基于DSP 數(shù)據(jù)采集風(fēng)電并網(wǎng)監(jiān)控設(shè)計(jì)

朱建紅，顧菊平，任浩鋒，陳澤宇

（南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

自然資源持續(xù)變化造成新能源發(fā)電電能質(zhì)量低下，影響電力系統(tǒng)的正常調(diào)度[1]，給電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性帶來挑戰(zhàn)[2]，并網(wǎng)技術(shù)是新能源有效開發(fā)利用的必要條件。現(xiàn)有電網(wǎng)中因數(shù)量眾多的電子類變換器配電設(shè)施的接入導(dǎo)致電壓畸變嚴(yán)重[3]，我國技術(shù)監(jiān)督部門對(duì)電網(wǎng)參數(shù)的允許運(yùn)行范圍作出了相關(guān)規(guī)定，具體包括頻率及電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡度、暫態(tài)或瞬態(tài)過程電壓、諧波、電壓驟降、中斷、驟升和電力連續(xù)性等[4]，這也是新能源發(fā)電質(zhì)量的控制目標(biāo)。其中，優(yōu)良的鎖相環(huán)可快速準(zhǔn)確檢測(cè)電網(wǎng)電壓的相角和頻率，較準(zhǔn)確獲取網(wǎng)側(cè)電壓基波信號(hào)[5-6]。2019 年，Wang 等[7]人提出了一種并網(wǎng)預(yù)同步控制方法，通過鎖相環(huán)預(yù)同步單元的虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制，減小并網(wǎng)動(dòng)作對(duì)電網(wǎng)的瞬時(shí)沖擊，維持了輸出電壓的穩(wěn)定。Isakov 等[8]人通過鎖相環(huán)在無位置傳感器同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用研究，分析了反電勢(shì)固有的諧波畸變以及在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對(duì)鎖相環(huán)輸出的影響。劉華吾等[9]人提出了一種基于離散傅里葉變換的鎖相環(huán)技術(shù)，改善了傳統(tǒng)同步參考坐標(biāo)系鎖相環(huán)在畸變電網(wǎng)電壓條件下的性能。Wang 等[10]人結(jié)合鎖相環(huán)的原理，詳細(xì)分析了鎖相環(huán)失序的原因，提出了一種自適應(yīng)鎖相環(huán)的方案，使得鎖相環(huán)工作更為靈活。Liao 等[11]人提出了二次采樣鎖相環(huán)和初始鎖頻環(huán)之間的自動(dòng)軟切換，提高了可能導(dǎo)致傳統(tǒng)SSPLL 失鎖的擾動(dòng)和干擾的魯棒性。針對(duì)電網(wǎng)不平衡情況下，傳統(tǒng)控制策略的并網(wǎng)逆變器會(huì)產(chǎn)生大量諧波進(jìn)而導(dǎo)致功率波動(dòng)和性能惡化的問題，Tao 等[12]人提出了正負(fù)序雙電流控制回路與線性無功控制相結(jié)合的控制方法，減小了系統(tǒng)的不平衡，提高了逆變器的性能。Ma 等[13]人提出了一種基于魯棒二分法的帶電壓觀測(cè)器的三相并網(wǎng)逆變器模型的預(yù)測(cè)控制，提高了電流控制的魯棒性，有效抑制了弱電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)。如今，隨著能源消費(fèi)的增長(zhǎng)，信息監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的開發(fā)逐步受到關(guān)注。蘆博等[14]人提出了一種基于大數(shù)據(jù)架構(gòu)的綜合能源監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)方案及關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了綜合能源設(shè)備數(shù)據(jù)的監(jiān)控、分析，有效提升了管理水平。針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫無法滿足新能源集控的實(shí)時(shí)性與易用性需求，蔡杰等[15]人提出了一種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分區(qū)、自動(dòng)模型同步、負(fù)載均衡、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)多總線技術(shù)，滿足了新能源集控在安全性、實(shí)時(shí)性、易用性方面的要求。王麗杰等[16]人根據(jù)新能源生產(chǎn)設(shè)備管控業(yè)務(wù)流程，設(shè)計(jì)了云邊協(xié)同的平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了從感知到頂層決策的多層次融合，為新能源異構(gòu)資產(chǎn)上云、異構(gòu)數(shù)據(jù)的分析處理提供了指導(dǎo)。

近年來，就穩(wěn)定并網(wǎng)問題，國家對(duì)風(fēng)力發(fā)電運(yùn)營商提出了電能質(zhì)量方面的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)GB/T 19963—2011 文件[17]，當(dāng)電網(wǎng)頻率小于48 Hz 時(shí)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最小頻率，發(fā)電機(jī)可連續(xù)運(yùn)行；小型雙饋發(fā)電機(jī)處于并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)時(shí)與電網(wǎng)的頻率差應(yīng)控制在0.3 Hz 以內(nèi)；電壓波動(dòng)范圍應(yīng)控制在電網(wǎng)電壓的10%以內(nèi)；相位波動(dòng)應(yīng)控制在20°范圍內(nèi)；諧波電流應(yīng)該滿足GB/T 14549—1993 標(biāo)準(zhǔn)[18]規(guī)定。在并網(wǎng)動(dòng)作觸發(fā)時(shí)，為避免并網(wǎng)過程中產(chǎn)生過大的沖擊電流，小型雙饋風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的理想條件需同時(shí)滿足發(fā)電輸出電壓的相序、頻率、幅值、相位均與電網(wǎng)基本保持一致。若偏差太大強(qiáng)制并網(wǎng)，不僅會(huì)對(duì)電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生巨大沖擊，影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，而且會(huì)降低電能的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)而影響電能質(zhì)量[19]。因此，優(yōu)良的并網(wǎng)控制技術(shù)是確保風(fēng)電系統(tǒng)和電網(wǎng)可靠連接的一道橋梁。

文章就小型雙饋風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)技術(shù)展開研究，著重從軟硬件鎖相環(huán)監(jiān)測(cè)技術(shù)入手，上位機(jī)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與下位機(jī)鎖相環(huán)及濾波技術(shù)的DSP 編程控制相結(jié)合，在剖析電力系統(tǒng)運(yùn)行的畸變電壓、電流或頻率影響因素基礎(chǔ)上，改進(jìn)濾波與鎖相環(huán)算法，抽取基波信號(hào)，用于風(fēng)電可靠控制與調(diào)節(jié)，改善風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略，從而減少風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

風(fēng)電并網(wǎng)過程中，風(fēng)電系統(tǒng)需要控制轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出的電壓信號(hào)，使之與電網(wǎng)電壓信號(hào)同步。本設(shè)計(jì)圍繞新能源并網(wǎng)發(fā)電監(jiān)控技術(shù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)的電網(wǎng)電能質(zhì)量涉及的信號(hào)濾波算法，改進(jìn)鎖相環(huán)設(shè)計(jì)方案，得到準(zhǔn)確的基波并網(wǎng)信號(hào)，系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)如圖1 所示。并網(wǎng)控制主要由PC上位機(jī)和兩塊DSP2812 控制器聯(lián)合完成，其一用于轉(zhuǎn)子側(cè)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)，其二用于并網(wǎng)控制。PC 上位機(jī)與DSP2812 之間通過RS232 串口通信，DSP2812 之間通過高速同步串行接口（SPI）模塊進(jìn)行芯片間的同步通信，保證風(fēng)力發(fā)電與并網(wǎng)控制器的同步控制。

圖1 系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the system scheme structure

系統(tǒng)中DSP2812 先通過傳感器檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊獲取網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)電壓電流信號(hào)；之后通過硬件鎖相環(huán)校準(zhǔn)和軟件鎖相環(huán)算法編程，抽取電網(wǎng)基波信號(hào)，并上傳給上位機(jī)；最后DSP2812 根據(jù)上位機(jī)給出的風(fēng)力發(fā)電電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)參考信號(hào)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流控制發(fā)電機(jī)定子輸出電壓。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)的輸出電壓參數(shù)指標(biāo)符合并網(wǎng)指標(biāo)所規(guī)定的范圍時(shí)，DSP2812 發(fā)出并網(wǎng)信號(hào)，并網(wǎng)開關(guān)線圈吸合，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。

系統(tǒng)中硬件鎖相環(huán)直接控制發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程的電壓參數(shù)偏差范圍固定，DSP 軟件鎖相環(huán)檢測(cè)的并網(wǎng)信息易受到環(huán)境干擾。為防止風(fēng)電意外脫網(wǎng)事故發(fā)生，系統(tǒng)中PC 上位機(jī)若監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)的輸出參數(shù)指標(biāo)符合并網(wǎng)指標(biāo)所規(guī)定的范圍而下位機(jī)沒有發(fā)出并網(wǎng)信號(hào)，PC 上位機(jī)發(fā)出并網(wǎng)信號(hào)至DSP2812，驅(qū)動(dòng)并網(wǎng)開關(guān)動(dòng)作，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。

2 鎖相環(huán)的建模與仿真

鎖相環(huán)通常分成硬件鎖相環(huán)與軟件鎖相環(huán)，基本結(jié)構(gòu)由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器組成。鑒相器把檢測(cè)出的相位差變成電壓差信號(hào)，再通過環(huán)路濾波器轉(zhuǎn)變成壓控振蕩器的控制電壓，控制壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻率，最后將輸出信號(hào)的頻率由除法或分頻器等與輸入信號(hào)相位比較，偏差返回到鑒相器中，如此往復(fù)，直至頻率等于輸入頻率，完成鎖相。

2.1 硬件鎖相環(huán)

常見的硬件鎖相環(huán)外接振蕩電容與振蕩電阻。信號(hào)輸入后，經(jīng)過運(yùn)算放大器、整形電路，送入相位比較器，觸發(fā)器工作，輸出偏差電壓，類似于鑒相器。其中，低通濾波器通常由兩個(gè)電阻和電容組成，當(dāng)輸入信號(hào)送入時(shí)，偏差值轉(zhuǎn)變成壓控振蕩器的輸入電壓，這與環(huán)路濾波器功能類似。進(jìn)一步，電壓控制壓控振蕩器產(chǎn)生一定頻率的信號(hào)，調(diào)節(jié)比較信號(hào)的輸出頻率。其中，壓控振蕩器的頻率范圍是由外接的振蕩電容與電阻決定的。然后又經(jīng)過處理送入鑒相器，最終輸入信號(hào)的頻率與偏差信號(hào)的頻率相等，相位保持恒定偏差狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)鎖相功能。課題設(shè)計(jì)的硬件鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主體芯片為CD4098，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括相位比較器、低通濾波器、壓控振蕩器等，該電路可控制壓控振蕩器的狀態(tài)，通過正弦轉(zhuǎn)方波電路，對(duì)比較信號(hào)和輸入信號(hào)進(jìn)行處理，滿足芯片的輸入要求。

圖2 硬件鎖相電路Fig.2 Hardware phase lock circuit

圖3 為鎖相環(huán)輸出及并網(wǎng)觸發(fā)執(zhí)行電路。采用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)正弦轉(zhuǎn)為同頻率的方波，然后按照輸入信號(hào)和輸出信號(hào)相位偏差進(jìn)行仿真。

圖3 觸發(fā)執(zhí)行電路Fig.3 Trigger execution circuit

利用撥碼開關(guān)實(shí)時(shí)觀測(cè)輸入信號(hào)的相位發(fā)生變化時(shí)，其相位的輸出波形隨輸入信號(hào)的變化情況，采用高電平所占周期的寬度來體現(xiàn)兩輸入相位的差值。其中，輸出波形的占空比即為相位的差值，相位差值越大，所輸出高電平所占的寬度也就越大。當(dāng)輸入信號(hào)和比較信號(hào)的輸出波形一致時(shí)，其相位輸出始終為低電平，可有效實(shí)現(xiàn)相位檢測(cè)。圖4是輸入信號(hào)和比較信號(hào)之間偏差為0°、45°及90°時(shí)的相位輸出情況。

圖4 輸入信號(hào)與比較信號(hào)不同相位差時(shí)的相位輸出波形Fig.4 Phase output waveform when the input signal and the comparison signal have different phase differences

將圖4 中幾種情況進(jìn)行比較后可知，隨著輸入信號(hào)與比較信號(hào)的相位偏差增大，該相位比較器的輸出波形中高電平所占的寬度呈線性增長(zhǎng)；而當(dāng)輸入信號(hào)與比較信號(hào)一致時(shí)，鎖相環(huán)電路輸出始終是低電平狀態(tài)，因而通過仿真可知該鎖相環(huán)電路可有效用于相位差檢測(cè)。

2.2 軟件鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

在理想電網(wǎng)電壓條件下，三相同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)（synchronous reference frame PLL，SRF-PLL）可用來準(zhǔn)確獲得電網(wǎng)電壓信號(hào)[20]。然而，在電網(wǎng)故障下，SRF-PLL 易出錯(cuò)導(dǎo)致無法精確鎖相，性能降低甚至鎖相失敗。因此，針對(duì)非理想電網(wǎng)的鎖相環(huán)技術(shù)一直被國內(nèi)外學(xué)者及技術(shù)人員研究。另外，因諧波存在，帶有大量非線性負(fù)載的電網(wǎng)三相電壓中不僅僅含正序分量，兩相dq 坐標(biāo)軸的d、q 軸分量，還包含非直流量，導(dǎo)致傳統(tǒng)的鎖相環(huán)中的PI 控制器難以實(shí)現(xiàn)。近年來，基于移動(dòng)平均濾波器的鎖相環(huán)技術(shù)（moving average filter based PLL，MAF-PLL），由于性能優(yōu)良得到研究者的廣泛關(guān)注[21]，其可以較好地消除諧波、直流偏置量與不平衡電壓的影響。圖5 為MAF-PLL 的結(jié)構(gòu)框圖。

圖5 移動(dòng)平均濾波器的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 PLL structure block diagram of MAF

通過MATLAB 軟件的Simulink 對(duì)MAF-PLL 與DDSRF-PLL（decoupled double synchronous rotating frame PLL）進(jìn)行仿真，鎖相環(huán)的頻率、相角波形如圖6 和圖7 所示。從兩者在頻率鎖定性能方面的對(duì)比分析可以看出，基于移動(dòng)平均濾波器的鎖相環(huán)比雙dq 鎖相環(huán)具有更好的鎖相性能。

圖6 MAF-PLL 鎖相環(huán)頻率與相位圖Fig.6 Frequency and phase diagram of MAF-PLL

圖7 DDSRF-PLL 鎖相環(huán)頻率與相位圖Fig.7 Frequency and phase diagram of DDSRF-PLL

圖6 中，MAF-PLL 的頻率在經(jīng)歷0.1 s 后，進(jìn)入工頻48～52 Hz 的波動(dòng)范圍內(nèi)，以50 Hz 工頻頻率為基準(zhǔn)，稍后波動(dòng)范圍趨于0 Hz，并在此范圍內(nèi)逐漸趨向穩(wěn)定，頻率偏差絕對(duì)值最大為3.8 Hz。圖7中，DDSRF-PLL 的頻率在經(jīng)歷0.08 s 后，進(jìn)入工頻48～52 Hz 的波動(dòng)范圍內(nèi)，但最終所測(cè)頻率穩(wěn)定在49.5 Hz，且頻率偏差絕對(duì)值最大為8.9 Hz。與DDSRF-PLL 相比，MAF-PLL 在頻率鎖定性方面更好，所以軟件鎖相環(huán)選擇MAF-PLL 用于模擬風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制。

MAF-PLL 在電網(wǎng)正常情況下具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但是也存在著某些技術(shù)上的不足之處，比如缺少開環(huán)帶寬，大大削弱了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。所以設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何在不平衡與跌落電網(wǎng)中精確而快速地檢測(cè)出相位、頻率。此外，參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化也是難點(diǎn)之一。因此，針對(duì)該情況，本設(shè)計(jì)中結(jié)合硬件鎖相環(huán)的應(yīng)用，來解決在不平衡與跌落電網(wǎng)電壓中相位及頻率快速準(zhǔn)確檢測(cè)問題。

3 基于鎖相環(huán)檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制DSP算法實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中采用軟硬件相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)控制。其中，軟件鎖相環(huán)主要依靠TMS320F2812 控制器編程實(shí)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)的網(wǎng)側(cè)及機(jī)側(cè)電壓參數(shù)相一致時(shí)，控制器輸出并網(wǎng)開關(guān)觸發(fā)信號(hào)。整個(gè)程序設(shè)計(jì)及調(diào)試過程分功能模塊依次進(jìn)行，主程序與子程序分開設(shè)計(jì)。結(jié)合數(shù)據(jù)接口參數(shù)設(shè)置，配置合理通信網(wǎng)絡(luò)，最后實(shí)現(xiàn)軟、硬件聯(lián)調(diào)。整體的核心內(nèi)容包含信號(hào)采集、處理及鎖相環(huán)算法設(shè)計(jì)。圖8 給出了A/D 采樣程序的流程圖，圖9給出了基于鎖相環(huán)檢測(cè)的并網(wǎng)控制流程圖。

圖8 數(shù)據(jù)采集的程序流程圖Fig.8 Program flow chart of data collection

圖9 基于鎖相環(huán)檢測(cè)并網(wǎng)控制流程圖Fig.9 Program flow chart based on PLL detection

系統(tǒng)中定子側(cè)輸出電壓的控制主要依靠TMS320F2812 來實(shí)現(xiàn)，控制器通過傳感器采集得到的三相電網(wǎng)和定子側(cè)的輸出電壓、電流，并與參考信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制信號(hào)來調(diào)節(jié)定子側(cè)電壓。模擬電路由前向模擬多路開關(guān)（Muxs）、采樣/保持（S/H）電路、轉(zhuǎn)換內(nèi)核和參考電壓等部分組成。芯片接收到可處理的數(shù)字信號(hào)后，根據(jù)寫入的程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理，處理完畢后的數(shù)據(jù)通過RS232 接口傳輸?shù)絇C 主機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)中兩塊DSP 控制器分工合作，轉(zhuǎn)子的位置和速度采用增量式光電編碼器測(cè)量。其中一塊DSP 根據(jù)采集到的電網(wǎng)側(cè)信息、雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和速度信息，通過矢量控制和定子磁鏈定向的相位控制，實(shí)現(xiàn)定子側(cè)與電網(wǎng)側(cè)電壓同步。

4 系統(tǒng)監(jiān)控調(diào)試與數(shù)據(jù)分析

監(jiān)控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與控制兩部分，其工作可靠性需要通信網(wǎng)絡(luò)的可靠工作，作為控制中心的DSP 芯片SCI 模塊通過RS232 與PC 機(jī)通信。DSP芯片采用SCI FIFO 中斷從PC 機(jī)接收消息幀，并根據(jù)消息幀確認(rèn)設(shè)備地址正確性。然后，各種類型的數(shù)據(jù)被打包并以幀的形式發(fā)送到PC 機(jī)。最后，CCS6.0 編程環(huán)境與監(jiān)測(cè)軟件LABVIEW 通信[22]，由LABVIEW 設(shè)計(jì)的上位機(jī)界面各項(xiàng)控件窗口顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)與波形，以達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的。

對(duì)照風(fēng)電并網(wǎng)指標(biāo)，對(duì)于容量小于500 kVA 的發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電與電網(wǎng)側(cè)頻率差值必須控制在0.3 Hz以內(nèi)，電壓差值須控制在10%以內(nèi)，相位差值須控制在20°以內(nèi)。系統(tǒng)通過計(jì)算捕獲單元的定時(shí)器給出的差值，獲得發(fā)電機(jī)輸出電壓信號(hào)的頻率，計(jì)算頻率偏差；通過電壓測(cè)量值和額定電壓值計(jì)算得到電壓偏差；通過FFT 算法獲得基波和每次諧波的數(shù)據(jù)、總畸變率。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)監(jiān)測(cè)界面如圖10 所示。圖中出現(xiàn)了電壓波形正負(fù)幅值嚴(yán)重不對(duì)稱的情況。k 次電壓諧波含有率（harmonic ratio of k-th voltage，HRUk）與總諧波畸變率（total harmonic distortion，THD）數(shù)據(jù)說明風(fēng)電機(jī)組的控制及鎖相環(huán)濾波算法必須進(jìn)行算法改進(jìn)。

圖10 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)界面Fig.10 Power quality monitoring interface

通過查閱相關(guān)資料[23]，在CCS6.0 軟件環(huán)境DSP編程設(shè)計(jì)中，將中值濾波程序加入到A/D 采樣子程序數(shù)據(jù)處理中，消除電壓數(shù)據(jù)中孤立的噪聲點(diǎn)，提高了電壓采樣的數(shù)據(jù)精度，從而間接提高了鎖相環(huán)算法中輸出頻率和相位的準(zhǔn)確性。將中值濾波算法融入MAF-PLL 子程序中進(jìn)行處理，同時(shí)通過硬件鎖相環(huán)電路對(duì)控制信號(hào)的定時(shí)校準(zhǔn)，消除鎖相多周期處理過程累積偏差。多次實(shí)驗(yàn)表明，軟硬件結(jié)合的鎖相環(huán)并網(wǎng)控制在準(zhǔn)確鎖相后，電網(wǎng)側(cè)電壓的頻率、幅值、相位反饋到轉(zhuǎn)子側(cè)電壓勵(lì)磁電流控制，保證了定子側(cè)輸出電壓不會(huì)因外部擾動(dòng)發(fā)生較大偏移，能夠穩(wěn)定跟隨電網(wǎng)側(cè)電壓。再次運(yùn)行程序后得到的波形大幅改善，采集數(shù)據(jù)窗口顯示如圖11 所示。由于該窗口僅支持顯示一個(gè)通道，以一通道為例，右為所采集的電網(wǎng)側(cè)電壓波形圖，左為鎖相環(huán)輸出的相角，其輸出的變化范圍為0～2π，相角線性變化與Simulink 仿真結(jié)果基本一致，諧波成分明顯減少。

圖11 電網(wǎng)側(cè)電壓采集與鎖相環(huán)波形圖Fig.11 Acquisition of grid-side voltage and PLL waveform

基于以上工作，將實(shí)驗(yàn)室的模擬風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接負(fù)載，先通過示波器觀察調(diào)理電路最終輸出的波形是否符合接入DSP 電路A/D 模塊的要求，確保其輸出信號(hào)在0～3.3 V 的范圍內(nèi)，防止諧波太大導(dǎo)致電壓幅值超過預(yù)期值，接入A/D 采集模塊燒毀DSP 芯片。然后離網(wǎng)試運(yùn)行，確保發(fā)電機(jī)輸出電壓信號(hào)與電網(wǎng)信號(hào)基本一致時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)，并網(wǎng)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12 所示。

圖12 軟硬件結(jié)合的鎖相環(huán)接入的兩路電壓波形Fig.12 Two-way voltage waveforms connected by the PLL combined with software and hardware

根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，除去異常值，電網(wǎng)側(cè)與發(fā)電側(cè)電壓頻率差在2 Hz 以內(nèi)，相位差在13°以內(nèi)，有效值差在4 V 以內(nèi)，發(fā)電輸出電壓各次諧波含量得到控制，相電流波形總畸變率為2.87%，滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)諧波抑制的要求。

此項(xiàng)數(shù)據(jù)說明，通過軟硬件鎖相環(huán)結(jié)合的方案設(shè)計(jì)，發(fā)電系統(tǒng)能夠自我調(diào)節(jié)以達(dá)到并網(wǎng)要求，較準(zhǔn)確檢測(cè)相位、頻率等參數(shù)，判斷同步情況，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)繼電器與接觸器的動(dòng)作，驗(yàn)證了并網(wǎng)控制的有效性。較單一硬件鎖相環(huán)，其性能更可靠。

5 結(jié)論

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制通過電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)，改進(jìn)鎖相環(huán)檢測(cè)方案，發(fā)電機(jī)定子電壓定向控制輸出的電壓信號(hào)與鎖相環(huán)檢測(cè)得到的電網(wǎng)電壓基波參考信號(hào)同步時(shí)，能保證風(fēng)電機(jī)組可靠并網(wǎng)發(fā)電。一旦偏差太大或者給定的電網(wǎng)信號(hào)諧波成分較多，風(fēng)電機(jī)組輸出的電壓不穩(wěn)定，并網(wǎng)開關(guān)動(dòng)作不執(zhí)行或頻繁動(dòng)作；經(jīng)過軟硬件結(jié)合的鎖相環(huán)技術(shù)方案改進(jìn)后的算法能較準(zhǔn)確地檢測(cè)電網(wǎng)電壓基波含量，相比單一軟件或硬件鎖相環(huán)更能準(zhǔn)確快速鎖定基波信號(hào)，風(fēng)電機(jī)組輸出的電壓諧波含量明顯降低；整個(gè)并網(wǎng)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集與處理，為濾波參數(shù)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，確保了參數(shù)給定的準(zhǔn)確度與系統(tǒng)輸出的可控性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示發(fā)電側(cè)的電壓幅值和相位與網(wǎng)側(cè)的電壓信號(hào)同步性控制得較好；不足之處在于發(fā)電機(jī)本體振動(dòng)頻率擾動(dòng)而導(dǎo)致發(fā)電側(cè)的電壓頻率檢測(cè)到的偏差稍大，表現(xiàn)出頻率同步控制稍微偏離行業(yè)限定值。整體指標(biāo)基本符合國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)工作中將針對(duì)頻率差偏大問題，從裝置改進(jìn)、檢測(cè)技術(shù)與諧波處理展開研究，期望在并網(wǎng)發(fā)電同步性控制方面取得更具有行業(yè)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的成果。