不对称低电压下的电网电压角度检测

朱 玲，卫 泽，朱 丹，史宁波

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京211106）

不对称低电压下的电网电压角度检测

朱 玲，卫 泽，朱 丹，史宁波

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京211106）

为满足风电机组低电压不对称穿越的要求，实现风电机组不对称控制，需要在电网对称和不对称跌落情况下分别准确获取电网电压正序和负序分量的相位、幅值和频率。在双dq同步旋转坐标系下理论推导了电压正序和负序分量的解耦公式，运用软件锁相环得出电网电压正序和负序分量的幅值、相位角。最后利用Matlab仿真，验证了该算法具有检测准确、抗干扰和适应性强的优点。

不平衡电压；角度检测；软件锁相环；双dq同步坐标系

1 引言

近年来风电市场发展迅猛，风电场装机容量逐年上升，电网故障时风机的运行状态对电网稳定性的影响成为了研究重点［1］［2］。风电机组控制系统中电网电压角度检测是一个关键的环节，它的准确与否直接会影响机组的安全运行，电网故障下更是如此。传统电网相位检测使用硬件锁相环，它的基本原理是采用过零比较的方法将输入电压转换为方波，送入锁相环（PLL）芯片，与控制系统内部同步信号进行比较，改变系统内部同步信号的频率和相位，使之与电网电压一致。由于电网电压一个周期内只有两个过零点，采样环节为抑制干扰使用滤波环节，这些都严重限制了检测速度［3］［4］。当电网电压深度跌落，尤其是零电压跌落时更难以检测过零点。随着DSP、FPGA等高速处理芯片的发展，软件锁相环（SPLL）大大提高了锁相性能。SPLL是基于同步坐标系跟踪电网电压的正序分量，有效锁出电网电压的频率、相位及幅值检测。然而当电网出现负序分量，SPLL则不能准确获得电网电压相位、幅值信息［5］［6］［7］。

目前，我国风电机组并网要求规定：并网点电压跌至20%额定电压时应能够保持并网运行625ms的低电压穿越能力，并在2s之内能够恢复到90%的负荷。电网不对称跌落下，实现机组不对称控制需要迅速准确检测出电压矢量正序和负序分量的相位角及幅值。因此传统的硬件锁相环和SPLL都不能满足不对称跌落下电网电压的检测要求。本文在SPLL基础上，提出一种基于双dq同步旋转坐标系的锁相方法，理论推导了其模型依据，通过建模仿真和装置试验验证了该方法可以迅速将不平衡电压的正序和负序分量有效分离，分别检测出正序电压和负序电压的相位、幅值。

2 基于双dq同步旋转坐标系的锁相环原理

传统SPLL将三相电网电压由三相静止坐标系变换到同步旋转坐标系，考虑不对称电压含有正序分量和负序分量，参考SPLL锁相方法，可建立以ω′正向旋转的正序d+q+同步坐标系和以ω′反向旋转的负序d-q-同步坐标系，将电压正序分量和负序分量分别变换至正序d+q+同步坐标系和负序d-q-同步坐标系，如图1所示。其中d+q+坐标系以ω′逆时针旋转，角度为θ′，d-q-坐标系以ω′顺时针旋转，角度为-θ′。

图1 双同步旋转坐标系

电压矢量Us可分解为正序分量U和负序分量U，在ω′正向旋转的正序d+q+同步坐标系下，Us电压矢量可表示为：

以ω′反向旋转的负序d-q-同步坐标系下，Us电压矢量可表示为：

当电网电压相位锁住后，有ωt≈θ′，ωt-θ′≈0，ωt+θ′≈2ωt。式（2）、式（3）、式（5）、式（6）可简化为：

基于电压矢量定向，将电压正序分量定向在正序d+q+同步坐标系的d轴，此时有U=0、φ=0；若使负序d-q-同步坐标系的d轴与负序分量重合，则φ=0、U=0，方便负序控制处理。由式（7）可看出，d+q+坐标中的系倍频振荡量取决于d-q-坐标系的直流量，d-q-坐标系中的系倍频振荡量取决于d+q+坐标系的直流量，为抑制振荡，采用如图2所示的解耦网络。

图2 双同步坐标解耦下锁相环原理图

3 Matlab建模与仿真

在Matlab中建立如图2所示的基于双dq同步坐标系的软件锁相环模型，690V三相电压源系统在0.2s-0.6s发生15%不同程序AB相间短路，经锁相环检测得到的正序角度、负序角度、电压正序和负序分量幅值如图3（a）、图3（b）所示。

图3 15%两相短路时的检测图形

图中显示检测的电压正序分量和负序分量均为直流，随跌落深度逐渐增大。正序q轴分量和负序q轴分量均为0，与双dq轴定向一致。电压相位在跌落瞬间有稍许抖动，跌落期间没有突变。综上所述，基于双dq同步坐标系的软件锁相环在电网分别75%，15%不对称跌落下工作性能良好，准确的检测出电压正负序分量。

在0.1s-0.6s向电网电压中注入150V的5次谐波，0.2s-0.5s发生15%不对称跌落，仿真波形如下：

图4（a）中0.1s-0.2s电网电压含150V的五次谐波，此时电压相位没有明显变化，电压正负序分量平均值与电网电压正常时相等，但高频小幅振荡；0.2s-0.5s期间电网电压含150V的五次谐波并且发生15%不对称跌落，此时电网电压相角没有变化，跌落瞬间有些抖动，对比图3（b）和图4（b），正负序分量除了因谐波造成振荡外平均值基本一致。

图4 5次谐波15%两相短路时检测图形

4 结论

本文简述了传统的电压角度检测方法，针对其仅适用于正常的电网电压情况，提出一种基于双dq同步旋转坐标系的双重定向软件锁相环，理论研究了该模型依据。仿真和实验结果显示电网故障和非故障下该锁相环都能准确而快速的锁住电压相位，同时还能实现正负序电压矢量双重定向，检测出其幅值大小，为风机不对称运行下的控制提供了依据。

［1］蔚兰，陈国呈，曹大鹏等.双馈感应风力发电机网侧变换器低电压穿越控制策略［J］.电工技术学报，2011（7）：37-43.

［2］杨堤，程浩忠，马紫峰等.基于储能技术提高风电机组低电压穿越能力的分析和展望［J］.电力自动化设备，2015（12）.

［3］江道灼，马进，章鑫杰.锁相环在电力系统现场测控装置中的应用［J］.继电器，2000，28（8）：43-45.

［4］罗小莉，杨宇.动态电压质量问题检测方法［J］.电力自动化设备，2007（1）：115-118.

［5］Escobar G，Ho C N M，Pettersson S，et al.Cascade threephase PLL for unbalance and harmonic distortion operation （CSRF-PLL）［C］.Industrial Electronics Society，IECON 2014-40th Annual Conference of the IEEE.IEEE，2014：5489-5493.

［6］洪小圆，吕征宇.基于同步参考坐标系的三相数字锁相环［J］.电工技术学报，2012，11（27）：203-209.

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［8］陈国栋，朱淼，蔡旭等.一种软件锁相环和电压跌落检测新算法［J］.中国电机工程学报，2014（25）：4385-4394.

Voltage angle detection of power grid under asymmetric low voltage

ZHU Ling，WEI Ze，ZHU Dan，SHI Ning-bo
（NARI Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China）

In order to meet the requirements of low voltage asymmetric ride through for wind turbine and to achieve the asymmetric control of wind turbines，it is necessary to respectively obtain the accurate phase，amplitude and frequency of the positive and negative sequence component of the grid voltage under symmetric and asymmetric conditions.The decoupling formula of the voltage positive and negative sequence component is deduced under the double synchronous reference frame，and the software PLL is used to achieve the amplitude and phase of the positive and negative grid voltage component.It is demonstrated by Matlab simulation that this algorithm has the advantages of accurate detection，anti-interference and strong adaptability.

unbalanced voltage；angle detection；software PLL；double synchronous coordinate

TP273

A

1005—7277（2016）03—0054—04

朱 玲（1986-），女，江苏泰州人，研究生，工程师，专业方向为电力电子在新能量中的应用。

2016-03-09