不對(duì)稱(chēng)低電壓下的電網(wǎng)電壓角度檢測(cè)

朱 玲，衛(wèi) 澤，朱 丹，史寧波

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106）

不對(duì)稱(chēng)低電壓下的電網(wǎng)電壓角度檢測(cè)

朱 玲，衛(wèi) 澤，朱 丹，史寧波

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106）

為滿(mǎn)足風(fēng)電機(jī)組低電壓不對(duì)稱(chēng)穿越的要求，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組不對(duì)稱(chēng)控制，需要在電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)跌落情況下分別準(zhǔn)確獲取電網(wǎng)電壓正序和負(fù)序分量的相位、幅值和頻率。在雙dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下理論推導(dǎo)了電壓正序和負(fù)序分量的解耦公式，運(yùn)用軟件鎖相環(huán)得出電網(wǎng)電壓正序和負(fù)序分量的幅值、相位角。最后利用Matlab仿真，驗(yàn)證了該算法具有檢測(cè)準(zhǔn)確、抗干擾和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

不平衡電壓；角度檢測(cè)；軟件鎖相環(huán)；雙dq同步坐標(biāo)系

1 引言

近年來(lái)風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展迅猛，風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量逐年上升，電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響成為了研究重點(diǎn)［1］［2］。風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓角度檢測(cè)是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它的準(zhǔn)確與否直接會(huì)影響機(jī)組的安全運(yùn)行，電網(wǎng)故障下更是如此。傳統(tǒng)電網(wǎng)相位檢測(cè)使用硬件鎖相環(huán)，它的基本原理是采用過(guò)零比較的方法將輸入電壓轉(zhuǎn)換為方波，送入鎖相環(huán)（PLL）芯片，與控制系統(tǒng)內(nèi)部同步信號(hào)進(jìn)行比較，改變系統(tǒng)內(nèi)部同步信號(hào)的頻率和相位，使之與電網(wǎng)電壓一致。由于電網(wǎng)電壓一個(gè)周期內(nèi)只有兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)，采樣環(huán)節(jié)為抑制干擾使用濾波環(huán)節(jié)，這些都嚴(yán)重限制了檢測(cè)速度［3］［4］。當(dāng)電網(wǎng)電壓深度跌落，尤其是零電壓跌落時(shí)更難以檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)。隨著DSP、FPGA等高速處理芯片的發(fā)展，軟件鎖相環(huán)（SPLL）大大提高了鎖相性能。SPLL是基于同步坐標(biāo)系跟蹤電網(wǎng)電壓的正序分量，有效鎖出電網(wǎng)電壓的頻率、相位及幅值檢測(cè)。然而當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)負(fù)序分量，SPLL則不能準(zhǔn)確獲得電網(wǎng)電壓相位、幅值信息［5］［6］［7］。

目前，我國(guó)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)要求規(guī)定：并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí)應(yīng)能夠保持并網(wǎng)運(yùn)行625ms的低電壓穿越能力，并在2s之內(nèi)能夠恢復(fù)到90%的負(fù)荷。電網(wǎng)不對(duì)稱(chēng)跌落下，實(shí)現(xiàn)機(jī)組不對(duì)稱(chēng)控制需要迅速準(zhǔn)確檢測(cè)出電壓矢量正序和負(fù)序分量的相位角及幅值。因此傳統(tǒng)的硬件鎖相環(huán)和SPLL都不能滿(mǎn)足不對(duì)稱(chēng)跌落下電網(wǎng)電壓的檢測(cè)要求。本文在SPLL基礎(chǔ)上，提出一種基于雙dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的鎖相方法，理論推導(dǎo)了其模型依據(jù)，通過(guò)建模仿真和裝置試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法可以迅速將不平衡電壓的正序和負(fù)序分量有效分離，分別檢測(cè)出正序電壓和負(fù)序電壓的相位、幅值。

2 基于雙dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的鎖相環(huán)原理

傳統(tǒng)SPLL將三相電網(wǎng)電壓由三相靜止坐標(biāo)系變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，考慮不對(duì)稱(chēng)電壓含有正序分量和負(fù)序分量，參考SPLL鎖相方法，可建立以ω′正向旋轉(zhuǎn)的正序d+q+同步坐標(biāo)系和以ω′反向旋轉(zhuǎn)的負(fù)序d-q-同步坐標(biāo)系，將電壓正序分量和負(fù)序分量分別變換至正序d+q+同步坐標(biāo)系和負(fù)序d-q-同步坐標(biāo)系，如圖1所示。其中d+q+坐標(biāo)系以ω′逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，角度為θ′，d-q-坐標(biāo)系以ω′順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，角度為-θ′。

圖1 雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

電壓矢量Us可分解為正序分量U和負(fù)序分量U，在ω′正向旋轉(zhuǎn)的正序d+q+同步坐標(biāo)系下，Us電壓矢量可表示為：

以ω′反向旋轉(zhuǎn)的負(fù)序d-q-同步坐標(biāo)系下，Us電壓矢量可表示為：

當(dāng)電網(wǎng)電壓相位鎖住后，有ωt≈θ′，ωt-θ′≈0，ωt+θ′≈2ωt。式（2）、式（3）、式（5）、式（6）可簡(jiǎn)化為：

基于電壓矢量定向，將電壓正序分量定向在正序d+q+同步坐標(biāo)系的d軸，此時(shí)有U=0、φ=0；若使負(fù)序d-q-同步坐標(biāo)系的d軸與負(fù)序分量重合，則φ=0、U=0，方便負(fù)序控制處理。由式（7）可看出，d+q+坐標(biāo)中的系倍頻振蕩量取決于d-q-坐標(biāo)系的直流量，d-q-坐標(biāo)系中的系倍頻振蕩量取決于d+q+坐標(biāo)系的直流量，為抑制振蕩，采用如圖2所示的解耦網(wǎng)絡(luò)。

圖2 雙同步坐標(biāo)解耦下鎖相環(huán)原理圖

3 Matlab建模與仿真

在Matlab中建立如圖2所示的基于雙dq同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)模型，690V三相電壓源系統(tǒng)在0.2s-0.6s發(fā)生15%不同程序AB相間短路，經(jīng)鎖相環(huán)檢測(cè)得到的正序角度、負(fù)序角度、電壓正序和負(fù)序分量幅值如圖3（a）、圖3（b）所示。

圖3 15%兩相短路時(shí)的檢測(cè)圖形

圖中顯示檢測(cè)的電壓正序分量和負(fù)序分量均為直流，隨跌落深度逐漸增大。正序q軸分量和負(fù)序q軸分量均為0，與雙dq軸定向一致。電壓相位在跌落瞬間有稍許抖動(dòng)，跌落期間沒(méi)有突變。綜上所述，基于雙dq同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)在電網(wǎng)分別75%，15%不對(duì)稱(chēng)跌落下工作性能良好，準(zhǔn)確的檢測(cè)出電壓正負(fù)序分量。

在0.1s-0.6s向電網(wǎng)電壓中注入150V的5次諧波，0.2s-0.5s發(fā)生15%不對(duì)稱(chēng)跌落，仿真波形如下：

圖4（a）中0.1s-0.2s電網(wǎng)電壓含150V的五次諧波，此時(shí)電壓相位沒(méi)有明顯變化，電壓正負(fù)序分量平均值與電網(wǎng)電壓正常時(shí)相等，但高頻小幅振蕩；0.2s-0.5s期間電網(wǎng)電壓含150V的五次諧波并且發(fā)生15%不對(duì)稱(chēng)跌落，此時(shí)電網(wǎng)電壓相角沒(méi)有變化，跌落瞬間有些抖動(dòng)，對(duì)比圖3（b）和圖4（b），正負(fù)序分量除了因諧波造成振蕩外平均值基本一致。

圖4 5次諧波15%兩相短路時(shí)檢測(cè)圖形

4 結(jié)論

本文簡(jiǎn)述了傳統(tǒng)的電壓角度檢測(cè)方法，針對(duì)其僅適用于正常的電網(wǎng)電壓情況，提出一種基于雙dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的雙重定向軟件鎖相環(huán)，理論研究了該模型依據(jù)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示電網(wǎng)故障和非故障下該鎖相環(huán)都能準(zhǔn)確而快速的鎖住電壓相位，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)正負(fù)序電壓矢量雙重定向，檢測(cè)出其幅值大小，為風(fēng)機(jī)不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行下的控制提供了依據(jù)。

［1］蔚蘭，陳國(guó)呈，曹大鵬等.雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)網(wǎng)側(cè)變換器低電壓穿越控制策略［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011（7）：37-43.

［2］楊堤，程浩忠，馬紫峰等.基于儲(chǔ)能技術(shù)提高風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的分析和展望［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2015（12）.

［3］江道灼，馬進(jìn)，章鑫杰.鎖相環(huán)在電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置中的應(yīng)用［J］.繼電器，2000，28（8）：43-45.

［4］羅小莉，楊宇.動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問(wèn)題檢測(cè)方法［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2007（1）：115-118.

［5］Escobar G，Ho C N M，Pettersson S，et al.Cascade threephase PLL for unbalance and harmonic distortion operation （CSRF-PLL）［C］.Industrial Electronics Society，IECON 2014-40th Annual Conference of the IEEE.IEEE，2014：5489-5493.

［6］洪小圓，呂征宇.基于同步參考坐標(biāo)系的三相數(shù)字鎖相環(huán)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，11（27）：203-209.

［7］Feola L，Langella R，Testa A.On the Effects of Unbalances，Harmonics and Interharmonics on PLL Systems［J］.IEEE Transactions on Instrumentation&Measurement，2013，62 （62）：2399-2409.

［8］陳國(guó)棟，朱淼，蔡旭等.一種軟件鎖相環(huán)和電壓跌落檢測(cè)新算法［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014（25）：4385-4394.

Voltage angle detection of power grid under asymmetric low voltage

ZHU Ling，WEI Ze，ZHU Dan，SHI Ning-bo
（NARI Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China）

In order to meet the requirements of low voltage asymmetric ride through for wind turbine and to achieve the asymmetric control of wind turbines，it is necessary to respectively obtain the accurate phase，amplitude and frequency of the positive and negative sequence component of the grid voltage under symmetric and asymmetric conditions.The decoupling formula of the voltage positive and negative sequence component is deduced under the double synchronous reference frame，and the software PLL is used to achieve the amplitude and phase of the positive and negative grid voltage component.It is demonstrated by Matlab simulation that this algorithm has the advantages of accurate detection，anti-interference and strong adaptability.

unbalanced voltage；angle detection；software PLL；double synchronous coordinate

TP273

A

1005—7277（2016）03—0054—04

朱 玲（1986-），女，江蘇泰州人，研究生，工程師，專(zhuān)業(yè)方向?yàn)殡娏﹄娮釉谛履芰恐械膽?yīng)用。

2016-03-09