逆变器在电网故障下的并网同步化技术

逆变器在电网故障下的并网同步化技术包其仕，庞科旺，刘影（江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江 212003）Grid Synchronization Method for Power Inverters Under Polluted Grid conditions BAOqishi, PANGkewang, LIUying School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China 摘要 在大规模可再生能源并网发电场合中电网可能会存在电压跌落、频率变化和谐波污染等故障，因此需要采用更高性能的锁相 频 环技术实现故障情况下的电网同步，增强并网逆变器为电网提供频率和幅值支撑的能力。提出一种基于级联二阶广义积分器 SOGI 的锁频环技术。该技术通过级联二阶广义积分器和正负序分量计算网络快速精确地从故障电网中分离出基波正、负序分量，有效地消除了负序分量和谐波分量对获取频率信息的影响，实现频率自适应。MATLAB 的仿真结果证明了该技术的有效性和可行性。关键字 并网逆变器；级联二阶广义积分器；正负序分离；锁频环Abstract There are many grid faults in large-scale renewable 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/ frequencyeven if the grid is polluted .so the better PLL or FLL is expected to achieve 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 effectiveness and feasibility. Key words grid-connected inverters ， Cascaded SOGI ， positive/negative-sequence separation，frequency-locked loop 0 引言在风能、 太阳能等分布式并网发电系统场合， 如何控制并网逆变器与三相电网进行良好的同步是并网发电系统的关键问题之一。 三相并网逆变器常采用单同步旋转坐标系下的锁相环 SRF-PLL 来获取电网电压的相位和幅值。理想电网电压条件下， SRF-PLL 可以快速精确地获取电网基波电压的幅值和相位。 即使电网受到一定幅值的高次谐波污染， 通过减少锁相环的带宽也能一定程度的消除谐波影响，但这会降低 SRF-PLL 的动态响应性能 [1]。当电网电压出现不对称的情况， SRF-PLL 检测出的幅值与相位会存在 2 倍基频的干扰量，影响锁相性能。为解决这个问题，文献 [2]提出了基于解耦双同步旋转坐标系的锁相环DDRF-PLL 技术。 DDRF-PLL 采用正、负序两个同步旋转坐标系和解耦网络实现了基波电压正、 负序分量的分离，同时利用锁相环获得精度较高的相位信息 [3-4] ，但由于其包含一阶滤波环节， 会影响系统的动态性能。 文献 [5-7]提出了基于双二阶广义积分锁频环 DSOGI-FLL 的电网同步技术。该技术采用双二阶广义积分器和正负序分量计算网络提取基波的正负序分量， 同时利用锁频环 FLL 实现电网同步。但当电网谐波畸变严重时，滤波效果会受到系统带宽的限制，导致电网频率的检测精度降低。 本文提出了一种级联二阶广义积分器的锁频技术， 通过级联两个阻尼系数不同的二阶广义积分器构成了一个双滤波的正交信号发生环节QSG，同时正负序分量计算网络从双滤波QSG 中提取电网基波的正序分量用于锁频环 FLL 实现频率的自适应，有效地消除了负序分量和谐波分量对频率检测精度的影响， 提高了电网故障时， 并网逆变器对电网提供一定支撑的能力。1 基于级联二阶广义积分的正交信号发生环节理想的正交信号发生器能够从给定的畸变输入信号中提取一组干净的正交信号，并且在频率处不会产生任何延迟。 一种基于二 阶 广 义 积 分 的 正 交 信 号 发 生 器SOGI-QSG 的结构如图 1 所示。图中 k 和w 分别为 SOGI-QSG 的阻尼系数和谐振频率， V 为输入信号， V 和 Vq 分别为输出的正交信号， 其中 2/jeqq 是一个 90滞后的移相算子。 而级联二阶广义积分正交信号发生器的结构如图 2 所示。图 1 二阶广义积分正交信号发生器结构Fig.1 structure diagram of SOGI-QSG 图 2 级联二阶广义积分正交信号发生器结构Fig.2 structure diagram of cascade SOGI-QSG由图 1 和图 2 所知， SOGI-QSG 和级联阻尼系数不同的 SOGI-QSG 的闭环传递函数为122222wswkswksVVqsQwswksswksVVsD2**2222422223wswkswswkswkksVVqsQwswkswswksswkksVVsD其中阻尼系数 k 满足 1kksD 、 sQ 、 sD 和 sQ 的伯德图如图 3 所示。图 3 SOGI-QSG 和级联 SOGI-QSG 系统的伯德图Fig.3 Bode diagram of SOGI-QSG and cascaded SOGI-QSG由此可得出级联 SOGI-QSG 中的幅频特性， 1 输出 v 的相位滞后输入 90 ，输出 vq 的相位滞后于输入 180 ; 2 级联SOGI-QSG 中的 sD 具有带通滤波效果而 sQ 则具有低通滤波的效果，且相较于SOGI-QSG 中的 sD 和 sQ ， 它们具有更强的抑制高频谐波分量的能力。SOGI-QSG 的时间响应可参考文献 [8]。考虑级联 SOGI-QSG 的时间响应。 令输入为sin wtVv 。 当 ww 时 级 联SOGI-QSG 系统的输出如式 3和式 4所示。cos21cos2/1121cos2/1122222122 wtVetkwkVetkwkVv kwtkwtsin21sin2/1121sin2/11222222 wtVetkwkVetkwkVvq kwtkwt式中2221 2/12/arctan2/12/arctankkkk ，对于式 1中的二阶系统可以用 6.4st来大致估计其整定时间 [9]。 因为式 1中时间常 数 wk/2 ,所 以 对 于 已 给 定 的 st ，SOGI-QSG 的阻尼系数 k 为 *2.9wtk s 5 当 2k 和 50*2w rad/s 时，系统的整定时间和动态响应超调之间的关系达到最优。 此时根据式 5 可得， SOGI-QSG 系统的整定时间为 20.7ms， 大约为电网的一个工频周期。 由式 3和式 4 可知， 级联 SOGI-QSG系统的输出是由两个时间常数不同且按指数衰减的瞬态分量和一个正选稳态分量组成。合理选取 k 值，级联 SOGI-QSG 系统可获得与 SOGI-QSG 系统大致相当的整定时间，且具有较好的动态性能。2 正负序分量的检测方法在电网电压出现不对称的情况下， 正确地检测出三相电网电压中的正序基波分量对于三相并网逆变器是十分关键的。根据Lyon 对称分量法可知，三相不对称电网电压可以被分解成暂态的正序、 负序和零序分量三部分。 由于分布式发电系统通常以三相三线制与三相电网相连， 不会向电网注入零序电流， 因此不需要对零序分量电压进行电流的同步。所以只需将正负序分量电压分离， 确保锁频系统精确跟踪正序基波分量电压的频率。在静止两相坐标系 下，通过对 v 、qv 和 v 、 qv 两组正交信号进行计算可以得到三相不对称电压 abcv 的正、负序分量电压，计算表达式如下vvqqvv11216vvqqvv11217 根据式 6 、式 7的计算方法，结合两个级联 SOGI-QSG 系统分别提供的两组正交信号及其幅频特性， 就可计算出三相不对称电压在静止两相坐标系 下的正序分量电压。其系统结构如图 4 所示。图 4 基于级联 SOGI-QSG 的正负序分量计算网络Fig.4 positive/negative sequence separation base on cascaded SOGI-QSG 3 自适应锁频环节在电网同步系统中， 级联二阶广义积分正交发生器的谐振频率通常可由锁相环PLL 自适应地调节为输入信号的频率。锁相环将其内部振荡器的相角锁定输入信号的相角， 同时检测出输入信号的频率， 使级联二阶广义积分正交发生器可以自适应调试良好。 但锁相环通常需要使用同步坐标和三角函数，这会增加数字化实现的时间。因此考虑使用锁频环 FLL 取代锁相环。一个简单的基于三相电压的锁频环结构如图 5 所示。 在这个结构中， 利用一个带有负增益 -的积分控制器对误差 v 和 qv 的乘积进行控制，将级联系统的谐振频率 w 移相到与输入频率 w 相一致。 在频率同步的过程中， 使用式 8将增益系数 进行标准化， 使锁频环不受电网变量的影响， 获得一阶指数的线性响应。 22 vvwk 8 由文献 [10]可知，一阶锁频环系统的整定时间可粗略估计为 5 FLLst 9 此外，电网频率额定值 cw 作为一个前馈量添加到锁频环的输出来加快初始的同步过程。图 5 锁频环结构图Fig.5 structure diagram of FLL 4 仿真分析为了验证本文提出模型的可行性， 利用MATLAB/SIMULINK 搭建模型分别对电网电压跌落时的正负序分离的性能、 电网频率变化的动态响应及电网电压谐波畸变时的抗干扰能力进行仿真分析。参数设置为 电网 相 电 压 为 220V ， 电 网 基 波 频 率 w 为50Hz ； 级 联 SOGI-QSG 环 节 中 2k ，kkk 2 ；锁频环中 50*2cw rad/s，80 。4.1 电网电压跌落模拟电网电压发生三相不对称的跌落。0.3s 时刻， B 相电压跌落 50， A 、 C 相电压保持不变， 0.4s 时刻故障恢复。图 6 为采用级联二阶广义积分锁频环系统进行正、 负序分离的仿真结果。由图 6 可知， 级联二阶广义积分锁频环系统能够在电网电压跌落时快速检测故障， 并分离出正负序分量，整定时间约为 20ms，与式 5计算值一致。0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.4 0.42 0.44-200-10001002000.28t/sV/,-VV图 6 正负序分离的仿真波形Fig.6 Simulation results of positive/negative sequence separation 4.2 电网频率变化为了验证级联广义二阶积分锁频环系统对频率变化的自适应能力， 模拟电网电压频率在 0.4s 时刻由 50Hz 变为 45Hz。图 7为级联二阶广义积分锁频环系统的仿真结果。 由图 7 可知 ,当给定的电压频率发生变化时， 级联二阶广义积分锁频环系统能够较为精确地跟踪其变化， 并实现输入频率的自适应。整定时间大约为 40ms，与式 9的计算值一致。t/sw Va Vb Vc0.50.520.540.560.580.60.620.640.660.480.460.440.420.40.380.36-300-200-1000100200300400Vabc/V,w/rad/s图 7 频率检测的仿真波形Fig.7Simulation results of frequency detection 4.3 电网谐波畸变为了验证级联广义二阶积分锁频环系统的抗干扰能力， 在 0.3s-0.5s 的时间段内往模拟电网电压注入 10的 5次谐波分量和 15的7 次谐波分量。图 8 为电网电压波形图，图9 为 采 用 级 联 广 义 二 阶 积 分 锁 频 环 和DSOGI-FLL 的仿真结果。由图 9 知，电网遭受严重谐波畸变时， 采用级联广义二阶积分锁频环技术获得的频率精度更高，满足GB/T15945-2008电能质量电力系统频率偏差 规定 [11] 电网正常频率偏差允许值为电网频率 0.2Hz。 而且能够快速地跟踪谐波畸变时造成的频率波动，频率整定时间约为40ms。-300-200-1000100200300t/s0.5 0.520.480.460.440.420.40.380.360.340.320.3Vabc/V图 8 三相电网电压严重畸变时的波形Fig.8 Simulation results of grid voltage under harmonic distortion 5049.54948.54850.551DSOGI-FLL CascadedDSOGI-FLL0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6f/Hzt/s图 9 DSOGI-FLL 和级联 DSOGI-FLL 的频率检测波形Fig.9Simulation results of frequency detection of DSOGI-FLL and cascaded DSOGI-FLL 5 结论本文提出了一种电网故障下并网逆变器的电网同步技术， 该技术通过级联两个阻尼系数不同的二阶广义积分器构成一个双滤波的正交信号发生环节 QSG，同时正负序分量计算网络从双滤波 QSG 中提取电网基波的正序分量用于锁频环 FLL 跟踪频率。仿真结果表明在电网故障的条件下，基于级联二阶广义积分器的锁频环技术能够有效地消除负序分量和谐波分量对频率检测精度的影响， 实现对频率变化的快速跟踪。参考文献[1] Kaura V, Blasko V . 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