逆变器在电网故障下的并网同步化技术

1、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 GridconditionsBAOqishi, PANGkewang, LIUying(School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang212003, 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

2、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 g

3、enerations. 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 achieve it

4、. 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

5、and feasibility.Key words: grid-connected inverters, Cascaded SOGI, positive/negative-sequence separation,frequency-locked loop0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

6、 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提阻尼系数不同的SOGI-QSG的闭环传递函VD(s) = v(s)(s)=C 7、 V ,、D (S) = (s)=s2kw s w 2kk w 3s(s2 -kws-w2)*(s2 - kws-w2)kk w*4(s2 - kw s w 2)* (s2 kw s w 2)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

7、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

8、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qV 分别为输出的正交信号，其中q(q = em2)是一个903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

9、广义积分正交信号发生器结构Fig.1 structure diagram of SOGI-QSGVSOGISG(k ) SOG-QSG(k)Cascaded SOGI-QSG图2级联二阶广义积分正交信号发生器结构structure diagram of cascade SOGI-QSG由图1和图2所知，SOGI-QSG和级联数为kw ss2 kw s w 2(1)2(1)kwV qV Q (s) =：(s)其中阻尼系数k满足k =，k(九/1)D(s)、 Q(s)、 D(s)和 Q(s)的伯德图如图3所示。图3 SOGI-QSG和级联SOGI-QSG系统的伯出qv 的相位滞后于输入180*;

10、2)级联SOGI-QSG中的 D(s)具有带通滤波效果而Q (s)则具有低通滤波的效果，且相较于SOGI-QSG中的D(s)和Q(s),它们具有更强的抑制高频谐波分量的能力。德图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v=Vsin(wt)。当 w = w 时级联SOGI-QSG系统的输出如式(3)和式(4)所示。-V( -1).1 -(k/2)2 kwt k_cos(w 1 -(

11、2)2t - 1)e 2 ,kwtcos(w 1 -( ：)2t - ：2把- 2(，-1),1-(，k/2)22-V cos(wt)V k 2- 2sin (w 1。()t)e-Vsin(wt) (- -1) . 1 - ( k/2)2 Vk 2qv : 2 sin(w 1 -( ) t)e( -1) 1 -(k/2)2式中叼 =arctan k /2. 中2 = arctan1 -(k/2)2k/2 1 -( k /2)2k 二一 (t9.2s* w )(5)对于式(1)中的二阶系统可以用 ts =46i来大致估计其整定时间9。因为式(1)中时间 常数t = 2/kw,所以对于已给定的ts

12、 ,SOGI-QSG的阻尼系数k为:当 k=VDw = 2n*50rad/s 时，系统的整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 可获彳导与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。根据定时间和动态响应超调之间的关系达到最Lyon对称分量法可知，三相不对称电网电优。此时根据式(5)可得，SOGI-QSG系统的压可以被分解成暂态的正序、负序和零序分整定时间为20.7ms,大约为电网的一个工频量三部分。由于分布式

13、发电系统通常以三相系统的输出是由两个时间常数不同且按指序电流，因此不需要对零序分量电压进行电周期。由式(3)和式(4)可知，级联SOGI-QSG三线制与三相电网相连， 不会向电网注入零1 q_算网络Fig.4 positive/negative sequence separation图5锁频环结构图Fig.5 structure diagram of FLL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。在静止两相坐标系停下，通过对%、 qv和vp、qvp两组正交信号进行计算可以 得到三相不对称电压 vabc的正、负序分量电 压，计算表达式如下：v：l

14、1峭2固i q% 阑-21-q 11VB.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 ap下的正序分 量电压。其系统结构如图 4所示。base on cascaded SOGI-QSG3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

15、现的时间。因 此考虑使用锁频环(FLL)取代锁相环。一个 TOC o 1-5 h z 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 8V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。. 2kw . 2(8)(v：. )(v :)由文献10可知，一阶锁频环系统的整 定时间可粗略估计为：t s( FLL ) :(9)此外，电网频率额定值 wc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。4仿真分析为

16、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 k32 女二八卜二次；锁频环中Wc = 2冗* 50 rad/s, 8 =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时亥L 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

17、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,与式计算值一致。图6正负序分离的仿真波形Fig.6 Simulation results of positive/negative sequence separation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。s 30iw.,

18、Va Vb Vc.40.40.4印.50.52).556).5尔.60.60.64).66t/sa 2。-1图7频率检测的仿真波形Fig.7Simulation results of frequency detection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

19、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M.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。300200100-100-200F r-3000.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 t/sV l图8三相电网电压严重畸变时的波形Fig.8 Simulation results of grid voltage underharmonic distortion图9 DSOGI-FLL和级联 DSOGI-FLL的频率检测波形Fig.9Simulation results o

20、f frequency detectionof DSOGI-FLL and cascaded DSOGI-FLL5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under distorted utility conditionsC/Applie

21、d Power Electronics Conference and Exposition, 1996. APEC96. Conference Proceedings 1996.Eleventh Annual. IEEE, 1996, 2: 703-708.2 Rodriguez P, Pou J, Bergas J, et al. Decoupled double synchronous reference frame PLL for power converters controlJ . IEEE Trans. on Power Electronics , 2007, 22(2)： 584

22、-592.3李珊瑚，杜雄，王莉萍，等.解耦多同步参考坐标系电网 电压同步信号检测方法J.电工技术学报，2011, 26(12): 183-189.4王颖雄，马伟明，肖飞，等.双dq变换软件锁相环的精确模型研究J.电工技术学报，2011, 28(7): 90-96 .5 Rodriguez P, Teodorescu R, Candela I, et al. New positive-sequence voltage detector for grid synchronization of power converters under faulty grid conditionsC/Power Electronics Specialists Conference, 2006. PESC06. 37th IEEE. IEEE, 2006: 1-7.6邓秋玲，彭晓，张桂湘.电网故障下直驱风电系统网侧变 流器的电网同步化技术J.高电压技术，2012, 38(6).7孔飞飞，袁铁江，晁勤，等.基于二阶广义积分的变流器 电网同步法J.电力系统保护与控制，2012, 40(12): 116-120.8 Rodriguez P, Teodorescu R, Ca