基于双二阶广义积分锁相的风电并网系统仿真

谢　聪，吴新开，雷雅云

（湖南科技大学 信息与电气工程学院，湖南湘潭411201）

基于双二阶广义积分锁相的风电并网系统仿真

谢聪，吴新开，雷雅云

（湖南科技大学 信息与电气工程学院，湖南湘潭411201）

采用双二阶广义积分实现风力发电并网逆变系统的锁相，检测出不对称电网电压中的正序和负序分量。因为电网频率比电网相角更加稳定，应用基于双二阶广义积分的锁频环。利用Matlab/Simulink软件对基于双广义二阶积分锁相环和锁频环的风力发电并网系统进行仿真，仿真结果证明锁频环比锁相环具有更加平滑的响应，验证了控制系统的可行性和有效性，保证风力发电系统的顺利并网。

风力发电；双二阶广义积分器（DSOGI）；锁相；锁频环（FLL）

1　引言

近年来，资源枯竭的窘境愈发明显，而风能是一种清洁、安全的选择［1］。实际中，风能具有不稳定性，风力发电机发出的电压频率、幅值、相位都是会随时发生变化的，所以，风电并网技术十分重要。

三相变换器并网依赖于高性能的检测系统，尤其需要设计快速而准确消除高次谐波并检测出电压向量各序分量的方法。三相电力网络中电压向量各序分量的实时检测是分布式发电、储能系统、柔性交流输配电、电力线路调整器和不间断电源控制的关键问题［2-3］。采用双二阶广义积分器的正/负序分量计算模块（PNSC）实现正序分量和负序分量的分离输出。

在实现风力发电系统并网时，需要对系统实行精确锁相。传统的过零点检测三相电压相位法，由于网侧电压在过零点存在毛刺，检测会存在很大误差。文献［4］提出的单同步坐标锁相环不能实现对三相不平衡电压的精确锁相。文献［5］提出的双同步参考坐标系锁相环虽然在不对称故障下仍能保证准确的电网同步，但是其解耦结构主要针对消除负序基频分量影响，因此其抵抗低次谐波扰动能力比较弱。本系统应用基于双广义二阶积分［6-7］锁相锁频环技术。

2　三相并网逆变器［8］的数学模型

三相逆变并网的主电路拓扑结构如图1所示，其中e1、e2、e3为三相电网电压，i1、i2、i3为三相变换器输出电流，v为直流电压源，d1-d6是6个IGBT，R、L分别为滤波器的电阻和电感。

图1　三相逆变并网主电路拓扑结构

在abc三相静止坐标系下的数学模型［9］为：

abc三相静止坐标系变为αβ两相静止坐标系的变换矩阵为：

abc三相静止坐标系变为dq两相旋转坐标系，采用如下的变换矩阵：

变换后，在两相旋转坐标系下的数学模型为：

3　基于双二阶广义积分锁频环的方法

双二阶广义积分器锁频环通过基于二阶广义积分器自适应滤波器获得暂态对称分量［10-11］，3个不对称正弦波形电压向量vabc根据下列的变换分解为瞬时正序、负序和零序分量，即

式中：a为Fortescue算子的特殊形式，表示在瞬时正弦输入信号中加入基波频率的相移，等值为120°相移。

在三相并网变换器中，研究主要集中于注入电流的正序、负序分量控制。vabc的各序分量可通过式（2）中变换矩阵，因此有

将式（5）代入式（6）中，可以得到：

应用变换逆矩阵［Tαβ］-1，有：

最后，通过运算这些矩阵，可得到以下表达式：

式中：q（q=e-jw/2）为一个90°滞后的移相运算，将其应用于时域，可获得输入波形的交轴分量。

图2　双二阶广义积分锁相环（DSOGI-PNSC-PLL）结构图

3.1双二阶广义积分器三相锁相环

双二阶广义积分器的三相锁相环结构如图2所示，两个二阶广义积分器-正交信号发生器分别为输入向量中的α和β分量产生直轴和交轴信号，例如v′α、v′β、qv′α和qv′β。这些信号作为正/负序分量计算模块（PNSC）的输入，正/负序分量计算模块计算αβ轴上各序分量的方法由式（11）和（12）计算给出，经过PNSC计算解耦得到基频正序和负序分量，通过锁相环检测基频正序分量的相位和频率。

通过双二阶广义积分器获得的从不对称输入电压向量到正序分量的传递函数为：

由于电网频率比电网相角更加稳定，在双二阶广义积分解耦三相锁相系统中，频率反馈环和相位反馈环是相互交错的，会有系统响应超调大和稳定时间过长的缺点，因此采用锁频环代替锁相环。

3.2双广义二阶积分器锁频环

双二阶广义积分器锁频环系统中两个输入信号vα和vβ具有相同的频率，使用一个锁频环结构图如图3所示，其中α和β信号发生器所产生频率误差信号可通过计算平均误差信号的方法进行合并：

双二阶广义积分器锁频环实现了αβ参考坐标上三相电压的对称分量解耦估计，同时也实现了电网频率的估计。

图3　基于双二阶广义积分器的锁频环（DSOGI-PNSC-FLL）结构

4　系统性能仿真

4.1算法仿真比较

为了验证双二阶广义积分器锁相环和锁频环算法，利用Matlab/Simulink搭建系统仿真模型进行仿真。分别采用锁频环和锁相环作为频率反馈的方法，设计双二阶广义积分器结构的频率输入值ω。有以下两种方式：第一种采用锁相环输出频率值；第二种采用锁频环输出频率值。仿真参数设置为：双二阶广义积分器正交信号发生器增益设为，锁频环和锁相环的稳定时间设为ts= 100ms，可以得出kp=9.2/ts，ki=（4.6/ζts）2，Γ=4.6/ts，因此可以求得锁相环的kp=92，ki=4225；锁频环标准化增益Γ≈-92。如图4所示为锁频环与锁相环仿真方式对比。图4中0到0.2s为理想的50Hz平衡三相电压，0.2s到 0.35s之间理想电压基础上加上0.3pu的负分量，0.35s到0.5s为在之前时刻负序分量时频率跃变到54Hz。

图4　锁频环与锁相环仿真方式对比

从图4仿真结果可知，系统的动态过程中，采用锁频环方式的超调量比采用锁相环方式要小，且其稳定时间比锁相环方式要短；在电网故障情况下，两种方式均具有频率自适应性，频率精度高。可见锁频环方式具有超调量小，稳态精度高，稳定时间短，频率自适应性强的优点，从而提高了风电并网的有效性和可靠性。

4.2基于双广义二阶积分锁频环算法仿真

三相输入电压发生相与相间故障造成三相不平衡时的逆变并网仿真如图5所示。三相输入电压幅值为1.0pu，电压跌落为v+1=0.5∠-30°和v-1= 0.25∠+60°，双二阶广义积分器正交信号发生器增益，锁频环增益设置为Γ=100，此时整定时间为45ms。

图5　三相不对称输入电压下的输出相位和输出频率

从仿真结果可以看出，控制系统采用基于双二阶广义积分锁频环的控制策略，在电网不对称电压条件下能精确检测电网电压的相位和频率信息，检测到的频率无高频振荡现象，频率自适应性强。依据本文中的控制系统，当电网电压不对称时，仍然能够并入电网，从而提高了电网的可靠性和有效性。

5　结束语

风力发电的发展，实现风力发电的顺利并网越来越重要，尤其是在三相电压不对称的条件下的风电并网。本文从三相逆变并网主电路出发，应用双广义二阶积分锁频环实现风电系统的精确锁相，使得在三相电压不对称时仍能快速、准确地跟踪频率和相位信息，具有很好的频率自适应性。

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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

谢聪（1989-），女，湖南娄底人，硕士研究生，研究方向为电力电子及风力发电并网技术。

2014-12-04

吴新开（1956-），男，湖南涟源人，教授，研究方向为电力电子与电气传动，半导体制冷技术、绿色能源及无损检测技术。