基于降阶广义积分器的三相并网 逆变器锁频环技术 钟建伟 ,朱涧枫1,汤向华 ,侯丽钢 ,黄秀超’,张建业。,黄谋甫。,田家俊。 (1.湖北民族学院,湖北恩施445000;2.国网江苏海门市供电分公司,江苏海门2261 O0; 5.国网湖北恩施供电公司,湖北恩施445000) 摘要:并网电流的质量是衡量并网逆变器性能的重要指标,快速而精确地检测电网频率和相位是控制并网电 流的前提。在现有的频率锁定环(FLL)基础上提出了一种基于降阶广义积分器的改进型频率锁定环方法(这里 称ROGI—FLL),该方法能够在电网电压不平衡、谐波失真、直流偏移等条件下,提取电网电压和频率的正序和负 序分量,在无锁相环的条件下直接用于并网电流控制策略,最后通过仿真和实验验证了该方法的可行性和效 用性。 关键词:降阶广义积分器;锁频环;逆变器 正负序分离;并网电流控制 中图分类号:TM61 5 近年来,随着大规模光伏系统接入电力系统,光 based on reduced order resonant controller,ROR—FLL) 伏系统和电网之间的相互影响不可忽视。一方面,由 方法,省去了正负序计算部分,但是系统的品质因数受 于电力电子器件等非线性负荷的引入,直接导致电网 电网频率波动影响,若电网中存在直流偏置时会有锁 电压和电流波形发生畸变以及电网的电能质量下降, 相误差问题,为克服RoR—FLL的不足,本文在文献[4— 另一方面,由于大型并网逆变器常安置于偏远地区, 5]的基础上提出了基于降阶广义积分器的改进型方法 而电网中电力线路常发生短路和断路故障,造成三相 (ROGI—FLL),该方法能够在电网不平衡、存在直流分 电压的不平衡,进而影响并网逆变器的稳定运行。因 量和谐波情况下,快速准确提取基波正负序分量、频率 此,本文研究在电网电压不平衡和谐波畸变情况下, 等信息,从而保证三相并网逆变器的可靠运行。 电压相位、频率及其正负序分量的快速准确检测方 法,从而使并网逆变器输出三相对称电流。 1 改进型降阶广义积分器锁频环 在电网平衡条件下,同步旋转坐标系锁相环(s)11一 1.1 R0GI原理 chronous reference frame-pll,SRF·PLL)能够快速准确 文献[3,5]提出了基于二阶广义积分器(second—or— 检测出电网电压的相位和频率信息 ,但SRF.PLL在 der generalized integrator,SOGI)的锁相环技术,利用 电网不平衡下会出现锁相误差。文献【2]在SRF-PLL 具有自适应滤波特性的SOGI来构建正交发生器,再 基础上提出了基于双同步旋转坐标系的锁相环(decou. 根据瞬时对称分量法 实现基波的正负序分离。其 pled double synchronous reference flame-pll,DDSRF- 中,SOGI的传递函数可表示为 PLL)技术,DDSRF的解耦网络能在电网不平衡下完全 分离出电压的正负序分量,PLL模块能够准确检测到 G小) 吉×(南+南)。(1) 电压正负分量的相位、频率信息,但涉及正负旋转坐标 式中:∞ 为谐振角频率。根据式(1)得到系统的极点: 系和多个滤波器,计算量复杂。文献[3]提出了基于双 ± ,说明SOGI有频率选择特性而没有正负极性选 二阶广义积分的锁频环(double second order genenra1. 择特性,不能用于实现电网基波的直接正负序分 ized integrator frequency—locked loop,DSOGI—FLL)技 离 。因而对SOGI进行降阶处理,得到此时的RO. 术,保证精确检测出电网频率、基波正负分量的前提 GI的传递函数为 下,具有频率自适应和无PLL特点。文献[4]提出了基 G,(s)=—w_ 。 (2) 于降阶谐振控制器的频率锁定(frequency—locked loop —J 当谐振角频率 等于电网正同步旋转角频率 蓑牲鼋轰化 201 8午第7期总第574期 时,可以直接用于提取电网基波正负序信号。但传递 1D (j09)I=1,幼 (j )=0说明能对基波正弦输入信 函数G (s)中存在复数j,不利于数学实现。根据在 - 号准确检测。传递函数D (s)相当于谐振频率 的 JB坐标系下的关系来代替复数j,得到ROGI的实现方 二阶带通滤波器和低通滤波器的组合,说明具有谐波 法,如图1所示,此时U =“枷,/(S—j60 o = 姊批 ]o(3) 磷ua(p) + Ⅱ】 H 甜 n(n) ROGI二> 二二 瞰n) 2 HOGI-PNSS买 结构图 其中k为ROGI的增益,此时输出信号u )和 Lt/3(p)相对输入信号u 的传递函数分别为 s)= ㈠= S kto S;(4) d +Z + ~ s) ㈩= +Z 。(5) S s+ ~ 以传递函数D (S)为例,在 = 时,有目. 抑制能力,设定系统阻尼为0.707,即k=0.707,系统 的品质因数Q=1/(2 )仅与增益k有关,不受谐振频 率 的影响。 由于转换电路和测量信号的偏差,以及瞬时 u ≠j“口,使电网中含有直流分量,所以对于利用u = j 关系来代替降阶广义积分器是不可行的;其次,传 递函数D (S)和P (S)均不能完全抑制直流分量;以 及利用锁频环来实现频率自适应时,含有直流偏置的 锁频环输入信号会造成锁频环检测不准确。综合以 上三个原因,准确滤除电网电压中可能存在的直流偏 置是十分必要的。 在ROGI-PNSS系统中,采用低通滤波的方法来 抑制直流分量不再可行,因而采用附加直流补偿的方 法 ,得到此时的ROGI-PNSS的结构如图3所示。其 中,用 代替 或J8, 表示误差信号,d 表示直流分 量,ko为积分增益,其值大小影响系统的响应速度。 在电网电压中含有直流分量时,通过附加直流补偿能 够准确得到输入信号中的直流偏置,此时输出的基波 正负序分量中将不含有直流分量。 }'{ H Hl/ }- 档------ ̄Uf[(1l 'l H H Hl/ }{_ 图3 附加直流补偿模块的ROGI—PNSS实现结构图 此时输出信号U )、 )和d 以及误差信号 相 对输入信号“ 的传递函数分别为: D “ )(S)/u (S)=kw's(S+j )/R(S) Q E/u /R 。(= (s) (s)=s(s + ) (s) 。一 6) d =d (S)/u (S)= 。 (S。+ )/R(S) 式中:R( )=s +(2k+ o)∞ + + 0 ,当 = 时,有l D:(j )l:l Q:(j∞)1=1且幼:(j )=0及 Z_D:(joJ)=-90。,l (j )l= (j )I=0;当输入直 201 8年第7期总第574期 蓑村雹支化 3,7]提出的锁频环的设计思路,得到 流信号时,即 =0,有l d (j0)l=1,I D (j0)l= 信号,按照文献[FLL的结构图如图7所示。其中,厂为锁频环的 Q:(j0)l=l ,(j0)l=0,说明增加直流补偿部分后, ROGI—增益参数,本文取75,此时系统响应时间约为40 ms。 可以对输入的基波正弦信号进行正交化,而当输入信 号中含有直流分量时可以有效抑制。 在式(6)中,直流增益参数ko影响系统的稳定性 本文提出的ROGI—FLL系统,能够实现在电网不平 衡、存在直流分量和谐波情况下,准确提取基波正负 序分量、频率等信息,解决了ROR-FLL存在的问题, 相比DSOGI—FLL,正交发生器的数字实现更加简单, 和响应速度,根据特征方程R(S)=0,由劳斯判据可 以得到系统稳定条件为: c,≥0。当 。在0~0.5之间 变化时,根据直流输出信号d 的传递函数d (s)得到 单位阶跃响应如图4所示,综合考虑,本文设定直流 增益参数 。为0.23。此时传递函数D (s)、Q (S)的伯 德图如图5所示,D:(s)和Q (s)幅值始终相等且相位 同时省去基波正负序计算部分,加快响应速度。 相差90。,在非理想电网条件下能够准确得到电网的 基波正序信号。 号 耋 莹 图6传递函数Q (s)与E (s)的伯德图 图4传递函数D (s)的单位阶跃响应 图7 ROGI-FLL结构框图 2 电网不平衡下并网逆变器的控制 2.1 电网不平衡下的瞬时功率 在电网电压不平衡时,三相电压和并网电流均存 在正负序分量,在正同步坐标系下的基波正负分量为 P1、, .,,在负同步坐标系下的基波正负分量为 dq…、,【lq…,并网逆变器的视在功率s可表示为” : S=P+jq=3U·, /2。 图5传递函数D (S)与Q (S)的伯德图 1.3 ROGI-FLL (7) 式中:U=Udq(p)e + dq…e1州,,:1,1I1III】e +,dI….)e , 得到瞬时有功功率P以及无功功率q的表达式为 l 根据式(6),可以得到传递函数Q ( )与E,(s)的 I伯德图如图6所示,利用误差信号 在低于谐振频率 {【pqg +:=pqo + pq,2z cos2 2oJt q+  ̄2si n2w t。 (一8) l(cJ 与输出信号 B(P)同相,在高于谐振频率 反相的 式中:Po、go分别为瞬时有功和无功功率的平均量; I特性,定义频率偏差变量句= · (P),则有:当09= pc2 ̄p 和g z分别瞬时有功和无功功率的二倍频的 I(EJ 时,有句>0;当(c,=0.9 时,有 =s =0;当 > 时, 波动量。对于逆变器的电流控制来说,可以选择抑制 l有e/<0。因而可以选择s 和 (P)作为FLL的输入 输出有功或无功功率的二倍频波动的控制目标,使 困蓑村孳纛 l化 201 8年第7期总第374 ̄J p :=p :=0或g =q :=0l也可以选择消除并网电流 3.1电网频率下降 的负序分量的控制目标。考虑到并网逆变器对电流 目标,则给定负序电流为 为了验证频率自适应特性的ROGI—FLL,-¥H电 Hz到45 Hz突然改变,其仿真波形如 的质量要求较高,因而选择抑制并网负序电流的控制 压的频率从50 …=i 0。再根据瞬 图9所示。结果显示:FLL可以跟随电网频率的变 化,有效地将电网电压的正序和负序分量分离,响应 速度快,其调节时间为35 ms。 时功率理论得到在 坐标系下并网指令电流为 2 UaI p l3(u:(¨+“;(P J) 2.1电流控制策略 ~-Ulf I p )] 在 坐标系下,采用无源LCL滤波器的单电流 环控制框图如图8所示。图中,利用ROGI.FLL提取 电网电压的基波正序分量u ,和u 按照式(9)得到 指令电流,限定给定电流不超过额定值, ,选择PR调 节器作为电流调节器,利用锁频环的快速精确检测出 电网频率的特点,将锁定的电网角频率 作为PR调 节器的谐振频率” ,这样当电网频率波动较大时,有 利于调节器的电流控制。 图9 电网频率下降时的仿真波形 3.2电网相位突变 为了验证对ROGI—FLL电网相位突变的特点,三 相电压的相位下降至50。,其仿真和实验波形分别如 图l0、图l1所示。结果表明,当系统达到受超调电网 相位突变,经过35 ms调整时间后达到一个新的稳定 状态,满足预期的效果。 l00 图8并网电流控制框图 > 0 3仿真与实验 根据表1的系统参数,按照图8的控制框图,在不 同电网条件下情况,对系统进行仿真和实验验证。 表1系统参数比较 参数 数值 参数 数值 1 200 2 V /一 l 直流输入电压 /V 250—300额定功率P。/W 输出相电删V 64 电网频率fo/Hz 、 50 开关频率f,/Hz 1 0 图10电网相位突变的仿真波形 谐波含量/流n% , <5‘ 功率因数 >0。… ‘- 9 201 8年第7期总第374期 采拊毫支化 + 一 :10V/div 注入0.5 p-u.直流和0-3 p.u.的5次谐波,C相被设定在 一…. 额定电压。控制系统的仿真波形与实验波形如图14 和图15显示。结果表明,ROGI-FLL可以准确地检测 出所需的基波正序分量,并且响应时间40 ms。 \ u,:32V/div f:10ms/div 图11 电网相位突变的实验波形 3.3三相电压不平衡 相电压A、B、C相分别假定降到0.5、0.5、0.2 P-u_, 电流额定值给定。根据图8的控制框图,仿真和实验 波形如图12、13所示,它检测到的波形的PNSS,和系 统响应时间为30 ms,说明本文提出的ROGI—FLL适 合电网不平衡下的并网逆变器控制系统。 o 善 \ 图1 5注入谐波和直流实验波形 4结束语 ^V d 基于ROGI—FLL系统提出了电网正负序分量检 1 :, / r\ √ ,.一, 一,, , 、 测分离法,并应用于并网逆变器控制系统。通过理论 分析验证,仿真和实验,表明提出的ROGI—FLL方法 适用于非理想电网,并能快速准确地检测频率和正、 负序分量,使并网逆变器运行安全稳定。 / ):32V/ ̄v 参考文献 【1】 Chung se—Kyo.A phase tracking system for three phase utili ty interface inverters[J】.IEEE Transactions on Power Electron ics,2000,1 5(3):451—458 【2】 Rodriguez Pedro,Pou Josep,Bergas Joanet a1.Decoupled Dou ble Synchronous Reference F rame PLL for Power Converters Con trol[J】lEEE Transactions oN Power E;ectronics,2007,22 资讯 (2)584—592 [3】 RodNguez Ped ro,Luna A,Munoz Agui】ar Rau Santiagoet al 南方电网自行导出500 kV电压比例标准量值能力 A Stationary Reference Frame Grid Synchr0njzat10n System for 获国家认 Three Phase G r】d Connected Power Conve rters Under Adve 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