海上風(fēng)電場電網(wǎng)不平衡時鎖相環(huán)的研究及仿真

岳婧儀

摘? ?要：在大功率風(fēng)能并網(wǎng)中，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時，準確檢測電網(wǎng)的相位對于保證可靠并網(wǎng)、保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重要的作用。針對電網(wǎng)電壓不平衡、有諧波、相位突變等情況，本文采用雙同步坐標(biāo)軟件鎖相環(huán)，將處于三相靜止坐標(biāo)系中的三相電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換到正負序d-q雙同步坐標(biāo)系上，再對正負序電壓分量之間進行解耦，同時，利用低通濾波器實現(xiàn)諧波的濾除。MATLAB仿真表明雙同步坐標(biāo)軟件鎖相環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)不平衡電壓、相位突變、有諧波情況下的快速準確鎖相。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)力發(fā)電;電網(wǎng)不平衡;并網(wǎng)逆變;鎖相環(huán)

1? ? 鎖相環(huán)技術(shù)概述

為了應(yīng)對能源短缺和減少環(huán)境污染，風(fēng)力發(fā)電逐漸受到重視。風(fēng)力發(fā)電具有清潔、環(huán)保、可再生等特點。其中，海上風(fēng)力發(fā)電由于風(fēng)速穩(wěn)定、發(fā)電量大、空間廣闊、干擾小等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注。但是與陸上風(fēng)電場相比，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)會給系統(tǒng)帶來電壓波動、電壓閃變、諧波等電能質(zhì)量問題，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行。所以，需要利用鎖相環(huán)技術(shù)準確快速地檢測電網(wǎng)電壓的頻率、相位和幅值，保證并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

鎖相環(huán)技術(shù)主要包括單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)（SSRF SPLL）和解耦雙同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)（DDSRF SPLL）。當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時，由于電網(wǎng)電壓存在負序分量，SSRF SPLL不能很好地對電網(wǎng)電壓進行檢測。DDSRF SPLL是對電網(wǎng)電壓的正負序分量分別進行檢測，所以，在電網(wǎng)非理想工況下也能夠快速準確地跟蹤電網(wǎng)電壓幅值、相位和頻率的變化。

研究采用雙同步軟件鎖相環(huán)，將處于三相靜止坐標(biāo)系中的三相電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換到正負序d-q雙同步坐標(biāo)系上，再對正負序電壓分量之間進行解耦，通過對正負序分量的分別檢測，同時利用低通濾波器實現(xiàn)諧波的濾除，對電網(wǎng)電壓得幅值、相位和頻率的變化進行跟蹤。

2? ? 雙同步坐標(biāo)軟件鎖相環(huán)的工作原理

DDSRF-SPLL包含兩個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其中一個坐標(biāo)系用來檢測電網(wǎng)電壓的正序分量us+1，而另一個坐標(biāo)系用來檢測電壓的負序分量us-1。而電網(wǎng)電壓由正序電壓分量us+1，負序分量us-1，和零序電壓分量us0合成，如公式1所示：

us=us+1+us-1+us0 （1）

由于要通過clarke變換將三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為α-β坐標(biāo)系，而在坐標(biāo)變換中，零序電壓分量在變換中相互抵消為零。電網(wǎng)電壓在鎖定時，θ'≈ωt+φ+1，所以經(jīng)過park變換，us在d-q雙同步坐標(biāo)系中可以表示為：

由式（2）可知，正序電壓分量與負序電壓分量之間存在著耦合關(guān)系，為了消除耦合干擾，必須對其進行解耦，解耦后如公式3所示：

DDSRF SPLL的整體控制框圖如圖1所示，abc/dq+和abc/dq-分別表示由abc坐標(biāo)系到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換過程，LPF為低通濾波器，通過提取電壓正序分量，使q軸分量uq*+1=0，從而實現(xiàn)正確鎖相。

3? ? 仿真模型建立

為了驗證DDSFR-SPLL的性能，需要用matlab/simulink對并網(wǎng)逆變的整體結(jié)構(gòu)進行仿真搭建，箝位二極管三電平逆變電路有3個橋臂，一個橋臂上有4個全控型器件、4個續(xù)流二極管和兩個箝位二極管。

對鎖相環(huán)部分的仿真如圖2所示。整個系統(tǒng)采用直流分布式并網(wǎng)方案，采用一種二極管不可控整流+直流斬波+三電平并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。

4? ? 仿真結(jié)果分析

本設(shè)計以6臺風(fēng)力發(fā)電機組成額定傳輸功率為30 MW的系統(tǒng)，每臺機組的額定功率為5 MW，仿真算法采用變步長ode23 tb。當(dāng)電網(wǎng)電壓為三相對稱電壓時，仿真分別給出了在電壓跌落和注入諧波情況下鎖相環(huán)的對比分析，從而驗證鎖相環(huán)性能。

4.1? 單相電壓跌落

對某一相電壓突然為0的情況進行仿真，結(jié)果如圖3所示，0～0.02 s為對稱的三相交流電壓。當(dāng)0.02 s時，a相電壓變?yōu)?，此時雙同步坐標(biāo)軟件鎖相環(huán)對電網(wǎng)電壓的幅值相位頻率均能夠做到快速鎖相。

4.2? 三相電壓注入諧波

研究三相平衡電網(wǎng)電壓突然注入諧波的情況，0～0.02 s時電網(wǎng)電壓處于平衡狀態(tài)，當(dāng)0.02～0.2 s時，a相注入10%的5次正序諧波分量，b相注入10%的2次負序諧波分量，仿真結(jié)果如圖4所示，當(dāng)電網(wǎng)電壓存在大量諧波的情況下電網(wǎng)電壓均能夠快速跟蹤電網(wǎng)電壓相位。

（a）電網(wǎng)電壓突變

（b）鎖相環(huán)輸出頻率

（c）鎖相環(huán)輸出角度

（a）三相電壓注入諧波

（b）直流電壓d軸分量

（c）鎖相環(huán)輸出角度

5? ? 結(jié)語

風(fēng)電并網(wǎng)過程需要鎖相環(huán)準確快速地檢測電網(wǎng)電壓的頻率、相位和幅值，以控制逆變器的不同工作狀態(tài)，保證并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。傳統(tǒng)的單同步坐標(biāo)軟件鎖相環(huán)只能在電網(wǎng)電壓平衡時對電網(wǎng)電壓準確鎖相?？紤]到海上風(fēng)電并網(wǎng)過程中電壓可能不平衡的特點，本研究利用matlab/simulink軟件對雙同步軟件鎖相環(huán)進行了設(shè)計、分析和仿真。結(jié)果表明，DDSRF-SPLL在平衡與以及多種不平衡電網(wǎng)電壓情況下，都能夠?qū)﹄娋W(wǎng)電壓的幅值、相位和頻率進行很好的檢測，驗證了理論的正確性和有效性。

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