基于雙二階廣義積分鎖相的風電并網系統仿真

謝　聰，吳新開，雷雅云

（湖南科技大學 信息與電氣工程學院，湖南湘潭411201）

基于雙二階廣義積分鎖相的風電并網系統仿真

謝聰，吳新開，雷雅云

（湖南科技大學 信息與電氣工程學院，湖南湘潭411201）

采用雙二階廣義積分實現風力發電并網逆變系統的鎖相，檢測出不對稱電網電壓中的正序和負序分量。因為電網頻率比電網相角更加穩定，應用基于雙二階廣義積分的鎖頻環。利用Matlab/Simulink軟件對基于雙廣義二階積分鎖相環和鎖頻環的風力發電并網系統進行仿真，仿真結果證明鎖頻環比鎖相環具有更加平滑的響應，驗證了控制系統的可行性和有效性，保證風力發電系統的順利并網。

風力發電；雙二階廣義積分器（DSOGI）；鎖相；鎖頻環（FLL）

1　引言

近年來，資源枯竭的窘境愈發明顯，而風能是一種清潔、安全的選擇［1］。實際中，風能具有不穩定性，風力發電機發出的電壓頻率、幅值、相位都是會隨時發生變化的，所以，風電并網技術十分重要。

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

在實現風力發電系統并網時，需要對系統實行精確鎖相。傳統的過零點檢測三相電壓相位法，由于網側電壓在過零點存在毛刺，檢測會存在很大誤差。文獻［4］提出的單同步坐標鎖相環不能實現對三相不平衡電壓的精確鎖相。文獻［5］提出的雙同步參考坐標系鎖相環雖然在不對稱故障下仍能保證準確的電網同步，但是其解耦結構主要針對消除負序基頻分量影響，因此其抵抗低次諧波擾動能力比較弱。本系統應用基于雙廣義二階積分［6-7］鎖相鎖頻環技術。

2　三相并網逆變器［8］的數學模型

三相逆變并網的主電路拓撲結構如圖1所示，其中e1、e2、e3為三相電網電壓，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　三相逆變并網主電路拓撲結構

在abc三相靜止坐標系下的數學模型［9］為：

abc三相靜止坐標系變為αβ兩相靜止坐標系的變換矩陣為：

abc三相靜止坐標系變為dq兩相旋轉坐標系，采用如下的變換矩陣：

變換后，在兩相旋轉坐標系下的數學模型為：

3　基于雙二階廣義積分鎖頻環的方法

雙二階廣義積分器鎖頻環通過基于二階廣義積分器自適應濾波器獲得暫態對稱分量［10-11］，3個不對稱正弦波形電壓向量vabc根據下列的變換分解為瞬時正序、負序和零序分量，即

式中：a為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，等值為120°相移。

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

將式（5）代入式（6）中，可以得到：

應用變換逆矩陣［Tαβ］-1，有：

最后，通過運算這些矩陣，可得到以下表達式：

式中：q（q=e-jw/2）為一個90°滯后的移相運算，將其應用于時域，可獲得輸入波形的交軸分量。

圖2　雙二階廣義積分鎖相環（DSOGI-PNSC-PLL）結構圖

3.1雙二階廣義積分器三相鎖相環

雙二階廣義積分器的三相鎖相環結構如圖2所示，兩個二階廣義積分器-正交信號發生器分別為輸入向量中的α和β分量產生直軸和交軸信號，例如v′α、v′β、qv′α和qv′β。這些信號作為正/負序分量計算模塊（PNSC）的輸入，正/負序分量計算模塊計算αβ軸上各序分量的方法由式（11）和（12）計算給出，經過PNSC計算解耦得到基頻正序和負序分量，通過鎖相環檢測基頻正序分量的相位和頻率。

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為：

由于電網頻率比電網相角更加穩定，在雙二階廣義積分解耦三相鎖相系統中，頻率反饋環和相位反饋環是相互交錯的，會有系統響應超調大和穩定時間過長的缺點，因此采用鎖頻環代替鎖相環。

3.2雙廣義二階積分器鎖頻環

雙二階廣義積分器鎖頻環系統中兩個輸入信號vα和vβ具有相同的頻率，使用一個鎖頻環結構圖如圖3所示，其中α和β信號發生器所產生頻率誤差信號可通過計算平均誤差信號的方法進行合并：

雙二階廣義積分器鎖頻環實現了αβ參考坐標上三相電壓的對稱分量解耦估計，同時也實現了電網頻率的估計。

圖3　基于雙二階廣義積分器的鎖頻環（DSOGI-PNSC-FLL）結構

4　系統性能仿真

4.1算法仿真比較

為了驗證雙二階廣義積分器鎖相環和鎖頻環算法，利用Matlab/Simulink搭建系統仿真模型進行仿真。分別采用鎖頻環和鎖相環作為頻率反饋的方法，設計雙二階廣義積分器結構的頻率輸入值ω。有以下兩種方式：第一種采用鎖相環輸出頻率值；第二種采用鎖頻環輸出頻率值。仿真參數設置為：雙二階廣義積分器正交信號發生器增益設為，鎖頻環和鎖相環的穩定時間設為ts= 100ms，可以得出kp=9.2/ts，ki=（4.6/ζts）2，Γ=4.6/ts，因此可以求得鎖相環的kp=92，ki=4225；鎖頻環標準化增益Γ≈-92。如圖4所示為鎖頻環與鎖相環仿真方式對比。圖4中0到0.2s為理想的50Hz平衡三相電壓，0.2s到 0.35s之間理想電壓基礎上加上0.3pu的負分量，0.35s到0.5s為在之前時刻負序分量時頻率躍變到54Hz。

圖4　鎖頻環與鎖相環仿真方式對比

從圖4仿真結果可知，系統的動態過程中，采用鎖頻環方式的超調量比采用鎖相環方式要小，且其穩定時間比鎖相環方式要短；在電網故障情況下，兩種方式均具有頻率自適應性，頻率精度高。可見鎖頻環方式具有超調量小，穩態精度高，穩定時間短，頻率自適應性強的優點，從而提高了風電并網的有效性和可靠性。

4.2基于雙廣義二階積分鎖頻環算法仿真

三相輸入電壓發生相與相間故障造成三相不平衡時的逆變并網仿真如圖5所示。三相輸入電壓幅值為1.0pu，電壓跌落為v+1=0.5∠-30°和v-1= 0.25∠+60°，雙二階廣義積分器正交信號發生器增益，鎖頻環增益設置為Γ=100，此時整定時間為45ms。

圖5　三相不對稱輸入電壓下的輸出相位和輸出頻率

從仿真結果可以看出，控制系統采用基于雙二階廣義積分鎖頻環的控制策略，在電網不對稱電壓條件下能精確檢測電網電壓的相位和頻率信息，檢測到的頻率無高頻振蕩現象，頻率自適應性強。依據本文中的控制系統，當電網電壓不對稱時，仍然能夠并入電網，從而提高了電網的可靠性和有效性。

5　結束語

風力發電的發展，實現風力發電的順利并網越來越重要，尤其是在三相電壓不對稱的條件下的風電并網。本文從三相逆變并網主電路出發，應用雙廣義二階積分鎖頻環實現風電系統的精確鎖相，使得在三相電壓不對稱時仍能快速、準確地跟蹤頻率和相位信息，具有很好的頻率自適應性。

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Simulation of grid-connected wind power system based on double second-order generalized integral phase lock

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

By using the double second-order generalized integral to realize the phase locking of grid-connected wind power inverter system，the positive and negative sequence component of unbalanced grid voltage can be detected.Because the grid frequency is more stable than the phase angle of the power grid，PLL based on double second-order generalized integral is adpoted.The grid-connected wind power system based on double secondorder generalized integral PLL and frequency locked loop is simulated by using Matlab/Simulink software.The simulation results show that frequency-locked loop has more smooth response than the phase-locked loop，it verifies that this control system is feasible and effective，and ensures the smooth interconnection of the wind power system.

wind power generation；double second-order generalized integrator（DSOGI）；phase lock；frequency lock loop（FLL）

TM712

A

1005—7277（2015）02—0001—05

謝聰（1989-），女，湖南婁底人，碩士研究生，研究方向為電力電子及風力發電并網技術。

2014-12-04

吳新開（1956-），男，湖南漣源人，教授，研究方向為電力電子與電氣傳動，半導體制冷技術、綠色能源及無損檢測技術。