基于雙二階廣義積分鎖頻環(huán)的風(fēng)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)仿真

謝聰， 吳新開， 雷雅云， 唐明淼(湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

基于雙二階廣義積分鎖頻環(huán)的風(fēng)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)仿真

謝聰， 吳新開， 雷雅云， 唐明淼
(湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

通過采用雙二階廣義積分器實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的鎖相，檢測出不對稱電網(wǎng)電壓中的正序分量和負(fù)序分量。因為電網(wǎng)頻率比電網(wǎng)相角更加穩(wěn)定，所以使用雙二階廣義積分鎖頻環(huán)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行并網(wǎng)。利用MATLAB/Simulink軟件對基于雙廣義二階積分鎖相環(huán)和鎖頻環(huán)的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果證明鎖頻環(huán)比鎖相環(huán)具有更加平滑的響應(yīng)，驗證了控制系統(tǒng)的可行性和有效型，保證了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的順利并網(wǎng)。

風(fēng)力發(fā)電；雙二階廣義積分器；鎖相；鎖頻環(huán)；仿真

0 引 言

近年來，資源枯竭的窘境愈發(fā)明顯，而風(fēng)能是一種清潔、安全的選擇[1]。實際應(yīng)用中，風(fēng)能具有不穩(wěn)定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓頻率、幅值、相位都是會隨時發(fā)生變化的，所以，風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)十分重要。

三相變換器并網(wǎng)依賴于高性能的檢測系統(tǒng)，尤其需要設(shè)計快速而準(zhǔn)確消除高次諧波并檢測出電壓向量各序分量的方法。三相電力網(wǎng)絡(luò)中電壓向量各序分量的實時檢測是分布式發(fā)電、儲能系統(tǒng)、柔性交流輸配電、電力線路調(diào)整器和不間斷電源控制的關(guān)鍵問題[2-3]。采用雙二階廣義積分器的正/負(fù)序分量計算模塊(PNSC)實現(xiàn)正序分量和負(fù)序分量的分離輸出。

在實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時，需要對系統(tǒng)實行精確鎖相。傳統(tǒng)的過零點檢測三相電壓相位法，由于網(wǎng)側(cè)電壓在過零點存在毛刺，檢測會存在很大的誤差。文獻(xiàn)[4]提出的單同步坐標(biāo)鎖相環(huán)不能實現(xiàn)對三相不平衡電壓的精確鎖相。文獻(xiàn)[5]提出的雙同步參考坐標(biāo)系鎖相環(huán)雖然在不對稱故障下仍能保證準(zhǔn)確的電網(wǎng)同步，但是其解耦結(jié)構(gòu)主要針對消除負(fù)序基頻分量影響，因此其抵抗低次諧波擾動能力比較弱。本系統(tǒng)應(yīng)用基于雙二階廣義積分[6-7]鎖相鎖頻環(huán)技術(shù)。

1 三相并網(wǎng)逆變器[8]的數(shù)學(xué)模型

三相逆變并網(wǎng)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中e1、e2、e3為三相電網(wǎng)電壓，i1、i2、i3為三相變換器輸出電流，v為直流電壓源，d1-d6是6個IGBT，R、L分別為濾波器的電阻和電感。

圖1 三相逆變并網(wǎng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在abc三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型[9]:

(1)

abc三相靜止坐標(biāo)系變?yōu)棣力聝上囔o止坐標(biāo)系的變換矩陣：

(2)

abc三相靜止坐標(biāo)系變?yōu)閐q兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，采用如下的變換矩陣:

(3)

變換后，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

(4)

2 基于雙二階廣義積分鎖頻環(huán)的方法

(5)

(6)

(7)

式中a是Fortescue 算子的特殊形式，表示在瞬時正弦輸入信號中加入基波頻率的相移，值為120°相移。

在三相并網(wǎng)變換器中，研究主要集中于注入電流的正序、負(fù)序分量控制。vabc的各序分量可通過式(2)中變換矩陣表示，因此有:

(8)

將式(5)代入式(6)中，可以得到:

(9)

(10)

最后，通過運(yùn)算這些矩陣，可得到以下表達(dá)式：

(11)

(12)

式中q(q=e-jw/2)是一個90°滯后的移相運(yùn)算，將其應(yīng)用于時域，可獲得輸入波形的交軸分量。

2.1 雙二階廣義積分器三相鎖相環(huán)

圖2 雙二階廣義積分鎖相環(huán)(DSOGI-PNSC-PLL)結(jié)構(gòu)圖

通過雙二階廣義積分器獲得的從不對稱輸入電壓向量到正序分量的傳遞函數(shù)為：

(13)

由于電網(wǎng)頻率比電網(wǎng)相角更加穩(wěn)定，在雙二階廣義積分解耦三相鎖相系統(tǒng)中，頻率反饋環(huán)和相位反饋環(huán)是相互交錯的，會有系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)大和穩(wěn)定時間過長的缺點，因此采用鎖頻環(huán)代替鎖相環(huán)。

2.2 雙二階廣義積分器鎖頻環(huán)

圖3 基于雙二階廣義積分器的鎖頻環(huán)(DSOGI-PNSC-FLL)結(jié)構(gòu)

雙二階廣義積分器鎖頻環(huán)系統(tǒng)中兩個輸入信號vα和vβ具有相同的頻率，使用一個鎖頻環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖3，其中α和β信號發(fā)生器所產(chǎn)生頻率誤差信號可通過計算平均誤差信號的方法進(jìn)行合并：

(14)

雙二階廣義積分器鎖頻環(huán)實現(xiàn)了αβ參考坐標(biāo)上三相電壓的對稱分量解耦估計，同時也實現(xiàn)了電網(wǎng)頻率的估計。

3 系統(tǒng)性能仿真

3.1 算法仿真比較

圖4 鎖頻環(huán)與鎖相環(huán)仿真方式對比

從圖4仿真結(jié)果可得：在系統(tǒng)的動態(tài)過程中，采用鎖頻環(huán)方式的超調(diào)量比采用鎖相環(huán)方式要小，且其穩(wěn)定時間比鎖相環(huán)方式要短；在電網(wǎng)故障情況下，兩種方式都能頻率自適應(yīng)性，頻率精度高?？梢婃i頻環(huán)方式具有超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)精度高，穩(wěn)定時間短，頻率自適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點，從而提高了風(fēng)電并網(wǎng)的有效性和可靠性。

3.2 基于雙二階廣義積分鎖頻環(huán)算法仿真

由二階廣義積分器鎖頻環(huán)所檢測到的各相序的幅值和相角計算為:

(15)

系統(tǒng)仿真圖如圖5所示。

圖5 三相不對稱輸入電壓下的輸出相位和輸出頻率

圖5中的第一個圖顯示了三相不對稱電壓,第二個圖為不對稱輸入電壓下檢測到的正序分量相角和實際相角,該圖顯示雙二階廣義積分器鎖頻環(huán)完全消除了檢測得到相角中的穩(wěn)態(tài)誤差，第三個圖顯示了鎖頻環(huán)所測得的頻率,從圖中可以看出檢測到的頻率無高頻振蕩現(xiàn)象。因此，從仿真結(jié)果可以看出，控制系統(tǒng)采用基于雙二階廣義積分鎖頻環(huán)的控制策略，在電網(wǎng)不對稱電壓條件下能精確的檢測電網(wǎng)電壓的相位和頻率信息，檢測到的頻率無高頻振蕩現(xiàn)象，頻率自適應(yīng)性強(qiáng)。依據(jù)本文中的控制系統(tǒng)，當(dāng)電網(wǎng)電壓不對稱時，仍然能夠并入電網(wǎng)，從而提高了電網(wǎng)的可靠性和有效性。

4 結(jié)束語

風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的順利并網(wǎng)越來越重要，尤其是在三相電壓不對稱的條件下的風(fēng)電并網(wǎng)。本文從三相逆變并網(wǎng)主電路出發(fā)，應(yīng)用雙廣義二階積分鎖頻環(huán)實現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)的精確鎖相，使得在三相電壓不對稱時仍能快速、準(zhǔn)確的跟蹤頻率和相位信息，具有很好的頻率自適應(yīng)性。

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Simulation of the Control System of Wind Power IntegrationBased on Double Second-order Generalized Integral Frequency-locking Loop

XIE Cong,WU Xin-kai, LEI Ya-yun, TANG Ming-miao
(College of Information and Electrical Engineering,Hunan University of Science and Technology, Xiangtan Hunan 411201, China)

The double second-order generalized integrator is adopted to realize phase locking of the wind power integration system, and positive and negative sequence components of the asymmetric grid voltage are detected. As the frequency of the grid is more stable than its phase angle, the double second-order generalized integral frequency-locking loop is chosen for grid-connection of the wind power generation system. Matlab/simulink software is used to simulate the wind power integration system based on the double second-order generalized integral phase-locking loop and frequency-locking loop. The simulation results verify that the response of the frequency-locking loop is smoother than that of the phase-locking loop and that the control system is feasible and effective, ensuring the smooth integration of the wind power generation system.

wind power generation;double second-order generalized integrator; phase lock; frequency-locking loop;simulation

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.015

TM614

A

1000-3886(2015)05-0047-03

謝聰(1989-)，女，湖南婁底人，碩士生，主要研究方向為電力電子及風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)。 吳新開(1956-)，男，湖南婁底人，教授，主要研究方向為電力電子與電氣傳動，半導(dǎo)體制冷技術(shù)、綠色能源及無損檢測技術(shù)。 雷雅云(1991-)，女，湖南常德人，碩士生，主要研究方向為新能源轉(zhuǎn)換與控制。

定稿日期: 2014-10-24