電壓不平衡且畸變下基于平均值環(huán)節(jié)鎖相環(huán)的研究

閆斌斌,賈焦心

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2,北方工業(yè)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院 北京 100144)

電壓不平衡且畸變下基于平均值環(huán)節(jié)鎖相環(huán)的研究

閆斌斌1,賈焦心2

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2,北方工業(yè)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院 北京 100144)

針對傳統(tǒng)的基于同步參考坐標(biāo)系的三相鎖相環(huán)(SRF-PLL) 在非理想電網(wǎng)環(huán)境下不能準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)電壓相位的問題,提出采用一種正反dq坐標(biāo)變換和平均值環(huán)節(jié)的鎖相方法,通過平均值環(huán)節(jié)將系統(tǒng)電壓的正序基波分量提取出來,利用頻率反饋環(huán)把周期值反饋給平均值環(huán)節(jié)模塊實現(xiàn)頻率自適應(yīng)。仿真結(jié)果表明,在三相電壓不平衡且嚴(yán)重畸變的條件下,該方法能快速準(zhǔn)確地實現(xiàn)基波的正序分離從而鎖定電網(wǎng)電壓的相位和頻率,驗證了其有效性。

電壓畸變;正反dq坐標(biāo)變換;平均值環(huán)節(jié);鎖相環(huán)

在新能源發(fā)電系統(tǒng)中,只有在鎖相環(huán)(PLL)不斷監(jiān)測和反饋準(zhǔn)確的電網(wǎng)電壓信息的情況下,并網(wǎng)逆變器才能正常工作。傳統(tǒng)的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)比較簡單,實時性強,無需復(fù)雜的數(shù)學(xué)坐標(biāo)運算,然而在電網(wǎng)電壓不平衡或電壓嚴(yán)重畸變時,鎖相產(chǎn)生了振蕩,不能有效地完成鎖相。文獻(xiàn)[1-2] 提出基于對稱分量法的鎖相環(huán)技術(shù),可以減弱負(fù)序分量在正序分量上的二倍頻擾動影響,但對電網(wǎng)電壓頻率要求高,適合頻率固定的場合。文獻(xiàn)[3-4]通過雙同步坐標(biāo)系解耦的鎖相環(huán)技術(shù)消除負(fù)序分量在正序分量上的二次諧波影響,將得到的正序分量作為鎖相環(huán)的參考基準(zhǔn)。文獻(xiàn)[5-7]提出基于二階廣義積分型的鎖相技術(shù)，可以濾除電網(wǎng)電壓中諧波影響和實現(xiàn)三相電壓正負(fù)序的分離,但是電網(wǎng)頻率突變時系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度慢、檢測精度不足。目前,SPLL通常采用低通濾波器LPF[8-10]來提高鎖相精確度,但是LPF不能使負(fù)序基波分量得到完全分離,且其濾波性能和動態(tài)性能往往是矛盾的。以上鎖相技術(shù)在電網(wǎng)電壓不平衡和嚴(yán)重畸變時不能快速精確地檢測電壓相位?；诖?本文提出采用一種正反dq坐標(biāo)變換和平均值環(huán)節(jié)的鎖相方法,通過正反dq變換和平均值環(huán)節(jié)來消除諧波,以有效地消除負(fù)序分量和諧波分量的影響,精確得到基波正序分量;通過構(gòu)造頻率反饋環(huán),保證了系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤電網(wǎng)電壓的頻率和相位,進(jìn)而實現(xiàn)頻率的自動跟蹤。仿真表明,該方法能快速、準(zhǔn)確地實現(xiàn)基波的正序分離,并具有自適應(yīng)性和抗諧波干擾能力的優(yōu)點。

1 基于dq 坐標(biāo)變換的鎖相環(huán)分析

1.1 三相電壓平衡沒有畸變

三相電網(wǎng)電壓向量usa、usb、usc可以表示為

式中:UP為電壓的幅值,θp為電網(wǎng)輸入相位角。

對usa、usb、usc信號進(jìn)行Clark變換得

經(jīng)過同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)θ的Park變換得

由此可知,將Uq作為控制對象,在相位鎖定時為Uq=0,通過閉環(huán)控制使θ與θp同步變換來完成鎖相。

1.2 三相電壓不平衡且有畸變

在實際電力系統(tǒng)中偶次諧波分量很小,對鎖相輸出影響很小,所以系統(tǒng)電壓畸變時,主要考慮奇次諧波。當(dāng)系統(tǒng)電壓不平衡且存在畸變時,電壓表達(dá)式為

式中:右側(cè)各項依次為三相系統(tǒng)電壓的正序基波分量、正序諧波分量、負(fù)序基波分量和負(fù)序諧波分量;UP、Upk、Un、Unk和θp,θpk,θn,θnk分別為上述各項的幅值和初相位;k為諧波次數(shù),取k=3,5,7，…。

系統(tǒng)電壓經(jīng)過dq坐標(biāo)變化后得到

當(dāng)三相電壓不平衡且有畸變時,經(jīng)dq變換后,傳統(tǒng)的RSF-PLL不能消除負(fù)序分量和諧波的影響,Usq,Usd中存在交流量,不能很好地跟蹤相角和頻率。

2 電網(wǎng)同步技術(shù)原理與結(jié)構(gòu)

2.1 平均值環(huán)節(jié)消除諧波原理

由于Usq,Usd中的交流量的頻率均為工頻的整數(shù)倍,故可通過積分區(qū)間為工頻周期的平均值環(huán)節(jié)將之全部濾除,只余下直流量Upd,Upq(對應(yīng)Usa,Usb,Usc的正序基波分量)。電壓平均值環(huán)節(jié)如圖1所示,工作原理為:利用電壓在區(qū)間[0,T]的積分值除以積分區(qū)間T;通過積分模塊的輸出減去延遲模塊的輸出(電壓積分延遲T的值)得到區(qū)間[0,T]的積分值。

圖1 電壓平均值環(huán)節(jié)

根據(jù)圖1得到的Upd,Upq為

2.2 同步檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

首先通過基于任意工頻旋轉(zhuǎn)角的正反兩次dq變換和平均值環(huán)節(jié)將系統(tǒng)電壓的正序基波分量提取出來,然后經(jīng)過dq變換鎖相。另外考慮到實際電網(wǎng)頻率可能會在工頻附近出現(xiàn)擾動,影響到平均值環(huán)節(jié)模塊消除dq軸上正弦交流分量的效果,故構(gòu)造頻率反饋環(huán),將檢測到的基波頻率經(jīng)低通濾波器LFP濾除高頻噪音,再換算成周期值并反饋給平均值環(huán)節(jié)模塊,保證了系統(tǒng)能自適應(yīng)地跟蹤實際電網(wǎng)頻率的變化。PLL的具體框圖如圖2所示。

圖2 PLL的具體框圖

3 仿真研究

根據(jù)系統(tǒng)框圖,采用MATLAB/simulink搭建系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

仿真系統(tǒng)中,PLL的參數(shù)如下:kp=10,ki=500,ωref=314 rad/s,電網(wǎng)電壓幅值取標(biāo)幺值;傳統(tǒng)的SRF-PLL的參數(shù)為kp=4.5,ki=347.8。分別在電網(wǎng)電壓不平衡頻率突變和諧波畸變等情況下對傳統(tǒng)的SRF-PLL和基于平均值環(huán)節(jié)的鎖相環(huán)進(jìn)行了仿真。

3.1 電網(wǎng)電壓不平衡和頻率突變的仿真

當(dāng)輸入電壓信號在0.15 s時注入幅值為0.1 p.u.的負(fù)序基波電壓和0.1 p.u.零序電壓,頻率突升為55 Hz,兩種電壓同步技術(shù)的響應(yīng)如圖4所示。

圖4 電壓不平衡和頻率突變的仿真

由圖4可知,傳統(tǒng)的SRF-PLL在0.03 s后可以完成鎖相且相位有波動,基于平均值環(huán)節(jié)的PLL在突變時刻的抖動很小并且經(jīng)過0.01 s后角頻率和相位準(zhǔn)確鎖定。

圖3 改進(jìn)鎖相環(huán)的仿真結(jié)構(gòu)

3.2 電網(wǎng)電壓諧波畸變時的仿真

當(dāng)輸入電壓信號在t=0.15 s時注入幅值分別為0.1 p.u.,0.1 p.u.的3次和5次諧波，兩種電壓同步技術(shù)的響應(yīng)如圖5所示。

圖5 諧波畸變的仿真

由圖5知,傳統(tǒng)的SRF-PLL鎖相信號中也含有諧波,不能準(zhǔn)確鎖相,基于平均值環(huán)節(jié)的PLL經(jīng)過0.01 s后角頻率和相位準(zhǔn)確鎖定。

通過對比圖4和圖5可以看出,基于平均值環(huán)節(jié)的鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓不平衡、諧波畸變和頻率突變等情況下都能夠準(zhǔn)確快速鎖定電壓相位和頻率,說明引入平均值環(huán)節(jié)能濾除輸入信號中的負(fù)序分量和諧波分量,可以準(zhǔn)確獲得基波電壓信號。與傳統(tǒng)的SRF-PLL相比,所提的鎖相環(huán)通過引入頻率反饋環(huán)極大地縮短了到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時間和減小頻率的振蕩幅度,可以快速準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)頻率從而實現(xiàn)頻率自適應(yīng)。

4 結(jié) 語

針對SRF-PLL在電網(wǎng)電壓不平衡時不能消除負(fù)序分量和諧波分量的問題,提出了正反dq變換和平均值環(huán)節(jié)來消除諧波的鎖相技術(shù)。通過基于任意工頻旋轉(zhuǎn)角的正反兩次dq變換和平均值環(huán)節(jié)將系統(tǒng)電壓的正序基波分量提取出來,然后再經(jīng)過dq變換可以準(zhǔn)確快速鎖定基波正序電壓相位。仿真驗證了在電網(wǎng)電壓畸變和頻率突變時,PLL能快速準(zhǔn)確地跟蹤電網(wǎng)電壓頻率和相位且頻率估計的振蕩幅度較小,并具有自適應(yīng)和抗諧波干擾能力的優(yōu)點。

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(責(zé)任編輯 郭金光)

Research on phase locked loop based on mean value links under unbalanced and distorted voltage

YAN Binbin1, JIA Jiaoxin2

(1.School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China; 2.School of Electrical and Control Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

The traditional synchronous reference coordinate three phase locked loop(SRF-PLL) failed to accurately track the phase of the grid voltage under the condition of non-ideal grid voltage. To solve this problem, this paper proposed the PLL based on positive and negative dq synchronous reference frame transformation combined with mean value links. It is a method which extracted the positive sequence fundamental voltage through mean value links and used the frequency feedback loop to provide the period of mean value links so as to realize frequency adaptive.The simulation results show that the method is able to realize the positve sequence extraction of fundamental voltage so as to accurately track the phase and frequency of the grid voltage under the condition of unbalanced and seriously distorted three-phase voltage, which verify its validity.

voltage distortion; positive and negativedqsynchronous reference frame transformation; mean value links; phase locked loop

2015-05-11。

閆斌斌(1990—),男,碩士研究生,研究方向為光伏發(fā)電技術(shù)。

TM761

A

2095-6843(2015)06-0483-04