摘要：提出了一种对三相电量进行快速准确的正负序分离软件锁相环。该方法无需采用滤波器，从而同时具备了稳态精确性和动态快速性。现场实验结果表明，该软件锁相环为三相并网型风力发电变流器在电网发生跌落及谐波畸变时提供了良好运行控制提供保障，正负序双电流内环不对称运行的控制策略保证了在电网电压不对称跌落时的正负序分离控制，消除了直流电压的二次谐波。
关键词：风力发电变流器；低压穿越；电压畸变；锁相环；延时信号消除
低压穿越过程中，电网电压会发生跌落、谐波畸变，这就要求对三相并网型PWM电力电子变流器进行良好的运行控制，首先要求变流器系统能够准确、快速地检测出电网电压的频率、幅值与相位，为控制系统及时提供准确的相关信息。即要求锁相环PLL)具备稳态精确性和动态快速性。然后要求变流器控制系统可采取有效措施避免三相电压不对称引起的过电流和直流侧电压的波动。
目前有很多种相位检测和正负序分离方法。过零点检测法原理简单，但很容易受到电网电压本身的畸变和检测电路的各种干扰信号的影响，而且至少有半个周期的延时。基于单dq变换以及瞬时无功功率理论的软件锁相环(SPLL)对三相对称电压的锁相非常有效，但对三相不对称电网和谐波畸变电压，不能实现正、负序分量的有效分解，也不能很好地跟踪电网的频率和相位，使系统不能实现很好的控制性能。自适应锁相环[8]虽能分别对电网三相电压的频率、相位和幅值进行跟踪，但算法复杂。基于双dq变换的SPLL法能得到三相电量的正、负序分量，但算法中需要采用低通滤波器，从而难以取得满意的动态性能。
本文对该方法进行了扩展，提出了一种正负序级联延时信号消除法，该方法采用了多级级联DSC，对三相电压电流基波正负序分量准确提取的同时实现了任意次谐波的滤除，由于无需采用滤波器，该锁相环还同时具备良好的动态性能。
一、低压穿越技术的概念与要求
风力发电系统低压穿越能力(LVRT)是指风电机组在并网点电压跌落时能够保持并网运行，并向电网提供无功电流，支持电网电压恢复的能力。而直驱型风电机组实现LVTR的关键之一在于网侧变流器的不对称运行控制。在电压跌落的分析中，通常将跌落时的电压均方根值与额定电压均方根值的比值定义为跌落的幅值，将跌落从发生到结束之间的时间定义为持续时间。电压跌落往往还伴随着有电压相位的突然改变，称之为相位跳变，以及三相电压的不对称等问题。电压跌落依据其形成的原因不同可以将其划分为3类，即电网故障引起的电压跌落、大电机的起动引起的电压跌落和电机的再加速引起的电压跌落。
欧洲等发达国家已相继制定了风力发电机组实现低压穿越的强制性标准，且不同国家有不同的要求。我国《风电场接入电力系统技术规定》要求:当电网电压工作点在曲线上方时，要求机组必须不间断并网运行，只有当电网电压运行点进入曲线下方后才允许风场内的风电机组脱网。欧洲一些国家还要求，机组在低压穿越期间不仅要保持并网，还能够在电压跌落及恢复阶段向电网提供无功电流，帮助电网电压恢复稳定。永磁直驱型风电机组实现LVTR的关键在于网侧变流器的不对称运行控制与能量管理。不对称运行控制前提是电网电压电流的正负序分量提取。
二、基于正负序级联DSC的正负序分量提取
三相不对称电量可分解为三相正序对称分量、三相负序对称分量和零序分量。
对于基波频率为50Hz的三相交流量，在两相正序旋转坐标系中，正序分量为直流量，负序分量为100Hz交流量;在负序旋转坐标系中，负序分量为直流量，正序分量为100Hz交流量。为了消除这种二次分量，可以采用低通滤波的方法，然而不但降低了系统的动态性能，还对系统稳定性有影响。延时信号消除法很好的解决了这个问题。根据正弦量的半波对称性，DSC将旋转坐标系下的正序或负序分量的直流量进行实时抽取。
在实际应用中该软件锁相环通常会受到各次谐波的干扰，因此本文采用了正负序级联DSC进行谐波消除。
在两相正序旋转坐标系中，正序分量为直流量，负序分量为频率为两倍基波频率的交流量。对于谐波分量来讲，n次谐波则变成了n-1倍基波频率的交流量，即三相静止坐标中的n次谐波矢量Unabc在正序旋转坐标系中为Un-1。这些正序旋转坐标系中的abc谐波分量依然是正弦量并且具备半波对称性，因此同样可以利用DSC法进行消除。n-1倍基波频率的交流量需要在正序旋转坐标系中将其和延时T/2(n-1)的量进行相加，以达到消除该次谐波的目的。比如说要消除5次谐波，变换到正序旋转坐标系后，5次谐波变成了4次谐波分量，然后将变换量和本身延时T/8的量进行相加即可。
相反，在两相负序旋转坐标系中，负序分量为直流量，正序分量为频率为两倍基波频率的交流量。对于谐波分量来讲，n次谐波则变成了n+1倍基波频率的交流量。
因此，为了达到消除正负序旋转坐标系中各次谐波的目的，可以针对不同的谐波次数采用不同的DSC算法，也就是级联DSC算法。理论上来讲，级联DSC算法可以达到消除所有整数次谐波的目的，在实际应用中，一般可以根据实际情况进行某些特定谐波次数的消除。
图1给予级联DSC算法的软件锁相环
图2控制原理图
三、低压穿越控制策略
假设电网电压跌落发生时，三相电网电压不对称且含有5、7次谐波。这样，对于正序同步旋转坐标系下d+q+分量的而言，将含有4、6次谐波;而对于负序同步旋转坐标系下d-q-分量的而言，将含有6、8次谐波。
根据表1，在正序中，要消除负序分量和5、7次谐波，n1取4和8即可;在正序中，要消除正序分量和5、7次谐波，n2取4和16即可。同时考虑到电压频率变化的影响，需要将电压频率实时反馈至DSC算法，以保证延时算法的准确性。因此可以设计如图1所示的基于级联DSC算法的软件锁相环。
利用基于级联DSC算法的软件锁相环实现电网电压的正负序分离且消除谐波干扰后，即可用于并网变流器的正、负序双电流内环控制，控制原理图如图2所示。
同时，当发生电压跌落时，由于开关管容量有限，需要抑制输出功率。从而发电机侧侧输入功率大于网侧输出功率，此时需要投入制动电阻，消耗直流侧多余的能量，抑制直流侧过电压。
五、结论
通过提出滤除谐波干扰的参数选择方法。然后在基于该锁相环的基础上采用正负序双电流内环不对称运行的控制策略对全功率变流器进行正负序分离控制，同时利用制动电阻控制直流电压。实验结果表明该控制策略能成功应用于三相并网型全功率风力发电变流器的低压穿越功能的实现。
参考文献
[1]周鹏，贺益康，胡家兵.电网不平衡状态下风电机组运行控制中电压同步信号的检测[J].电工技术学报，2008，23(5):108-113.
[2]王颢雄，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.
[3]张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社，2009.
[4]钱家骧，张惠勤，秦云全，等.西北电网风力发电功率补偿问题探讨[J].电网与清洁能源，2010，26(8):11-14.
[5]郭春杰，袁越.电网故障下直驱永磁风力发电机的无功功率控制策略[J].电网与清洁能源，2012，28(9):73-78.
论文作者:孙彦军
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/9
标签：谐波论文; 电压论文; 电网论文; 变流器论文; 正负论文; 分量论文; 坐标系论文; 《电力设备》2018年第12期论文;