPLLWITHVARYINGFREQUENCYABCLN5O05ID幽F图5DSRFSPLL的仿真结果FIG5SIMULATIONRESULTSOFTHEDSRFSPLL由图4和图5可以看出，SSRFSPLL受二次谐波的影响，引起输出相位波形畸变，不能正确锁定相位；DSRFSPLL通过解耦计算分离出三相正序电压分量，从而能够抑制负序电压分量的影响。56害6L3出塑SD毒180220260。TT图7单相接地时DSRFSPLL的仿真结果FIG7SIMULATIONRESULTSOFTHEDSRFSPLLWITHSINGLEPHASEEARTHINGFAULT实验结果为了验证理论分析和仿真结果的正确性，针对电压不平衡、畸变和单相接地情况对DSRFSPIL进行实验研究。实验系统硬件结构如图8所示，主要由计算机、C8051F410单片机、三相电压检旭一J以三三J一。0哥篷趟世孽IVV一0一一以一譬几一三三葡盎一一墨制罂田桂珍，等电压不平衡时风电系统中基于双同步变换的锁相环设计电气传动2010年第4O卷第7期测与调理电路及测量与显示模块等组成。其中，C8051F410单片机主要功能为三相电压的采样和AD转换，锁相环的控制程序及相位的DA转换和输出；电压检测和调理电路检测实验室三相交流电压，并将其转换为满足单片机输入要求的电压信号。软件设计时，三相电压数据采集及锁相算法安排在中断服务程序中实现，采样周期为300“S。、_一电压三相L检测交流与电压J调理产电路单片机C8051F410计算机PC图8实验系统硬件结构图FIG8HARDWAREBLOCKDIAGRAMOFTHEEXPERIMENTSYSTEM实验参数与仿真参数相同，实验结果如图9所示。从图9中看出，DSRFSPLL可以完全消除电压不平衡的影响，很好地抑制谐波，电网电压发生单相接地故障时也可以准确锁定相位。实验结果验证了理论分析和仿真结果的正确性与可行性。涨裟蹄5OOMVBMYI2049A】三相不平衡B电压畸变C单相接地故障图9DSRFSPLL的实验波形FIG9EXPERIMENTALWAVEFORMSOFTHEDSRFSPLL7结论随着风力发电的快速发展，其装机容量在电网中所占比重也越来越大，风力发电对电力系统的影响也越来越明显。为了保证风力发电系统在电网异常或故障时安全、可靠运行，必须快速、准确锁定正序电压基波分量的相位和频率，为网侧变换器和静止无功补偿装置提供控制基准。本文研究了基于双同步坐标变换的锁相环方法，在电网电压不平衡、畸变、单相接地和频率突变等故障下能快速、稳定地跟踪电网基波正序电压。通过PSCADEMTDC软件的仿真和以单片机C8O51一F410为核心的实验系统的实验研究验证了DSRFSPLL的正确性和可行性。本文研究的锁相方法对解决并网型风力发电系统在复杂工况下的同步问题有一定参考价值。参考文献E1GWECGLOBALWIND2008REPORTEBOL20090409HTTPWWWGWECNETFILEADMINDOCUMENTSGLOBAL20WIND20200820REPORTPDF2BLAABJERGF，TEODORESCUR，LISERREMOVERVIEWOFCONTROLANDGRIDSYNCHRONIZATIONFORDISTRIBUTEDPOWERGENERATIONSYSTEMS1JIEEETRANSACTIONSONINDUSTRIALELECTRONICS，2006，5351398一I40913ARULAMPALAMA，RAMTHARANG，JENKINSNTRENDSINWINDPOWERTECHNOLOGYANDGRIDCODEREQUIREMENTSCFSEEONDINTERNATIONALCONFERENCEONINDUSTRIALANDINFORMATIONSYSTEMS，200712913314HSIEHGC，HUNGJCPHASEL