风力发电系统中电网同步改进型锁相环设计

李国强

（国华(锡林郭勒)新能源有限公司内蒙古锡林浩特市026000）

摘要：风力发电系统中电力电子变流器同步信号检测中所存在的问题，提出了一种结合单相锁相环(MFLL)、正序电压计算单元和同步参考坐标变换锁相环(SRFPLL)的改进型锁相环设计方法。

关键词：风力发电；电网同步；锁相环

在能源短缺和环境趋向恶化的今天，风能作为一种可再生清洁能源，日益为世界各国所重视和开发。由于风能开发有着巨大的经济、社会、环保价值和发展前景，近20年来风电技术有了巨大的进步，风电开发在各种能源开发中增速最快。

一、慨况

风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源，风力发电是利用风能发电的主要形式。近年来，世界风力发电快速发展。现有的风力发电系统拓扑结构分为恒速恒频和变速恒频2类。前者主要采用鼠笼式异步发电机，通过软启动器和无功补偿装置并网；后者一般分为双馈异步发电机加部分功率电力电子装置接入电网，以及同步发电机通过全功率电力电子装置接入电网。为了保证风力发电系统中网侧变换器和无功补偿装置(staticsyn-chronouscompensator,STATCOM)控制策略的可靠实施，在电网电压不平衡和发生畸变的情况下，准确快速地检测电网电压正序基波分量的相位和频率信号至关重要。基于dq变换的常规锁相环进行了分析，在三相电压平衡且不含谐波的条件下取得了较好的结果。当出现高次谐波时，降低锁相环的带宽，则谐波对输出波形的影响基本可以忽略；但当三相电压不平衡时，由于受到负序电压的影响，若锁相环要取得较好的锁相效果，则环路滤波器的截止频率必须降得很低，这严重影响了系统的动态响应速度，不适用于实际工程。为了消除电网电压不平衡所造成的影响，基于双同步坐标变换的锁相环，通过双dq变换和1个解耦网络来提取正序电压分量，从而消除负序电压的影响。基于瞬时功率理论的锁相环，采用对称坐标法检测出不平衡电网电压中的正序、负序和零序分量；提出了一种基于4个加强性单相锁相(extendedphaselockedloop，EPLL)的三相锁相环方法，3个EPLL分别检测三相电网电压及其移相90°后的电压信号，并采用对称分量法提取电压正序分量，最后1个EPLL用来跟踪正序分量中的A相电压。包括正交信号发生器、正负序分量计算器和锁相环3个模块的锁相环(phaselockedloopbasedondoublesynchronousreferenceframe，DSRFPLL)来提取正序分量，消除电压不平衡的影响。基于交叉解耦频率自适应复数滤波的锁相方法，在电网电压不平衡情况下可以快速地计算出电网电压相位信息。

图1改进型锁相环的结构图

二、浅析风力发电

1.风能概述。由空气运动产生的能量称之为风能。单位面积上单位时间通过的风能称为风能密度。我国风能资源丰富，可开发的装机容量2.53亿千瓦，居于世界首位，与可开发的水电装机容量的量级基本相同，主要分布在新疆、内蒙古以及沿海一带。风能发电的优缺点主要为:有安全可靠、节约资源、无污染、建设周期短、安装灵活、运行简单、占地少、环境要求低、发电方式多种多样的优点，但也存在频率控制技术困难、对电网冲击大、波形不标准、电力设备大而运输难等缺点。

2.风力发电的发展历史。人类数千年前就已经在利用风能。最早的利用方式是帆船。后又利用其提水、碾米等。虽然风能利用历史悠久，但是风力发电却只有一百多年的历史。丹麦人于19世纪末发明了第一台风力发电机，并得到很好的推广，到1930年小容量的风力发电机技术基本成熟。20世纪30年代至60年代，美国、丹麦等欧美国家开始研发大、中型发电机组。70年代至80年代，各国开始研制1000kW以上的发电机组，但均未能获得正常运行。丹麦在90年代利用大小两种风机研制出现代风力发电机的雏形。

图2电压不平衡下仿真波形

三、改进锁相环设计

1.工作原理。PLL是一种在两相静止坐标系下获取电压同步信号的锁相环技术。PLL通过将三相电压信号变换到静止坐标系，锁相环输出角度与实际电网相位的偏差，利用PI控制器对此角度差进行调节，使锁相环输出的角度值始终跟踪电网的实际相位。同时，将电网频率常值加入到锁相环中作为频率初值，加快锁相环在初始阶段的响应速度。

2.总体结构。改进型锁相环的总体结构如图1所示。图1中，usa、usb、usc分别为A、B、C相的电网电压；usα和usβ分别为αβ坐标系下电网电压的α分量和β分量；

u′sα和u′sβ分别为usα和usβ的基波分量；S90表示移相90°；uspα和uspβ分别为正序电压的α分量和β分量；uspd和uspq分别为正序电压的d、q分量；K1和τ1分别为调节器的比例常数和积分时间常数；θ′为相位的估计值；0ω为工频角频率。该锁相环包括2个MPLL、正序电压计算单元和SRFPLL。MPLL的作用是检测三相电压的usα和usβ及其移相90°后的电压信号；正序电压计算单元的作用是检测正序分量uspα和uspβ；SRFPLL锁定正序基波电压分量的相位。在αβ坐标系下，采用2个MPLL和正序电压计算单元来检测正序分量，从而消除负序电压分量对输出相位的影响。此外，MPLL和SRFPLL的2次滤波对三相电压高次谐波具有较强的抑制作用。

四、仿真研究

1.改进型锁相环和SRFPLL的比较以U作为基准值进行标幺化，在电压不平衡的情况下，设输入三相电压幅值分别为sa0.6u=，sb1.0u=，sc0.4u=；频率f=50Hz；PI调节器参数采用上述计算的参数；则SRFPLL和改进型锁相环在PSCAD/EMTDC环境下的仿真结果如图2所示。由图2可知，在三相电压不平衡的情况下，SRFPLL受二次谐波的影响，使得输出相位波形发生畸变，不能准确锁定相位；而改进型锁相环可以提取正序分量uspα和uspβ，从而消除了负序电压的影响，能够快速、准确地锁定正序分量的相位。

2.改进型锁相环自适应性。当三相电压含谐波、频率突变为47Hz、且在0.2s时发生C相单相接地故障的情况下，改进型锁相环仿真波形。从仿真波形可以看出，该锁相环具有很强的自适应能力，当电压频率突变或者发生单相接地故障时，经过2个周期便可重新快速、准确地锁定相位，并对谐波有较强的抑制作用。

五、实验研究

1.实验系统。为了验证理论分析和仿真结果的正确性，在电压不平衡、单相接地的情况下对SRFSPLL和改进型锁相环进行实验研究。实验系统由三相电压检测与调理电路、SEED-DEC2812、计算机及测量显示模块组成。其中，DSPTMS320F2812嵌入式控制模板SEED-DEC2812主要用来实现三相电压的采样、A/D转换、锁相环的控制程序及相位的D/A输出功能；电压检测和调理电路用来检测实验室三相交流电压，并将其转换为满足数据信号处理器TMS320F2812输入要求的电压信号。系统软件设计是对控制算法的数字实现，为了保证算法的实时性，应使算法尽量优化，减少计算量，利用定时器0中断来实现，采样周期为50μs。

2.实验结果。为了便于比较，实验系统中的调节器参数与仿真时的参数一致。在电压不平衡和C相单相接地情况下与在电压不平衡的情况下，SRFPLL的q分量中含有二次谐波，导致输出相位波形发生畸变；改进型锁相环采用2个MPLL检测usα和usβ及其移相90°的电压信号，通过正序电压计算单元提取不平衡电压中的正序分量，从而完全抑制负序电压分量的影响，因此能够准确地锁定正序电压的相位。当电网电压发生瞬时故障如单相接地时，SRFPLL不能准确锁定相位；而改进型锁相环能够准确、快速锁定相位，具有很好的动态性能。因此，实验结果验证了改进型锁相环在电网存在不平衡和发生故障时的良好的锁相性能。

我国的风力发电产业经过多年的发展，已经有了长足的进步，相关法规如《可再生能源法》的颁布，更加促进了风电的推广。同时国家也出台了一系列政策来扶持风电产业。总体来说，国内的环境给风电的发展提供了有利的成长空间。这是当前我国风力发电的机遇。

参考文献：

[1]郭鹏.基于ANF-PLL的电网电压基波正负序分离方法.2014

[2]孙国媛.电网电压不对称时锁频环同步信号检测方法的动态性能.2014