李珊瑚 杜 雄 王莉萍 周雒維

（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400030）

1 引言

在新能源發(fā)電中，各種分布式電源通過(guò)電力電子變流器并網(wǎng)，要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)變流器與電網(wǎng)的同步運(yùn)行，需檢測(cè)電網(wǎng)電壓的頻率、相位和基波分量，即提取電網(wǎng)電壓同步信號(hào)，同時(shí)同步信號(hào)還可能會(huì)參與變流器的控制。同步信號(hào)提取方法會(huì)影響分布式發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行性能[1-2]。隨著電網(wǎng)環(huán)境的變化和變流器技術(shù)的不斷發(fā)展，并網(wǎng)變流器對(duì)同步信號(hào)提取的要求也在不斷提高。大規(guī)模新能源發(fā)電并入電網(wǎng)，電網(wǎng)也對(duì)新能源發(fā)電參與系統(tǒng)頻率控制提出了要求[3]。非理想工況下，電網(wǎng)電壓可能會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱、諧波和頻率變化等[4]。同步信號(hào)檢測(cè)方法也需要在非理想工況下具有良好的同步性能，同時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也是需要考慮的一個(gè)重要指標(biāo)。

在近似認(rèn)為電網(wǎng)頻率恒定的情況下，瞬時(shí)對(duì)稱分量法[5-6]和基于瞬時(shí)對(duì)稱分量法的延時(shí)信號(hào)對(duì)消法[7]，以及空間矢量濾波法[8-9]均被用于同步信號(hào)的檢測(cè)，并得到了較好的效果。但當(dāng)電網(wǎng)頻率變動(dòng)時(shí)，檢測(cè)結(jié)果受到影響，同步效果差。在新能源發(fā)電系統(tǒng)中，接入點(diǎn)的電網(wǎng)頻率會(huì)存在波動(dòng)。因此應(yīng)用于新能源發(fā)電并網(wǎng)的同步信號(hào)檢測(cè)方法還需具有頻率自適應(yīng)性。基于dq變換的同步參考坐標(biāo)系鎖相環(huán)[10（]Synchronous Reference Frame PLL，SRF-PLL）方法具有頻率自適應(yīng)功能，該方法在理想電網(wǎng)電壓情況下可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的同步效果，已得到廣泛的應(yīng)用。但在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱和含有諧波的非理想工況下，同步效果受到極大影響[11]。在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱的情況下，電壓負(fù)序分量在dq軸系分量上存在二倍工頻波動(dòng)[11-12]，為了消除負(fù)序分量對(duì)同步性能的影響，可以采用降低低通濾波器帶寬的方法來(lái)提高同步效果，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度會(huì)受到影響。為了在同步效果和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度方面進(jìn)行折中，許多文獻(xiàn)提出了不同的解決方案。如采用雙二階通用積分器[12]得到和電網(wǎng)電壓正交的90°移相信號(hào)，先進(jìn)行正負(fù)序分解避免二倍工頻分量的產(chǎn)生，然后進(jìn)行dq變換以消除負(fù)序分量的影響。以及基于正序dq軸分解的解耦雙同步參考坐標(biāo)系鎖相環(huán)（DDSRF-PLL）[13]，DDSRF-PLL是解決電網(wǎng)不平衡對(duì)同步信號(hào)檢測(cè)的影響問(wèn)題較為優(yōu)秀的解決方案。另外以自適應(yīng)濾波器（ANF）[14]為基礎(chǔ)的具有頻率自適應(yīng)功能的非線性同步方案也由單相系統(tǒng)的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)每相分別采用一個(gè)ANF單元進(jìn)行鎖相推廣用于三相系統(tǒng)[15]，可解決電網(wǎng)電壓不對(duì)稱的問(wèn)題。采用附加的第四個(gè)ANF單元改善頻率跟蹤性能的增強(qiáng)型PLL（EPLL）[16]也被用于解決負(fù)序分量的問(wèn)題。為了解決諧波對(duì)同步效果的影響，上述方案均以降低帶寬，犧牲動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度為代價(jià)。文獻(xiàn)[17]采用附加的時(shí)變?yōu)V波單元來(lái)抵消部分諧波的影響，實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜。

為了解決諧波對(duì)同步效果的影響，本文將以解耦雙同步參考坐標(biāo)系鎖相環(huán)為基礎(chǔ)，借鑒在永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用的多同步參考坐標(biāo)系分解方法（MRSF）[18]，提出一種解耦多同步參考坐標(biāo)系同步信號(hào)檢測(cè)方法（DMRSF-PLL）。實(shí)現(xiàn)在消除電網(wǎng)電壓負(fù)序分量影響的同時(shí)，還可在不犧牲動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的前提下消除主要低次諧波分量對(duì)同步性能的影響。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中討論的同步信號(hào)檢測(cè)方法在電網(wǎng)電壓不平衡、頻率突變且含有諧波等情況下，能夠準(zhǔn)確快速提取同步信號(hào)。

2 DDSRF-PLL及其性能分析

在非理想情況下，電網(wǎng)電壓ui（i=a，b，c）可表示為

當(dāng)i=a，b，c時(shí)，相應(yīng)的ki=0，1，2，式中u1+、u1-分別為基波正序和負(fù)序分量幅值；uh為第h次諧波分量幅值；ω為電網(wǎng)基波頻率；φ-1為負(fù)序基波電壓相位；φh為第h次諧波分量的相位。三相電壓變換到兩相靜止αβ 坐標(biāo)可表示為

式中

式（3）中變換矩陣分別為

從式（5）可以看出，進(jìn)行負(fù)序解耦后的正負(fù)序變換結(jié)果雖然消除了二倍工頻分量，但由電源電壓諧波分量產(chǎn)生的紋波分量依然存在。

dq軸采用的低通濾波器為

以次數(shù)較低的5、7次諧波為例，5次諧波為負(fù)序諧波，7次為正序諧波，此時(shí)h分別為-5和7，衰減的比例為12%。當(dāng)?shù)痛沃C波含量較高時(shí)，dq變換值仍然含有較大的偶次紋波。特別對(duì)于電網(wǎng)頻率的檢測(cè)，q軸分量將會(huì)直接影響檢測(cè)結(jié)果，使得檢測(cè)頻率含有較大的諧波分量。

從圖1可以看出，當(dāng)電網(wǎng)電壓含有諧波時(shí)，DDSRF-PLL不能準(zhǔn)確地提取頻率信息，提取的頻率信息約含有0.5Hz的波動(dòng)，已難于滿足參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)時(shí)對(duì)頻率檢測(cè)的要求[3]。正負(fù)序分量dq分解結(jié)果也受到諧波的影響，含有較大的諧波分量。因此為了獲得準(zhǔn)確的同步信號(hào)，需進(jìn)一步研究消除諧波影響的同步信號(hào)方法。

圖1 諧波情況下DDSRF-PLL方法的測(cè)試結(jié)果Fig.1 Test results of DDSRF-PLL under harmonic condition

3 解耦多dq軸PLL

為了消除諧波對(duì)正序分量和頻率檢測(cè)結(jié)果的影響，本文將電網(wǎng)電壓信號(hào)進(jìn)行多同步參考坐標(biāo)系分解，然后對(duì)分解結(jié)果進(jìn)行解耦以消除負(fù)序分量和諧波的影響，提高同步效果。

非理想電壓（含有不對(duì)稱和諧波）在正序和負(fù)序dq軸系的分解結(jié)果已在式（4）中表示，也可分析非理想電壓在任意h次諧波dq軸系分解的結(jié)果為

從式（8）可以看出，第h次諧波分量在h次諧波dq軸系的變換結(jié)果為直流分量，而正、負(fù)序分量的變換結(jié)果分別為h-1、h+1次的紋波分量。結(jié)合式（4）的結(jié)果，非理想電壓在任意dq軸系上的變換結(jié)果均可表示為第h次諧波在第h次dq軸系（基波正序和負(fù)序可看成h=±1）的直流分量和非h次諧波在第h次dq軸系的交流分量之和。利用非h次dq軸系的直流分量和電網(wǎng)電壓相位的數(shù)學(xué)關(guān)系解耦交流分量獲取直流分量。圖2所示為在h次dq軸系對(duì)交流分量進(jìn)行解耦的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 第h次dq軸系解耦結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of decoupling network in the h th dq axis

4 解耦多dq軸PLL性能分析

電網(wǎng)電壓畸變主要是由于5次和7次諧波的影響，受其他高次諧波的干擾較小。因此解耦多dq軸PLL只考慮正序、負(fù)序、5次、7次dq軸之間的解耦，高次諧波通過(guò)低通濾波器進(jìn)行衰減。因此消除5、7次諧波的解耦多dq軸PLL的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 解耦多dq軸PLL結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of DMSRF-PLL

圖中分別進(jìn)行了基波正序、負(fù)序，5次和7次諧波的同步參考坐標(biāo)系分解，并分別采用了四個(gè)通道的解耦網(wǎng)絡(luò)。三相系統(tǒng)中，5次諧波可看成負(fù)序分量，因此圖中h取-5。其中正序q軸分量的輸出經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器得到角頻率估計(jì)值ω?，角頻率的積分得到相位信息θ?，θ?用于各同步參考坐標(biāo)系的變換，與SRF-PLL中頻率和相位信息的估計(jì)方法相似[10]。低通濾波器的截止頻率不僅要考慮高次諧波的衰減程度，還必須考慮正、負(fù)序基波分量輸出穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和超調(diào)量。本文中解耦多dq軸PLL的低通濾波器的截止頻率選取與文獻(xiàn)[13]介紹的方法相似，因此選取的ωf也等于輸入信號(hào)頻率的0.707倍。

采用圖3所示的結(jié)構(gòu)，可以消除負(fù)序和5，7次諧波的影響，在三相電壓不平衡和有諧波存在的場(chǎng)合時(shí)都將能準(zhǔn)確地提取同步信號(hào)。但由于增加了5，7次解耦通道，在一定程度上增加了計(jì)算量。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證解耦多dq軸PLL的性能，文中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。各種輸入電壓信號(hào)由可編程三相交流電源67103提供。參照并網(wǎng)變流器對(duì)同步信號(hào)提取方法的要求，分別對(duì)輸入電壓含有諧波、三相電壓不對(duì)稱、頻率跳變，以及同時(shí)含有不對(duì)稱和諧波4種工況進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果主要包括頻率和相位，正負(fù)序dq軸系的分解結(jié)果。

5.1 諧波情況

輸入三相電壓測(cè)試條件與第2節(jié)DDSRF-PLL的測(cè)試條件一樣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，與圖1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，頻率檢測(cè)結(jié)果幾乎消除了波動(dòng)分量，基波dq軸的分解結(jié)果也消除了紋波分量，響應(yīng)時(shí)間小于一個(gè)周期。表明了所提DMSRF-PLL方法在諧波抑制方面的有效性。

圖4 諧波情況下DMSRF-PLL方法的測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test results of DMSRF-PLL under harmonic condition

5.2 不對(duì)稱情況

圖5 不對(duì)稱情況下DMSRF-PLL方法的測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results of DMSRF-PLL under unbalance condition

5.3 頻率跳變情況

當(dāng)電網(wǎng)電壓頻率發(fā)生從50Hz到55Hz的跳變時(shí)的頻率相位檢測(cè)結(jié)果如圖6所示，響應(yīng)時(shí)間也約一個(gè)周期。

圖6 頻率跳變情況下DMSRF-PLL方法的測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results of DMSRF-PLL under frequency jump condition

5.4 不對(duì)稱和諧波情況

圖7 畸變情況下DMSRF-PLL方法的測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of DMSRF-PLL under distort condition

6 結(jié)論

文中首先分析并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，解耦雙同步參考坐標(biāo)系鎖相環(huán)方法在電網(wǎng)電壓存在諧波的情況下，檢測(cè)到的同步信號(hào)和頻率信號(hào)存在較大的紋波分量。為了解決DDSRF-PLL方法在諧波工況下的缺點(diǎn)，本文提出了基于解耦多同步參考坐標(biāo)系的同步信號(hào)檢測(cè)方法，該方法通過(guò)在基波和低次諧波同步參考坐標(biāo)系進(jìn)行分解并解耦，可以在非理想電壓情況下取得好的同步效果。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱、含有諧波、頻率跳變以及含有多次諧波的不對(duì)稱情況下，均能準(zhǔn)確快速提取出同步信號(hào)，為新能源發(fā)電中變流器的同步信號(hào)提取提供了一種新的方案。

[1] Blaabjerg F,Teodorescuk R,Liserre M,et al.Overview of control and grid synchronization for distributed power generation systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2006,53(5):1398-1409.

[2] Freijedo F D,Doval Gandoy J,Lopez O,et al.Grid-synchronization methods for power converters[C].IEEE Industrial Electronics Annual Conference,Porto,Portugal,2009: 522-529.

[3] Tsili M,Papathanassiou S.A review of grid code technical requirements for wind farms[J].IET Renewable Power Generation,2009,3(3): 308- 332.

[4] 肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京：中國(guó)電力出版社,2009.

[5] Ghosh A,Joshi A.A new algorithm for the generation of reference voltages of a DVR using the method of instantaneous symmetrical components[J].IEEE Power Engineering Review,2002,2(1): 63-65.

[6] 袁旭峰,程時(shí)杰,文勁宇.改進(jìn)瞬時(shí)對(duì)稱分量法及其在正負(fù)序電量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(1): 52-58.Yuan Xufeng,Cheng Shijie,Wen Jinyu.An improved method of instantaneous symmetrical components and its detection for positive and negative sequence current[J].Proceedings of the CSEE,2008,28(1):52-58.

[7] Svensson J,Bongiorno M,Sannino A.Practical implementation of delayed signal cancellation method for phase-sequence separation[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2007,22(1): 18-26.

[8] Svensson J.Synchronisation methods for grid-connected voltage source converters[J].IEE Proceedings-Generation,Transmission and Distribution,2001,148(3): 229-235.

[9] 張桂斌,徐政,王廣柱.基于空間矢量的基波正序、負(fù)序分量及諧波分量的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2001,21(10): 1-5.Zhang Guibin,Xu Zheng,Wang Guangzhu.Study and simulation of real-time detecting method for fundamental positive sequence,negative sequence components and harmonic components based on space vector[J].Proceedings of the CSEE,2001,21(10):1-5.

[10] Kaura V,Blasco V.Operation of a phase locked loop system under distorted utility conditions[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1997,33(1):58–63.

[11] 周鵬,賀益康,胡家兵.電網(wǎng)不平衡狀態(tài)下風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制中電壓同步信號(hào)的檢測(cè)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2008,23(5):108-113.Zhou Peng,He Yikang,Hu Jiabing.Detection of voltage synchronization signals for a wind energy generation system unbalanced grid conditions[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2008,23(5): 108-113.

[12] Rodríguez P,Teodorescu R,Candela I,et al.New positive-sequence voltage detector for grid synchronization of power converters under faulty grid conditions[C].In Proceedings of IEEE Power Electronics Specialist Conference,2006: 1-7.

[13] Rodríguez P,Pou J,Bergas J,et al.Decoupled double synchronous reference frame PLL for power converters control[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2007,22(2): 584-592.

[14] Mohsen Mojiri,Masoud Karimi Ghartemani,Alireza Bakhshai.Time-domain signal analysis using adaptive notch filter[J].IEEE Transaction on Single Processing,2007,55(1): 85-93.

[15] Davood Yazdani,Alireza Bakhshai,Mojiri M.A nonlinear adaptive synchronization technique for grid-connected distributed energy sources[J].IEEE Transaction on Power Electronics,2008,23(4):2181-2186.

[16] Karimi Ghartemani,Iravani M Reza.A method for synchronization of power electronic converters in polluted and variable-frequency environments[J].IEEE Transactions on Power Systems,2004,19(3)：1263-1270.

[17] Helber E P de Souza,Fabrício Bradaschia,Francisco A S,et al.A method for extracting the fundamentalfrequency positive-sequence voltage vector based on simple mathematical transformations[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(5):1539-1547.

[18] Chapman P L,Sudhoff S D.A multiple reference frame synchronous estimator/regulator[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2000,15(2):197-202.