逆變器在電網(wǎng)故障下的并網(wǎng)同步化技術(shù)

1、逆變器在電網(wǎng)故障下的并網(wǎng)同步化技術(shù)包其仕，龐科旺，劉影(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003 )Grid Synchronization Method for Power Inverters Under Polluted GridconditionsBAOqishi, PANGkewang, LIUying(School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)摘要：在大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)發(fā)電場合中電網(wǎng)可能會存在電壓跌落、

2、頻率變化和諧波污染等 故障，因此需要采用更高性能的鎖相(頻)環(huán)技術(shù)實現(xiàn)故障情況下的電網(wǎng)同步，增強(qiáng)并網(wǎng)逆變器 為電網(wǎng)提供頻率和幅值支撐的能力。提出一種基于級聯(lián)二階廣義積分器(SOGI )的鎖頻環(huán)技術(shù)。 該技術(shù)通過級聯(lián)二階廣義積分器和正負(fù)序分量計算網(wǎng)絡(luò)快速精確地從故障電網(wǎng)中分離出基波 正、負(fù)序分量，有效地消除了負(fù)序分量和諧波分量對獲取頻率信息的影響，實現(xiàn)頻率自適應(yīng)。 MATLAB的仿真結(jié)果證明了該技術(shù)的有效性和可行性。關(guān)鍵字：并網(wǎng)逆變器；級聯(lián)二階廣義積分器；正負(fù)序分離；鎖頻環(huán)Abstract: There are many grid faults in large-scale renewable

3、energy generations. Such as Voltage drop, Frequency variations and harmonic distortion, Which demands the grid-connected power inverters could properly synchronized with the grid, Supporting the grid service (voltage/ frequency)even if the grid is polluted .so the better PLL or FLL is expected to ac

4、hieve it. In this paper, a frequency locked loop technology based on the cascaded second-order generalized integrators (SOGI) is analyzed, which could accurately and rapidly extract the positive and negative sequence from the polluted grid voltage and make frequency adaptive. Results show its effect

5、iveness and feasibility.Key words: grid-connected inverters， Cascaded frequency-locked loop0引言在風(fēng)能、太陽能等分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)場 合，如何控制并網(wǎng)逆變器與三相電網(wǎng)進(jìn)行良好 的同步是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一。三相 并網(wǎng)逆變器常采用單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的鎖 相環(huán)(SRF-PL L)來獲取電網(wǎng)電壓的相位和幅 值。理想電網(wǎng)電壓條件下，SRF-PLL可以快SOGI，positive/negative-sequence separation，速精確地獲取電網(wǎng)基波電壓的幅值和相位。即 使電網(wǎng)受到一定幅值的高次諧波

6、污染，通過減 少鎖相環(huán)的帶寬也能一定程度的消除諧波影 響，但這會降低SRF-PLL的動態(tài)響應(yīng)性能1。 當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不對稱的情況，SRF-PLL檢 測出的幅值與相位會存在2倍基頻的干擾量， 影響鎖相性能。為解決這個問題，文獻(xiàn)2提出了基于解耦雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的鎖相環(huán) (DDRF-PLL)技術(shù)。DDRF-PLL 采用正、負(fù) 序兩個同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和解耦網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了 基波電壓正、負(fù)序分量的分離，同時利用鎖 相環(huán)獲得精度較高的相位信息網(wǎng)，但由于 其包含一階濾波環(huán)節(jié)，會影響系統(tǒng)的動態(tài)性 能。文獻(xiàn)57提出了基于雙二階廣義積分鎖 頻環(huán)(DSOGI-FL L)的電網(wǎng)同步技術(shù)。該技術(shù) 采用雙二階廣義積分器和正負(fù)序分

7、量計算 網(wǎng)絡(luò)提取基波的正負(fù)序分量，同時利用鎖頻 環(huán)(FLL)實現(xiàn)電網(wǎng)同步。但當(dāng)電網(wǎng)諧波畸變 嚴(yán)重時，濾波效果會受到系統(tǒng)帶寬的限制， 導(dǎo)致電網(wǎng)頻率的檢測精度降低。本文提出了 一種級聯(lián)二階廣義積分器的鎖頻技術(shù)，通過 級聯(lián)兩個阻尼系數(shù)不同的二階廣義積分器 構(gòu)成了一個雙濾波的正交信號發(fā)生環(huán)節(jié) (QSG)，同時正負(fù)序分量計算網(wǎng)絡(luò)從雙濾波 QSG中提取電網(wǎng)基波的正序分量用于鎖頻 環(huán)(FLL)實現(xiàn)頻率的自適應(yīng)，有效地消除了 負(fù)序分量和諧波分量對頻率檢測精度的影 響，提高了電網(wǎng)故障時，并網(wǎng)逆變器對電網(wǎng) 提供一定支撐的能力。1基于級聯(lián)二階廣義積分的正交信號發(fā)生 環(huán)節(jié)理想的正交信號發(fā)生器能夠從給定的 畸變輸入信號

8、中提取一組干凈的正交信號， 并且在頻率處不會產(chǎn)生任何延遲。一種基于 二階廣義積分的正交信號發(fā)生器 (SOGI-QSG)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中k和 討分別為SOGI-QSG的阻尼系數(shù)和諧振頻率，V為輸入信號，廣和qV分別為輸出的正交信號，其中q(q = e-川E是一個90滯后的移相算子。而級聯(lián)二階廣義積分正交 信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖1二階廣義積分正交信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)Fig.1 structure diagram of SOGI-QSGw Fig.1 structure diagram of SOGI-QSGSOGI-QSG(k, ) SOGI-QSG(k)圖2級聯(lián)二階廣義積分正交信號發(fā)生器

9、結(jié)構(gòu)Cascaded SOGI-QSGFig.2 structure diagram of cascade SOGI-QSG由圖1和圖2所知，SOGI-QSG和級聯(lián) 阻尼系數(shù)不同的SOGI-QSG的閉環(huán)傳遞函 數(shù)為VkwsD ( s ) _ 祈(s) _ s 2 + kws + w 2 (1)qV ( . kw2Q ( s)_ 丁( s) _ s 2 + kws + w 2D, ) _ V_ ) _V( s 2 + kw s + w,D, ) _ V_ ) _V( s 2 + kw s + w, 2) * ( s 2 + k w _ s + w 2)kkw 4kk W 3 sQ (s ) _

10、令(s ) _ ( s 2 + kw s + w 2)* ( s 2 + kw s + w 2)D(s)、Q(s)、D(s)和 Q(s)的伯德圖如圖3所示。(號(號1S(牌號俾圖3 SOGI-QSG和級聯(lián)SOGI-QSG系統(tǒng)的伯 德圖Fig.3 Bode diagram of SOGI-QSG and cascaded SOGI-QSG由此可得出級聯(lián)SOGI-QSG中的幅頻特性，1)輸出V的相位滯后輸入90。，輸 出qv的相位滯后于輸入180。; 2)級聯(lián) SOGI-QSG中的D(s)具有帶通濾波效果 而Q( s)則具有低通濾波的效果，且相較于 SOGI-QSG中的D(s)和Q(s)，它們具有

11、更 強(qiáng)的抑制高頻諧波分量的能力。SOGI-QSG的時間響應(yīng)可參考文獻(xiàn)8。 考慮級聯(lián)SOGI-QSG的時間響應(yīng)。令輸入為 v = V sin( wt)。 當(dāng) w = w 時級聯(lián) SOGI-QSG系統(tǒng)的輸出如式(3)和式(4)所示。V= (k/2)2 CS(WlA，-快一號tV(人一1)v1 (M/2)2cos(w、：1 一 (號)21 )e- 2一 V cos( wt)X X V k kwtqv =.= sin(wJ1 ()21)e- 2(X-1Q-(k/2)2、2X VXkXkwt. X sin (巧：1 一(項* t)e- 2 一 V sin( wt)k/2式中 9 = arctan .，1

12、1 (k/2)29 = arctanX k /21 (Xk /2)2對于式(1)中的二階系統(tǒng)可以用ts = 4G來大致估計其整定時間9。因為式(1)中時間 常數(shù)t = 2/kwr,所以對于已給定的七,SOGI-QSG的阻尼系數(shù)k為：9.2(七 * w，)當(dāng)k=、2和w = 2兀*50rad/s時，系統(tǒng)的整定時間和動態(tài)響應(yīng)超調(diào)之間的關(guān)系達(dá)到最優(yōu)。此時根據(jù)式(5)可得，SOGI-QSG系統(tǒng)的整定時間為20.7ms，大約為電網(wǎng)的一個工頻 周期。由式(3)和式(4)可知，級聯(lián)SOGI-QSG系統(tǒng)的輸出是由兩個時間常數(shù)不同且按指 數(shù)衰減的瞬態(tài)分量和一個正選穩(wěn)態(tài)分量組 成。合理選取k值，級聯(lián)SOGI-QS

13、G系統(tǒng) 可獲得與SOGI-QSG系統(tǒng)大致相當(dāng)?shù)恼?時間，且具有較好的動態(tài)性能。2正負(fù)序分量的檢測方法在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不對稱的情況下，正確 地檢測出三相電網(wǎng)電壓中的正序基波分量 對于三相并網(wǎng)逆變器是十分關(guān)鍵的。根據(jù)Lyon對稱分量法可知，三相不對稱電網(wǎng)電 壓可以被分解成暫態(tài)的正序、負(fù)序和零序分 量三部分。由于分布式發(fā)電系統(tǒng)通常以三相 三線制與三相電網(wǎng)相連，不會向電網(wǎng)注入零 序電流，因此不需要對零序分量電壓進(jìn)行電流的同步。所以只需將正負(fù)序分量電壓分 離，確保鎖頻系統(tǒng)精確跟蹤正序基波分量電 壓的頻率。在靜止兩相坐標(biāo)系邱 下，通過對v以、qVa和七、印p兩組正交信號進(jìn)行計算可以得到三相不對稱電壓v的正

14、、abc負(fù)序分量電v+a=-一1-qv av+ p2l_q1vpv-a=1一 1qv avp2L- q1vp壓，計算表達(dá)式如下:(PLL)自適應(yīng)地調(diào)節(jié)為輸入信號的頻率。鎖 相環(huán)將其內(nèi)部振蕩器的相角鎖定輸入信號 的相角，同時檢測出輸入信號的頻率，使級 聯(lián)二階廣義積分正交發(fā)生器可以自適應(yīng)調(diào) 試良好。但鎖相環(huán)通常需要使用同步坐標(biāo)和 三角函數(shù)，這會增加數(shù)字化實現(xiàn)的時間。因 此考慮使用鎖頻環(huán)(FLL)取代鎖相環(huán)。一個 簡單的基于三相電壓的鎖頻環(huán)結(jié)構(gòu)如圖5所 示。在這個結(jié)構(gòu)中，利用一個帶有負(fù)增益-Y(6)根據(jù)式(6)、式(7)的計算方法，結(jié)合兩 個級聯(lián)SOGI-QSG系統(tǒng)分別提供的兩組正 交信號及其幅頻特

15、性，就可計算出三相不對 稱電壓在靜止兩相坐標(biāo)系以p下的正序分 量電壓。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。的積分控制器對誤差 v和qv的乘積進(jìn)行控 制，將級聯(lián)系統(tǒng)的諧振頻率討移相到與輸 入頻率w相一致。在頻率同步的過程中，使 用式(8)將增益系數(shù)Y進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，使鎖頻環(huán) 不受電網(wǎng)變量的影響，獲得一階指數(shù)的線性響應(yīng)。kwH =(V，+ )2 + (V，+ )2ap(8)由文獻(xiàn)10可知，一階鎖頻環(huán)系統(tǒng)的整定時間可粗略估計為：t 5s ( FLL ) y此外，電網(wǎng)頻率額定值w作為一個前 c饋量添加到鎖頻環(huán)的輸出來加快初始的同步過程。圖5圖5鎖頻環(huán)結(jié)構(gòu)圖圖4基于級聯(lián)SOGI-QSG的正負(fù)序分量計算網(wǎng)絡(luò)Fig.4 po

16、sitive/negative sequence separationbase on cascaded SOGI-QSG3自適應(yīng)鎖頻環(huán)節(jié)在電網(wǎng)同步系統(tǒng)中，級聯(lián)二階廣義積分正交發(fā)生器的諧振頻率通?？捎涉i相環(huán)Fig.5 structure diagram of FLL4仿真分析為了驗證本文提出模型的可行性，利用 MATLAB/SIMULINK搭建模型分別對電網(wǎng) 電壓跌落時的正負(fù)序分離的性能、電網(wǎng)頻率 變化的動態(tài)響應(yīng)及電網(wǎng)電壓諧波畸變時的 抗干擾能力進(jìn)行仿真分析。參數(shù)設(shè)置為：電 網(wǎng)相電壓為220V，電網(wǎng)基波頻率巧為 50Hz ；級聯(lián) SOGI-QSG 環(huán)節(jié)中 k二，2， k =Mk = 2k；鎖頻環(huán)

17、中w = 2兀 *50rad/s， y = 80。4.1電網(wǎng)電壓跌落模擬電網(wǎng)電壓發(fā)生三相不對稱的跌落。0.3s時刻，B相電壓跌落50%，A、C相電壓保持不變，0.4s時刻故障恢復(fù)。圖6為采 用級聯(lián)二階廣義積分鎖頻環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行正、負(fù) 序分離的仿真結(jié)果。由圖6可知，級聯(lián)二階 廣義積分鎖頻環(huán)系統(tǒng)能夠在電網(wǎng)電壓跌落時快速檢測故障，并分離出正負(fù)序分量，整圖6正負(fù)序分離的仿真波形Fig.6 Simulation results of positive/negative sequence separation4.2電網(wǎng)頻率變化為了驗證級聯(lián)廣義二階積分鎖頻環(huán)系 統(tǒng)對頻率變化的自適應(yīng)能力，模擬電網(wǎng)電壓 頻率在0.

18、4s時刻由50Hz變?yōu)?5Hz。圖7 為級聯(lián)二階廣義積分鎖頻環(huán)系統(tǒng)的仿真結(jié) 果。由圖7可知,當(dāng)給定的電壓頻率發(fā)生變化 時，級聯(lián)二階廣義積分鎖頻環(huán)系統(tǒng)能夠較為 精確地跟蹤其變化，并實現(xiàn)輸入頻率的自適 應(yīng)。整定時間大約為40ms，與式(9)的計算圖7頻率檢測的仿真波形Fig.7Simulation results of frequency detection4.3電網(wǎng)諧波畸變?yōu)榱蓑炞C級聯(lián)廣義二階積分鎖頻環(huán)系統(tǒng)的 抗干擾能力，在0.3s-0.5s的時間段內(nèi)往模擬 電網(wǎng)電壓注入10%的5次諧波分量和15%的 7次諧波分量。圖8為電網(wǎng)電壓波形圖，圖 9 為采用級聯(lián)廣義二階積分鎖頻環(huán)和 DSOGI-FLL

19、的仿真結(jié)果。由圖9知，電網(wǎng) 遭受嚴(yán)重諧波畸變時，采用級聯(lián)廣義二階積 分鎖頻環(huán)技術(shù)獲得的頻率精度更高，滿足 GB/T15945-2008電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏 差規(guī)定且】電網(wǎng)正常頻率偏差允許值為電 網(wǎng)頻率0.2Hz。而且能夠快速地跟蹤諧波畸 變時造成的頻率波動，頻率整定時間約為 40ms。圖8三相電網(wǎng)電壓嚴(yán)重畸變時的波形Fig.8 Simulation results of grid voltage underharmonic distortion圖9 DSOGI-FLL和級聯(lián)DSOGI-FLL的頻率檢測波形Fig.9Simulation results of frequency detecti

20、onof DSOGI-FLL and cascaded DSOGI-FLL 5結(jié)論本文提出了一種電網(wǎng)故障下并網(wǎng)逆變 器的電網(wǎng)同步技術(shù)，該技術(shù)通過級聯(lián)兩個阻 尼系數(shù)不同的二階廣義積分器構(gòu)成一個雙 濾波的正交信號發(fā)生環(huán)節(jié)(QSG)，同時正負(fù) 序分量計算網(wǎng)絡(luò)從雙濾波QSG中提取電網(wǎng) 基波的正序分量用于鎖頻環(huán)(FLL)跟蹤頻 率。仿真結(jié)果表明：在電網(wǎng)故障的條件下， 基于級聯(lián)二階廣義積分器的鎖頻環(huán)技術(shù)能 夠有效地消除負(fù)序分量和諧波分量對頻率 檢測精度的影響，實現(xiàn)對頻率變化的快速跟 蹤。參考文獻(xiàn)under distorted utility conditionsC/Applied Power Electr

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