基于光伏并网逆变系统的改进锁相环设计.pdf

第４３卷第２期２０１５年１月１６日电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＶｂ１．４３ＮＯ．２Ｊａｎ．１６．２０１５基于光伏并网逆变系统的改进锁相环设计赵贵龙，曹玲玲，祝龙记（安徽理工大学电气与信息学院，安徽淮南２３２００１）摘要：针对光伏并网系统中的传统锁相环在电网电压不平衡的情况下存在的锁相精度不高的问题，提出了一种能快速、精确地提取电网电压相位的一种双二阶广义积分锁相环（ＤＳＯＧＩ－ＳＰＬＬ）。系统通过采用ＸＫ＿－－阶广义积分和标准的三相锁相环有效地过滤电网电压负序分量，从而提取出电网电压正序分量，达到精确检测电网电压正序分量的相位的目的。最后，对电网电压两相跌落和三相不平衡跌落分别进行仿真，采用ＤＳＰ样板对仿真进行验证。仿真实验结果表明，该锁相环能够向并网逆变器提供更精确的控制基准，提高了并网发电系统并网的稳定性和有效性。关键词：光伏；并网；不平衡；锁相环；正序；负序ＩｍｐｒｏｖｅｄＰＬＬｄｅｓｉｇｎｏｆＰＶｇｒｉｄｉｎｖｅｒｔｅｒｓｙｓｔｅｍＺＨＡＯＧｕｉｌｏｎｇ，ＣＡＯＬｉｎｇｌｉｎｇ，ＺＨＵＬｏｎ￣ｉ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ２３２００１，Ｃｈｉｎａ）——Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａＰＬＬｂａｓｅｄｏｎｄｏｕｂｌｅｓｅｃｏｎｄｏｒｄｅｒｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｉｎｔｅｇｒａｌ（ＤＳＯＧＩＰＬＬ）ｏｆａｂｓｔｒａｃｔｉｎｇｇｒｉｄｖｏｌｔａｇｅｐｈａｓｅｑｕｉｃｋｌｙａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙｆｏｒｌｏｗａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｓｌｏｗｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＰＬＬｉｎｔｈｅｃａｓｅｏｆｔｈｅｕｎｂａｌａｎｃｅｄｇｒｉｄ—ｖｏｌｔａｇｅｉｎｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄＰＶｓｙｓｔｅｍｓ．Ｉｔｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｅｘｔｒａｃｔｔｈｅｇｒｉｄｖｏｌｔａｇｅｐｏｓｉｔｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｂｙｕｓｉｎｇｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｉｎｔｅｇｒａｌａｎｄｓｔ—ａｎｄａｒｄｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒｂｕｉｌｄｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆ—ｏｒｔｗｏｐｈａｓｅｇｒｉｄｖｏｌｔａｇｅｄｒｏｐａｎｄｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｇｒｉｄｖｏｌｔａｇｅｕｎｂａｌａｎｃｅｄｄｒｏｐ，ａｎｄｔｈｅｎｕｓｅｓＤＳＰｔｏｖｅｒｉｆｙｉｔ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＰＬＬＣａｎｐｒｏｖｉｄｅｍｏｒｅｐｒｅｃｉｓｅｃｏｎｔｒｏｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆ—ｏｒｔｈｅｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｂｙｗｈｉｃｈｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｇｒｉｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓａｒｅｉｍｐｒｏｖｅｄ．—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ；ｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄ；ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ；ＰＬＬ；ｐｏｓｉｔｉｖｅ；ｎｅｇａｔｉｖｅ中图分类号：ＴＭ７４３文献标识码：Ａ——文章编号：１６７４３４１５（２０１５）０２０１０８－０５０引言随着能源危机的日益加重，太阳能并网发电技术引起了越来越多的关注。当光伏并网逆变系统向电网馈电时，并网逆变器是可再生能源并网的重要…接口。随着可再生能源渗透率的不断提高，并网逆变器在配电网中的地位越来越突出［２－３］，尤其当电网电压不平衡时，并网逆变器的控制策略尤为重要。电网电压相位等信息是并网逆变器的参考基准，锁相环ｆＰＬＬ）是当前使用最广泛的相位检测方法，对于整个光伏并网控制系统至关重要Ｌ４Ｊ。因而，锁相环结构的研究具有重要意义。文献［５］通过低通滤波器分离基波分量，再利用传统锁相环进行锁相，这种方法会造成幅值衰减、相角漂移等误差。文献【６】通过增加自适应观测器基金项目：安徽省教育厅重点科研项目（ＫＪ２０１３Ａ０８４）（ＦＲＦ）来锁定电网电压相位，该方法能有效地克服电网电压不平衡故障，但算法比较复杂。文献［７］采用基于单ｄ．ｑ变换的锁相环进行锁相，在电网电压平衡时，能够精确锁相；然而在电网电压不平衡时，锁相产生了振荡，不能有效地完成锁相。因此，针对传统ｄ．ｑ锁相环在电网电压不平衡时不能精确地检测电网电压相位的问题，文章提出一种基于ｄ．ｑ变换的双二阶广义积分锁相环ｆＤＳＯＧＩ．ＳＰＬＬ）。系统通过采用两个二阶广义积分（ＳＯＧＩ）单元来提取出电网电压正序分量，将得到的正序分量作为锁相环的参考基准。１传统ｄ－ｑ锁相环【】图１为ｄ－ｑ旋转变换电压矢量图，图２为常用ｇ锁相环的系统原理图。在理想状态下，设电网电压幅值为，由图ｌ、图２可知，ａ、ｂ、Ｃ坐标系的电网电压可表示为式（１）。赵贵龙，等基于光伏并网逆变系统的改进锁相环设计．１０９一图１ｄ－ｑ旋转变换电压矢量图Ｆｉｇ．１ｄ－ｑｒｏｔａｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｖｏｌｔａｇｅｖｅｃｔｏｒ图２ｇ锁相环原理图Ｆｉｇ．２ｄ－ｑＰＬＬｓｃｈｅｍａｔｉｃｓ］，『ｃｏｓ（耐）］（倒）Ｊ１２２）］ｌＵｂ（）Ｊ＝ｌ“Ａｔ）．Ｊ其次，对式（２）进行Ｐａｒｋ变换，得［；］＝一ｃｏｉｓｎ０ｃ￣。ｉｎＯ］ｌ［ｕｏＪ］＝ＵＬＶｃｏｉｎｓ（耐ｃｏｔ一－Ｏ）］用ＳＯＧＩ结构实现相序分离和滤波功能，其结构图如图３所示。———’—’——’—————‘——‘——‘—‘———————’———’—’————ｒ。。。。。。。。。。１『篓］＝［］＝『曼］［囊］ｒｈＪ．２ｎ１．．√３式中，：ｅ了：一一＋｛。Ｆｕｚ］＝一Ｆｕ：ｌ＝［］［］［『－ｑ］Ｆｕｏ］式中，ｑ＝ｅＪｉ。从而得到电网电压正序分量为（２）：＝１（一ｇ）＝（ｇ＋）（３１３ＤＳＯＧＩ—ＳＰＬＬ结构由式（３）可知，在未锁相时，Ｕ、均为交流分量，Ｕ表示有功分量，甜表示无功分量，Ａ０＝ＣＯｔ一０为相角误差（为电网电压相角，为锁相环输出相角），当Ａ００时，即完成锁相功能。２二阶广义积分器（ＳＯＧＩ一方面，电网电压不平衡时，电网电压含有负序分量。另一方面，分析表明，电压不平衡会使得相电压含有２倍频分量，需要进行滤波处理。系统采（７）（８）通过第２节和第３节的详细分析，针对电网电压不平衡故障，文章设计了一种基于ｄ－ｑ变换的双二阶广义积分锁相环（ＤＳＯＧＩ．ＳＰＬＬ）结构模型，如图４所示。锁相过程：（１）电网电压首先进行Ｃｌａｒｋ变换得到坐标系下的Ｕ；（２）然后将、ｚｆ分别送入两个ＳＯＧＩ结构，提取电网电压正序分量甜：和；（３）再对电网电压正序分量进行滤波；（４）最后将滤“波后的电网电压正序分量和送入基于ｄ－ｑ坐标系的锁相环，作为锁相环的参考基准。＼、，、，一２５一一一２一２１０．１１０．电力系统保护与控制由坐＇．标系厂可锁棚ｌ蚓：图４新型锁相环结构图Ｆｉｇ．４ＩｍｐｒｏｖｅｄＰＬＬｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍ４仿真实验结果４．１仿真结果为了验证ＤＳＯＧＩ．ＳＰＬＬ结构的可行性，文章在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下搭建了仿真模型，对传统ｄ－ｑ锁相环和ＤＳＯＧＩ．ＳＰＬＬ在电网故障时的并网同步性能分别进行了仿真。假定电网电压基波幅值为２２０Ｖ，在０－０．０５Ｓ内，电网电压为理想状态；在“０．０５～０．１５Ｓ内，＾＝０．５Ｐ．ｕ．、＝０．５Ｐ．Ｕ．，女日图５（ａ）所示。传统ｄ－ｑ锁相环输出电压跌落深度不受并网２ｎ０ｆａ村Ｉ对称跌落电嘲电¨—－—————０Ｏ００．０５０１００．１５ｔ／ｓ（ｂ）传统锁相环输｝｝｛相位ｌＩ——－－！－一－／－｛＿一————上．——：ｌ：：｛＿＿＼；Ｌｔ／ｓ（ｃ）ＤＳＯＧＩ－ＰＬＬ输出相位图５两相电压跌落仿真波形—Ｆｉｇ．５Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｔｗｏｐｈａｓｅｇｒｉｄｖｏｌｔａｇｅｄｒｏｐ系统控制，产生了较大误差，如图５（ｂ）所示；—ＤＳＯＧＩＰＬＬ依然能够精确地检测到电网电压的相位，如图５（ｃ）所示。同样，假定电网电压基波幅值为２２０Ｖ，在０～０．０５Ｓ内，电网电压为理想状态；在０．０５～０．１５Ｓ“…内，＝１．０Ｐ－ｕ＿、Ｕｂ＝Ｏ．５ＰＵＵｃ＝０．８Ｐ．ｕ＿，如６（ａ）所示。传统ｄ－ｑ锁相环锁相失败，如图６（ｂ）所示；—ＤＳＯＧＩＰＬＬ仍然能够很好地跟随电网电压相位，如图６（ｃ１所示。ｔ／ｓｆａ１三桶不对称跌落电网电压一：：７／ＩｆＩ，－－——．ＬＩ／一—Ｉ，，Ｉ｜｛１Ｔ一，Ｉ／ｌ／／／／ｆｓｆｃ）改进锁十Ｈ环输出何图６三相不对称跌落仿真波形Ｆｉｇ．６Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｇｒｉｄｖｏｌｔａｇｅｕｎｂａｌａｎｃｅｄｄｒｏｐ由仿真图５（ｂ）、图６（ｂ）可知，传统ｄ－ｑ锁相环在０－０．０５Ｓ内能够有效地锁相，但在０．０５～０．１５Ｓ内出现了抖动，并且频率也发生了变化；而仿真图５（ｃ）、图６（ｃ）表明，ＤＳＯＧＩ．ＳＰＬＬ在０－０．１５Ｓ内都能快速、精确地检测到电网电压相位，几乎不受电网电压跌落故障的影响。总之，（１）在三相电压平衡条件下，—传统ｄ－ｑ锁相环和ＤＳＯＧＩＳＰＬＬ都能准确地检测到电网电压的相位；（２）在三相电压不平衡（两相跌落、不对称跌落）条件下，传统ｄ－ｑ锁相环不能准确锁相，—但ＤＳＯＧＩＳＰＬＬ依然能够很好地跟踪电网电压相一１１２一电力系统保护与控制［４］［５］［６］［７］龚锦霞，解大，张延迟．三相数字锁相环的原理及性—能［Ｊ］．电工技术学报，２００９，２４（１０）：９４９９，１２１．ＧＯＮＧＪｉｎｘｉａ，ＸＩＥＤａ，ＺＨＡＮＧＹａｎｃｈｉ．Ｐｒｉｎｃｉｐａｌａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅ－－ｐｈａｓｅｄｉｇｉｔａｌｐｈａｓｅ－－ｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，［８］—２００９，２４（１０）：９４９９，１２１．ＣＡＲＵＧＡＴＩＩ，ＭＡＥＳＴＲＩＳ，ＤＯＮＡＴＯＰＧｅｔａ１．ＶａｒｉａｂｌｅｓａｍｐｌｉｎｇｐｅｒｉｏｄｆｉｌｔｅｒＰＬＬｆｏｒｄｉｓｔｏｒｔｅｄ—ｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１２，２７（１）：３２１３３０．霍现旭，胡书举，许洪华．电网不平衡下基于自适应观测器的锁相环研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１３，４１（１５、：１２０－１２５．—ＨＵＯＸｉａｎｘｕ，ＨＵＳｈｕｊｕ，ＸＵＨｏｎｇｈｕａ．Ｐｈａｓｅｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄｏｎａｄａｐｔｉｖｅｏｂｓｅｒｖｅｒｕｎｄｅｒｕｎｂａｌａｎｃｅｄｇｒｉｄｖｏｌｔａｇｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙ￣ｅｍ—ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１３，４１（１５）：１２０１２５．陈明亮，肖飞，刘勇，等．一种正负序分离锁相环及其在并网型风力发电系统中的应用［Ｊ］．电工技术学报，２０１１，２８（８）：１８１－１８６．ＣＨＥＮＭｉｎｇｌｉａｎｇ，ＸＩＡＯＦｅｉ，ＬＩＵＹｏｎｇ，ｅｔａ１．Ａｐｏｓｉｔｉｖｅ—ａｎｄｎｅｇａｔｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎＰＬＬａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｗｉｎｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆ—ＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１１，２８（８）：１８１１８６．王颢雄，马伟明，肖飞，等．双ｄ－ｑ变换软件锁相环的数学模型研究【Ｊ］．电工技术学报，２０１１，２６（７）：２３７－２４１．ＷＡＮＧＨａｏｘｉｏｎｇ，ＭＡ￣ｅｉｍｉｎｇ，ＸＩＡＯＦｅｉ，ｅｔａ１．Ｓｔｕｄｙｏｆｍｏｄｅｌｏｆｓｏｆｔｗａｒｅｐｈａｓｅｌｏｃｋｅｄ－ｌｏｏｐｂａｓｅｄｏｎ—ｄｕａｌ－ｄｑｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｔｒａｎｓｆｏｒｍ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１１，２６（７）：２３７－２４１．收稿日期：２０１４－Ｏ４＿１Ｏ；—修回日期：２０１４－０５０８作者简介：赵贵龙（１９８８一），男，硕士研究生，主要从事电力电子—与电力传动研究；Ｅｍａｉｌ：５６２４９５２３０＠ｑｑ．ｔｏｍ曹玲玲（１９８８一），女，硕士研究生，从事光伏并网和开关电源的研究；祝龙记（１９６４一），男，博士，教授，主要从事电力电子与电力传动、控制系统计算机仿真研究。