基于DSP 数据采集风电并网监控设计

朱建红，顾菊平，任浩锋，陈泽宇

（南通大学 电气工程学院，江苏 南通 226019）

自然资源持续变化造成新能源发电电能质量低下，影响电力系统的正常调度[1]，给电网运行的稳定性带来挑战[2]，并网技术是新能源有效开发利用的必要条件。现有电网中因数量众多的电子类变换器配电设施的接入导致电压畸变严重[3]，我国技术监督部门对电网参数的允许运行范围作出了相关规定，具体包括频率及电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡度、暂态或瞬态过程电压、谐波、电压骤降、中断、骤升和电力连续性等[4]，这也是新能源发电质量的控制目标。其中，优良的锁相环可快速准确检测电网电压的相角和频率，较准确获取网侧电压基波信号[5-6]。2019 年，Wang 等[7]人提出了一种并网预同步控制方法，通过锁相环预同步单元的虚拟同步发电机的控制，减小并网动作对电网的瞬时冲击，维持了输出电压的稳定。Isakov 等[8]人通过锁相环在无位置传感器同步电动机驱动中的应用研究，分析了反电势固有的谐波畸变以及在低转速范围内对锁相环输出的影响。刘华吾等[9]人提出了一种基于离散傅里叶变换的锁相环技术，改善了传统同步参考坐标系锁相环在畸变电网电压条件下的性能。Wang 等[10]人结合锁相环的原理，详细分析了锁相环失序的原因，提出了一种自适应锁相环的方案，使得锁相环工作更为灵活。Liao 等[11]人提出了二次采样锁相环和初始锁频环之间的自动软切换，提高了可能导致传统SSPLL 失锁的扰动和干扰的鲁棒性。针对电网不平衡情况下，传统控制策略的并网逆变器会产生大量谐波进而导致功率波动和性能恶化的问题，Tao 等[12]人提出了正负序双电流控制回路与线性无功控制相结合的控制方法，减小了系统的不平衡，提高了逆变器的性能。Ma 等[13]人提出了一种基于鲁棒二分法的带电压观测器的三相并网逆变器模型的预测控制，提高了电流控制的鲁棒性，有效抑制了弱电网电压的扰动。如今，随着能源消费的增长，信息监控系统平台的开发逐步受到关注。芦博等[14]人提出了一种基于大数据架构的综合能源监控系统平台方案及关键技术，实现了综合能源设备数据的监控、分析，有效提升了管理水平。针对传统监控系统实时数据库无法满足新能源集控的实时性与易用性需求，蔡杰等[15]人提出了一种实时数据库设计，采用实时数据分区、自动模型同步、负载均衡、实时数据多总线技术，满足了新能源集控在安全性、实时性、易用性方面的要求。王丽杰等[16]人根据新能源生产设备管控业务流程，设计了云边协同的平台技术架构，实现了从感知到顶层决策的多层次融合，为新能源异构资产上云、异构数据的分析处理提供了指导。

近年来，就稳定并网问题，国家对风力发电运营商提出了电能质量方面的入网标准。根据GB/T 19963—2011 文件[17]，当电网频率小于48 Hz 时发电机运行在最小频率，发电机可连续运行；小型双馈发电机处于并网发电状态时与电网的频率差应控制在0.3 Hz 以内；电压波动范围应控制在电网电压的10%以内；相位波动应控制在20°范围内；谐波电流应该满足GB/T 14549—1993 标准[18]规定。在并网动作触发时，为避免并网过程中产生过大的冲击电流，小型双馈风力发电并网的理想条件需同时满足发电输出电压的相序、频率、幅值、相位均与电网基本保持一致。若偏差太大强制并网，不仅会对电网设备运行产生巨大冲击，影响电网稳定运行，而且会降低电能的转换效率进而影响电能质量[19]。因此，优良的并网控制技术是确保风电系统和电网可靠连接的一道桥梁。

文章就小型双馈风力发电的并网技术展开研究，着重从软硬件锁相环监测技术入手，上位机电能质量监测与下位机锁相环及滤波技术的DSP 编程控制相结合，在剖析电力系统运行的畸变电压、电流或频率影响因素基础上，改进滤波与锁相环算法，抽取基波信号，用于风电可靠控制与调节，改善风力发电机组的控制策略，从而减少风电机组并网发电对电网系统稳定性的影响。

1 系统方案设计

风电并网过程中，风电系统需要控制转子侧励磁电流来调节发电机输出的电压信号，使之与电网电压信号同步。本设计围绕新能源并网发电监控技术，根据监测的电网电能质量涉及的信号滤波算法，改进锁相环设计方案，得到准确的基波并网信号，系统方案结构如图1 所示。并网控制主要由PC上位机和两块DSP2812 控制器联合完成，其一用于转子侧的励磁调节，其二用于并网控制。PC 上位机与DSP2812 之间通过RS232 串口通信，DSP2812 之间通过高速同步串行接口（SPI）模块进行芯片间的同步通信，保证风力发电与并网控制器的同步控制。

图1 系统方案结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the system scheme structure

系统中DSP2812 先通过传感器检测模块、信号调理模块、模数转换模块获取网侧和机侧电压电流信号；之后通过硬件锁相环校准和软件锁相环算法编程，抽取电网基波信号，并上传给上位机；最后DSP2812 根据上位机给出的风力发电电压动态调节参考信号，调节转子侧励磁电流控制发电机定子输出电压。当系统检测的输出电压参数指标符合并网指标所规定的范围时，DSP2812 发出并网信号，并网开关线圈吸合，风电机组并网发电。

系统中硬件锁相环直接控制发电机并网过程的电压参数偏差范围固定，DSP 软件锁相环检测的并网信息易受到环境干扰。为防止风电意外脱网事故发生，系统中PC 上位机若监测到系统的输出参数指标符合并网指标所规定的范围而下位机没有发出并网信号，PC 上位机发出并网信号至DSP2812，驱动并网开关动作，风电机组并网发电。

2 锁相环的建模与仿真

锁相环通常分成硬件锁相环与软件锁相环，基本结构由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器组成。鉴相器把检测出的相位差变成电压差信号，再通过环路滤波器转变成压控振荡器的控制电压，控制压控振荡器输出信号的频率，最后将输出信号的频率由除法或分频器等与输入信号相位比较，偏差返回到鉴相器中，如此往复，直至频率等于输入频率，完成锁相。

2.1 硬件锁相环

常见的硬件锁相环外接振荡电容与振荡电阻。信号输入后，经过运算放大器、整形电路，送入相位比较器，触发器工作，输出偏差电压，类似于鉴相器。其中，低通滤波器通常由两个电阻和电容组成，当输入信号送入时，偏差值转变成压控振荡器的输入电压，这与环路滤波器功能类似。进一步，电压控制压控振荡器产生一定频率的信号，调节比较信号的输出频率。其中，压控振荡器的频率范围是由外接的振荡电容与电阻决定的。然后又经过处理送入鉴相器，最终输入信号的频率与偏差信号的频率相等，相位保持恒定偏差状态，实现锁相功能。课题设计的硬件锁相环结构如图2 所示，主体芯片为CD4098，其内部结构包括相位比较器、低通滤波器、压控振荡器等，该电路可控制压控振荡器的状态，通过正弦转方波电路，对比较信号和输入信号进行处理，满足芯片的输入要求。

图2 硬件锁相电路Fig.2 Hardware phase lock circuit

图3 为锁相环输出及并网触发执行电路。采用运算放大器设计正弦转为同频率的方波，然后按照输入信号和输出信号相位偏差进行仿真。

图3 触发执行电路Fig.3 Trigger execution circuit

利用拨码开关实时观测输入信号的相位发生变化时，其相位的输出波形随输入信号的变化情况，采用高电平所占周期的宽度来体现两输入相位的差值。其中，输出波形的占空比即为相位的差值，相位差值越大，所输出高电平所占的宽度也就越大。当输入信号和比较信号的输出波形一致时，其相位输出始终为低电平，可有效实现相位检测。图4是输入信号和比较信号之间偏差为0°、45°及90°时的相位输出情况。

图4 输入信号与比较信号不同相位差时的相位输出波形Fig.4 Phase output waveform when the input signal and the comparison signal have different phase differences

将图4 中几种情况进行比较后可知，随着输入信号与比较信号的相位偏差增大，该相位比较器的输出波形中高电平所占的宽度呈线性增长；而当输入信号与比较信号一致时，锁相环电路输出始终是低电平状态，因而通过仿真可知该锁相环电路可有效用于相位差检测。

2.2 软件锁相环设计

在理想电网电压条件下，三相同步坐标系锁相环（synchronous reference frame PLL，SRF-PLL）可用来准确获得电网电压信号[20]。然而，在电网故障下，SRF-PLL 易出错导致无法精确锁相，性能降低甚至锁相失败。因此，针对非理想电网的锁相环技术一直被国内外学者及技术人员研究。另外，因谐波存在，带有大量非线性负载的电网三相电压中不仅仅含正序分量，两相dq 坐标轴的d、q 轴分量，还包含非直流量，导致传统的锁相环中的PI 控制器难以实现。近年来，基于移动平均滤波器的锁相环技术（moving average filter based PLL，MAF-PLL），由于性能优良得到研究者的广泛关注[21]，其可以较好地消除谐波、直流偏置量与不平衡电压的影响。图5 为MAF-PLL 的结构框图。

图5 移动平均滤波器的锁相环结构框图Fig.5 PLL structure block diagram of MAF

通过MATLAB 软件的Simulink 对MAF-PLL 与DDSRF-PLL（decoupled double synchronous rotating frame PLL）进行仿真，锁相环的频率、相角波形如图6 和图7 所示。从两者在频率锁定性能方面的对比分析可以看出，基于移动平均滤波器的锁相环比双dq 锁相环具有更好的锁相性能。

图6 MAF-PLL 锁相环频率与相位图Fig.6 Frequency and phase diagram of MAF-PLL

图7 DDSRF-PLL 锁相环频率与相位图Fig.7 Frequency and phase diagram of DDSRF-PLL

图6 中，MAF-PLL 的频率在经历0.1 s 后，进入工频48～52 Hz 的波动范围内，以50 Hz 工频频率为基准，稍后波动范围趋于0 Hz，并在此范围内逐渐趋向稳定，频率偏差绝对值最大为3.8 Hz。图7中，DDSRF-PLL 的频率在经历0.08 s 后，进入工频48～52 Hz 的波动范围内，但最终所测频率稳定在49.5 Hz，且频率偏差绝对值最大为8.9 Hz。与DDSRF-PLL 相比，MAF-PLL 在频率锁定性方面更好，所以软件锁相环选择MAF-PLL 用于模拟风力发电并网控制。

MAF-PLL 在电网正常情况下具有应用优势，但是也存在着某些技术上的不足之处，比如缺少开环带宽，大大削弱了系统的动态性能。所以设计的难点在于如何在不平衡与跌落电网中精确而快速地检测出相位、频率。此外，参数设计优化也是难点之一。因此，针对该情况，本设计中结合硬件锁相环的应用，来解决在不平衡与跌落电网电压中相位及频率快速准确检测问题。

3 基于锁相环检测风力发电并网控制DSP算法实现

系统中采用软硬件相结合的方式来实现风力发电的并网控制。其中，软件锁相环主要依靠TMS320F2812 控制器编程实现，当系统检测的网侧及机侧电压参数相一致时，控制器输出并网开关触发信号。整个程序设计及调试过程分功能模块依次进行，主程序与子程序分开设计。结合数据接口参数设置，配置合理通信网络，最后实现软、硬件联调。整体的核心内容包含信号采集、处理及锁相环算法设计。图8 给出了A/D 采样程序的流程图，图9给出了基于锁相环检测的并网控制流程图。

图8 数据采集的程序流程图Fig.8 Program flow chart of data collection

图9 基于锁相环检测并网控制流程图Fig.9 Program flow chart based on PLL detection

系统中定子侧输出电压的控制主要依靠TMS320F2812 来实现，控制器通过传感器采集得到的三相电网和定子侧的输出电压、电流，并与参考信号进行比较，产生控制信号来调节定子侧电压。模拟电路由前向模拟多路开关（Muxs）、采样/保持（S/H）电路、转换内核和参考电压等部分组成。芯片接收到可处理的数字信号后，根据写入的程序对信号进行处理，处理完毕后的数据通过RS232 接口传输到PC 主机进行实时监控。系统中两块DSP 控制器分工合作，转子的位置和速度采用增量式光电编码器测量。其中一块DSP 根据采集到的电网侧信息、双馈电机转子的位置和速度信息，通过矢量控制和定子磁链定向的相位控制，实现定子侧与电网侧电压同步。

4 系统监控调试与数据分析

监控系统包括数据监测与控制两部分，其工作可靠性需要通信网络的可靠工作，作为控制中心的DSP 芯片SCI 模块通过RS232 与PC 机通信。DSP芯片采用SCI FIFO 中断从PC 机接收消息帧，并根据消息帧确认设备地址正确性。然后，各种类型的数据被打包并以帧的形式发送到PC 机。最后，CCS6.0 编程环境与监测软件LABVIEW 通信[22]，由LABVIEW 设计的上位机界面各项控件窗口显示对应的数据与波形，以达到监测的目的。

对照风电并网指标，对于容量小于500 kVA 的发电系统，发电与电网侧频率差值必须控制在0.3 Hz以内，电压差值须控制在10%以内，相位差值须控制在20°以内。系统通过计算捕获单元的定时器给出的差值，获得发电机输出电压信号的频率，计算频率偏差；通过电压测量值和额定电压值计算得到电压偏差；通过FFT 算法获得基波和每次谐波的数据、总畸变率。风力发电并网监测界面如图10 所示。图中出现了电压波形正负幅值严重不对称的情况。k 次电压谐波含有率（harmonic ratio of k-th voltage，HRUk）与总谐波畸变率（total harmonic distortion，THD）数据说明风电机组的控制及锁相环滤波算法必须进行算法改进。

图10 电能质量监测界面Fig.10 Power quality monitoring interface

通过查阅相关资料[23]，在CCS6.0 软件环境DSP编程设计中，将中值滤波程序加入到A/D 采样子程序数据处理中，消除电压数据中孤立的噪声点，提高了电压采样的数据精度，从而间接提高了锁相环算法中输出频率和相位的准确性。将中值滤波算法融入MAF-PLL 子程序中进行处理，同时通过硬件锁相环电路对控制信号的定时校准，消除锁相多周期处理过程累积偏差。多次实验表明，软硬件结合的锁相环并网控制在准确锁相后，电网侧电压的频率、幅值、相位反馈到转子侧电压励磁电流控制，保证了定子侧输出电压不会因外部扰动发生较大偏移，能够稳定跟随电网侧电压。再次运行程序后得到的波形大幅改善，采集数据窗口显示如图11 所示。由于该窗口仅支持显示一个通道，以一通道为例，右为所采集的电网侧电压波形图，左为锁相环输出的相角，其输出的变化范围为0～2π，相角线性变化与Simulink 仿真结果基本一致，谐波成分明显减少。

图11 电网侧电压采集与锁相环波形图Fig.11 Acquisition of grid-side voltage and PLL waveform

基于以上工作，将实验室的模拟风力发电实验平台连接负载，先通过示波器观察调理电路最终输出的波形是否符合接入DSP 电路A/D 模块的要求，确保其输出信号在0～3.3 V 的范围内，防止谐波太大导致电压幅值超过预期值，接入A/D 采集模块烧毁DSP 芯片。然后离网试运行，确保发电机输出电压信号与电网信号基本一致时，发电系统并网，并网监控实验结果如图12 所示。

图12 软硬件结合的锁相环接入的两路电压波形Fig.12 Two-way voltage waveforms connected by the PLL combined with software and hardware

根据数据监测结果，除去异常值，电网侧与发电侧电压频率差在2 Hz 以内，相位差在13°以内，有效值差在4 V 以内，发电输出电压各次谐波含量得到控制，相电流波形总畸变率为2.87%，满足国家相关标准规范对谐波抑制的要求。

此项数据说明，通过软硬件锁相环结合的方案设计，发电系统能够自我调节以达到并网要求，较准确检测相位、频率等参数，判断同步情况，进而驱动继电器与接触器的动作，验证了并网控制的有效性。较单一硬件锁相环，其性能更可靠。

5 结论

双馈风力发电系统并网控制通过电能质量监测，改进锁相环检测方案，发电机定子电压定向控制输出的电压信号与锁相环检测得到的电网电压基波参考信号同步时，能保证风电机组可靠并网发电。一旦偏差太大或者给定的电网信号谐波成分较多，风电机组输出的电压不稳定，并网开关动作不执行或频繁动作；经过软硬件结合的锁相环技术方案改进后的算法能较准确地检测电网电压基波含量，相比单一软件或硬件锁相环更能准确快速锁定基波信号，风电机组输出的电压谐波含量明显降低；整个并网监控实验系统，包括数据采集与处理，为滤波参数提供了设计依据，确保了参数给定的准确度与系统输出的可控性。实验测试结果显示发电侧的电压幅值和相位与网侧的电压信号同步性控制得较好；不足之处在于发电机本体振动频率扰动而导致发电侧的电压频率检测到的偏差稍大，表现出频率同步控制稍微偏离行业限定值。整体指标基本符合国家行业标准，后续工作中将针对频率差偏大问题，从装置改进、检测技术与谐波处理展开研究，期望在并网发电同步性控制方面取得更具有行业实际应用价值的成果。