统一潮流控制器同步锁相技术研究.pdf

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第40卷第7期2012年4月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControl、,01.40NO.7Apr.1,2012统一潮流控制器同步锁相技术研究史媛,江道灼,周月宾(浙江大学电气工程学院,浙江杭州310058)摘要:快速准确地锁定电网电压相位角并提取对称分量是统一潮流控制器(UnifiedPowerFlowContro1ler,UPFC)控制策略的基础。提出一种基于双向同步旋转坐标系和交叉解耦消除二倍频分量的同步锁相技术,利用Matlab和UPFC小模型平台,对电网存在电压谐波、三相不对称短路及频率突变等严重干扰情况下的同步锁相性能进行了建模仿真和实验验证,并对比了这种新型锁相技术与基于Park变换的锁相技术的性能差异。仿真和实验结果表明,所提出的新型锁相技术,即使在恶劣电压环境下也能快速、准确地锁定相位,作为UPFC的同步锁相环具有更强的适应性关键词:统一潮流控制器;同步锁相技术;双向同步旋转坐标系;交叉解耦ResearchOHphaselockedsynchronizationinunifiedpowerflowcontrollerSHIYuan,JIANGDao-zhuo,ZHOUYue-bin(CollegeofElectricalEngineering,Zh ̄iangUniversity,Hangzhou310058,China)Abstract:TherapidandaccuratephaseandsymmetricalcomponentsdetectionisessentialforthecontrolofUnifiedPowerFlowController(UPFC).Thenovelphaselockedloop(PLL)inthispaperisbasedondoublesynchronousreferenceflamesandusesdecouplingtocantleoutdoublefrequencycomponent.ItusessmallmodelplatformofMatlabandUPFCtosimulatethephaselockedsynchronizationperformanceundertheconditionsofseveredisturbancesofvoltageharmonic,three-phaseasymmetricshortcircuitandfrequencydiscontinuity,andcomparesitwiththeconventionalphaselockedloopbasedonParktransformation.TheresultsofsimulationandexperimentationbothverifythefactthatthenovelPLLcandetectthephasefastandexactly,andhasmoreflexibiltyasthephaselockedloopofUPFC.ThisworkissupportedbyNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentProgramofChina(863Program).Keywords:UPFC;phaselockedsynchronizationtechnique;doublesynchronousreferenceframe;decoupling中图分类号:TM791;TM46文献标识码:A——文章编号:16743415(20121)07-0037060引言近年来,随着国内外分布式电源及并网技术的Ⅱ发展,统。一潮流控制器(L,Fc)这种集多种功能于一体的FACTS装置得到了越来越多的研究和重视。UPFC结构复杂但控制灵活多样,可以独立调节线路传输的有功无功功率,维持输入端节点电压平衡、稳定等。目前对统一潮流控制器的研究主要集中在它的拓扑结构和控制策略上,但瞬时有功无功功率的计算,各种触发脉冲的生成、系统的控制与保护策略的实现等都有赖于同步锁相电路提供的基准相位【lJ。文献【7】建立了UPFC的动态数学模型,提出了利用串联电压的横纵分量分别控制线路的有功基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)无功,并仿真验证了控制方案的有效性。文献[8】提出了一种基于能量缓冲的新型UPFC模型,并在两相旋转dq坐标系下建立了相应的数学描述和控制系统,能量缓冲控制器实现了对电力系统有功波动的有效抑制,减小故障对系统及UPFC自身的冲击。文献[9]采用开关函数建模法并利用电压空间矢量脉宽调制推导各开关的状态,从而建立了UPFC的实际开关模型,在此基础上讨论了模糊自适应PID控制方法。目前有关UPFC同步锁相和对称分量检测方面的文献较少,尤其是在电网电压存在谐波、三相不对称等恶劣情况下的准确锁相问题。本文提出了一种基于双向同步旋转坐标系分解【lUJ和交叉解耦消除二倍频分量的同步锁相技术,利用Matlab和UPFC小模型平台,对电网存在电压谐波、三相不对称短路及频率突变等严重干扰情况下的同一38一电力系统保护与控制步锁相性能进行了建模仿真和实验验证。仿真与实验结果表明,本文所提出的新型同步锁相技术,能够有效解决电压信号严重受扰畸变情况下的快速、准确同步锁相问题。Uq)中将存在两倍频波动分量,因此要获得较准确的电压相位,锁相环的截止频率必需设置得很低,这会降低锁相环的动态响应性能¨],当电网频率或电压相位快速变化时将无法实现及时跟踪、锁相。1同步锁相技术概述2新型同步锁相技术过零检测法是最为基础的锁相技术,这种方法利用每半个周期检测到的过零点实现锁相,当电压信号存在噪声和谐波等干扰情况下,锁相精度不高。为提高检测速度和锁相精度,前人基于过零检测原理,提出了许多改进措施,如基于窗函数的曲线拟合方法、自适应方法、神经网络等【l。这些改进后的方法在电网发生不对称短路故障、频率突变或波动范围过宽等导致电压严重畸变场合下仍然不能快速的锁定相位。除了过零检测法外,还有基于坐标系变换的锁相技术。两相静止C【.B坐标系下,电网电压向量为=+j=Ume(1)0=arctan(U ̄/)(2)1一一220一22『]lI(3)lj式中:为电压幅值;0为电压相位角。基于上述Cc.B坐标系下的锁相技术是开环的,在电网电压不对称或畸变时,会导致0角波动,进而使得锁相困难。为此文献[121引入滤波器对两相静止变换后的电压信号进行滤波,并分析了几种不同滤波器产生的效果,但滤波器的引入会带来时延,影响锁相的动态性能。文献[13】提出引入PI控制器以补偿滤波器造成的时延,但是仍不能满足频率变化快的系统的锁相要求。dq坐标系下的三相锁相技术基于Park变换,原理如图1所示。三相电压经Park矩阵变换后,得到的q轴分量经闭环PI控制算法,得到角频率的变化量Ao),Aro与参考角频率(即锁相环中心∞角频率)。相加后得到电网电压角频率CO,然后对CO进行积分即得电网电压正序分量的相位角,该相位角用于dq变换,形成闭环控制。该方法当电网电压存在负序分量时,Park变换后的电压信号(Ud、图1基于Park变换的锁相系统原理框图Fig.1Schematicofconventionalthree-phasePLL本文提出的新型同步锁相技术,基于双向同步旋转坐标系和交叉解耦消除二倍频分量算法。双向∞同步旋转坐标系即dqp坐标系以逆时针角速度旋转,角度位置为0,dqn坐标系以顺时针CO角速度旋转,角度位置为。图2为新型同步锁相系统原理结构框图,图中LPF为低通高阻滤波器,目的是滤除高次谐波对锁相精度的影响。图2新型同步锁相系统结构框图Fig.2Schematicofnovelphasesynchronizingsystem下面以电网电压三相不对称为例,说明新型同步锁相技术的实现原理。根据对称分量法,不对称的三相电压可表示为o0s(纬)一了2n+绵)c0s(了2n+绵)+cos(0+ ̄)cos(0+_=_21g+%)jcOs(一+%(4)式中:、、分别为正序、负序、零序分量幅值;、、为正序、负序、零序分量初相位。由式(3)可知,三相电压变换到邢坐标系中后,可消除零序分量的影响,因此将式(4)代入式(3)并整理,得(为计算方便假定=0)Lcos01+[)]㈣将式(5)变换到双向同步坐标系中,有艟lqp.)l(料料(6)史媛,等统一潮流控制器同步锁相技术研究[]=[.)=『r=[.sinO・]咖tJ。相位锁定状态下(即锁相成功)有0=O=cot,将其代入式(6)并整理,可得[:]=[10]=[:]一[一cois(22甜oX++%q ̄n)]=[耋]一[一cois(2eta)。s。in(22a甜;t)][一cos% ̄.q=c7a2叫[::]=[一:]=[兰]一P『ksci。n((22a,v))]]=一U[cos(22a,v)一捌『)]’由式(7)可知,三相不对称的电压信号经0【.13和双向同步dq变换后,包含有直流分量和两倍频分量两部分,且正序dq轴二倍频分量的幅值恰好是负序dq轴的直流分量,负序dq轴二倍频分量的幅值恰好是正序dq轴的直流分量。可见,只要设法消除正向(及反向)dq变换输出中的二倍频分量,就能获得对应于三相正序电压分量的直流分量,进而通过PI控制算法获得与实际系统同步的正序基波电压及其相位角(即实现基波电压信号同步锁相)。消除二倍频分量采用交叉解耦算法,原理很简单:即将正(反)向dq变换模块输出的最终信号(直流分量)“”交叉反馈给反(正)向dq变换模块,并与其输入信号进行如式(71所示的叠加处理即可。实际应用情况下,为避免系统谐波对同步锁相精度的影响,需引入相应的滤波环节,对双向dq变换后的输出信号滤波后进行交叉反馈解耦处理。滤波器的设计方法有很多,图2所示LPF采用简单的阻塞型一阶低通高阻滤波器(也可选用与dq变换模块输出信号回路并联的疏导型高通低阻滤波器),其频域表达示为‘F(s)=(8)综合考虑滤波环节后,新型同步锁相系统中交叉解耦算法频域表达式如式(9)所示(其中表示卷积);对式(9)进行拉氏反变换可获得交叉解耦算法的时域表达式如式(10),进行离散化之后可在DSP上编程实现[。]-lSIlUqn(s))]J=翌SfIlLs+4092=删一-coSsin(2(2a/)=…懈一cosoo ̄)(10)3仿真分析为验证方法的可行性,利用Matlab对不同电网电压情况下的锁相性能进行了仿真研究,仿真中相电压幅值设为100V。单相接地故障时,电网电压中会产生严重的负序分量。图3(a)是系统三相电压,在0.04S时发生C相接地故障,图3(b)为分离出的三相正序电压波形,图3(c)是基于Park变换锁相系统锁定的系统电压相位角,图3(d)是本文所设计新型同步锁相系统锁定的系统电压相位角,对比图3(c)和图3(d)可见,系统发生短路故障时,基于Park变换锁相系统并不能准确地锁定系统电压的相位角。新型同步锁相系统仅用不到一个工频周期就跟踪到系统电压的相位角,锁相精度明显优于前者。频率突变瞬间,电网电压中会产生短暂的负序分量,稳定后不存在负序分量。图4描述了在0.04S电网频率由50Hz突变为45Hz时,锁相环的跟踪性能。从图中可以看出新型锁相环与传统锁相环对于频率突变的跟踪效果相似,都可在一个周波之内跟上系统相位,且稳态误差几乎为零。由此可见大范围的频率变化对实时检测相位的精度并无影响。、二==川、===川∽∽血却一一—一U.一~一~一~一~电力系统保护与控制>、0.O00.O20.040.060.080.100.120.140.16t/s(a)三相电压10s00.O00.020.040.060.080.100.120140.16t/s(b1三相正序分量0.O00.020.040.060.080.10.120.140.16t/s10堇s0(c)基于Park变换锁相系统电压相位角0.O00.O20.040060.080.100.120.140.16t/sfd1新型同步锁相系统电压相位角图3单相短路故障(C相接地)Fig.3Singlephasetogroundfault(cphasetoground)1O0之。一1000.O00.O20.040.060.080.100.120.14n16t/s200。-2O0(a)三相电压0.O00.020.040.060.080.1nl20.140.16t/s(b】三相正序分量10量50f,s(c)基于Park变换锁相系统电压相位角0.O00.020.040.060.O80.10.120.140.16t/s(d)新型同步锁相系统电压相位角图4频率突变(50Hz突降为45Hz)Fig.4Frequencyvariation(50Hzto45Hz)除接地故障和频率突变外,电网中还常发生谐波、电压突降等干扰,图5综合了以上几种干扰情况进行仿真。图5(a)是系统三相电压,在0.04S加入5、7次谐波,幅值为基波的10%,正序分量突降为60V,同时加入40v的负序分量。从图5fc)与图5(d)对比可以看出,在存在较大负序分量的时候,传统三相锁相环得到的电网电压相位角已经发生了较大的畸变,无法完成基本的锁相功能,而新型锁相环在负序分量、谐波和电压突变均存在的情况下,锁相效果良好,正负序dq轴分量波动不大,动态响应也是在一个周波以内,性能明显优于基于Park变换的锁相系统。0.O00.020.040.060.080.100.120.140.16t/s20002O0(a)三相电压0.O00.O20.040.060.O80.10.120.140.16t/s(b)三相正序分量1O是50s(c)基于Park变换锁相系统电压相位角60.000.020.040.060.080.100.120.140.16t/s(d)新型同步锁相系统电压相位图5网侧电压含谐波负序分量并伴有电压突降Fig.5Gridvoltagewithharmonic,negativecomponentandamplitudereduction4UPFC小模型平台实验结果UPFC一次拓扑主要由并联变换器、串联变换器和直流侧储能电容器等部件构成,其中基于IGBT构成的VSC型串、并联变换器采用SVPWM控制,即控制IGBT管的PWM脉冲基于电网同步电压矢量信号形成,因此必须实现对电网电压信号的同步锁相。图6为并联变换器控制器构成框图,控制系统采用双闭环控制,外环控制直流侧电容电压保持稳定,内环控制交流系统电流,实现对交流系统的动态调节和限流保护等功能。控制器基于DSP28335及信号采样、驱动等外围电路实现,核心DSP工作主频150MHz,采样间隔为78us,每周波256个采样点。^/B力>\名、B门史媛,等统一潮流控制器同步锁相技术研究.41.为了验证仿真结果的正确性以及新型锁相系统的实用性,在UPFC小模型平台上测试了网侧电压不对称,谐波干扰和频率突变的情况下,电网电压相位角的跟踪情况。图7(a)显示的是C相接地的情况下,a相电压以及电压相位角;图7(b)所示为存在三相谐波情况下,a相电压、a相正序电压以及电压相位角;图7(c)为频率44Hz时a相电压以及电压相位角。由图可见,在以上三种情况下,新型同步锁相系统均有良好的锁相效果。图6并联变换器控制器构成框图Fig.6Schematicofparallelsidecontroller(a)c相接地时a相电压与跟踪相位(b)存在谐波时时a相电压与跟踪相位_-,‘、,‘r,●’、、\≮lll-,、',-,1,^^●^‘J-n{锵#Oat■l叫朝H蕊嚣曩(c1频率降低时a相电压与跟踪相位图7实验平台波形图Fig.7ExperimentalwaveformsonUPFCplatform5结论(1)双向同步旋转坐标系和交叉解耦很好地消除了二倍频分量,可以准确测得对称分量:利用正序电压q轴的积分,抑制了负序分量对锁相环节性能的影响,实现了相位的准确跟踪。(2)低通滤波器滤波,对高次谐波具有很好的抑制作用。(3)采用DSP28335浮点型芯片实现方便,应用广泛,尤其是在输入电压存在不对称、谐波畸变等场合下,表现出较好的抗干扰能力和稳定的锁相性能,很适合应用在统一潮流控制器这种电力电子装置中。参考文献[1]刘海春,徐立智,谢少军.一种新的过零锁相方法[J].电力系统保护与控制,2010,38(19):147.150.LIUHai-chun,XULi-zhi,XIEShao-jun.Anewphaselockingmethodwithzerocrossing[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(19):147-150.[2]纪飞峰,MuhammadMansoorKhan,解大,等.应用数字信号处理器的基波相位和频率校正检测方法[J].电网技术,2005,29(24):54.58.JIFei-feng,MuhammadMansoorKhan,XIEDa,eta1.Fundamentalfrequencyandphasecorrectingdetectionmethodapplyingdigitalsignalprocessor[J].PowerSystemTechnology,2005,29(24):54-58.[3]章良栋,岑文辉,刘为.UPFC的模型及控制器研究[J].电力系统自动化,1998,22(1):36.39.—ZHANGLiang・dong,CENWenhui,LIUWei.ModelandcontrolofUPFC[J】.AutomationofElectricPowerSystems,1998,22(1):36-39.[4]李浩昱,李兰英,李霄燕,等.具有能量缓冲的统一潮流控制器及其控制的研究[J].中国电机工程学报,2001,21(7):9-13.—LIHao-yu,LILanying,LIXiao-yan,eta1.ThestudyonUPFCwithenergysnubberanditscontrol[J].ProceedingsoftheCSEE,2001,21(7):9-13.[5]鞠儒生,陈宝贤,邱晓刚.UPFC控制方法研究[J].中国电机工程学报,2003,23(6):60.65.—JURu-sheng,CHENBaoxian,QIUXiao-gang.Basiccontrolofunifiedpowerflowcontroller[J].Proceedings—oftheCSEE,2003,23(6):6065.[6]周卫平,吴正国,夏立.基波相位和频率的高精度检测及在有源电力滤波器中的应用[J1.中国电机工程学报,2004,24(4):91.96.ⅪZHOUWei-ping,WUZheng-guo,ALi.Harmonicand■_辫.42.电力系统保护与控制reactivecurrentdetectioninAPFbasedonhighaccuracyphaseand 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周大爷
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