岳婧仪

摘   要：在大功率风能并网中，当电网电压不平衡时，准确检测电网的相位对于保证可靠并网、保持系统的稳定运行具有重要的作用。针对电网电压不平衡、有谐波、相位突变等情况，本文采用双同步坐标软件锁相环，将处于三相静止坐标系中的三相电网电压转换到正负序d-q双同步坐标系上，再对正负序电压分量之间进行解耦，同时，利用低通滤波器实现谐波的滤除。MATLAB仿真表明双同步坐标软件锁相环能够实现不平衡电压、相位突变、有谐波情况下的快速准确锁相。

关键词：海上风力发电;电网不平衡;并网逆变;锁相环

1    锁相环技术概述

为了应对能源短缺和减少环境污染，风力发电逐渐受到重视。风力发电具有清洁、环保、可再生等特点。其中，海上风力发电由于风速稳定、发电量大、空间广阔、干扰小等优点而受到广泛关注。但是与陆上风电场相比，大规模风电并网会给系统带来电压波动、电压闪变、谐波等电能质量问题，影响系统的稳定安全运行。所以，需要利用锁相环技术准确快速地检测电网电压的频率、相位和幅值，保证并网电流与电网电压同频同相，使系统稳定运行。

锁相环技术主要包括单同步坐标系软件锁相环（SSRF SPLL）和解耦双同步坐标系软件锁相环（DDSRF SPLL）。当电网电压不平衡时，由于电网电压存在负序分量，SSRF SPLL不能很好地对电网电压进行检测。DDSRF SPLL是对电网电压的正负序分量分别进行检测，所以，在电网非理想工况下也能够快速准确地跟踪电网电压幅值、相位和频率的变化。

研究采用双同步软件锁相环，将处于三相静止坐标系中的三相电网电压转换到正负序d-q双同步坐标系上，再对正负序电压分量之间进行解耦，通过对正负序分量的分别检测，同时利用低通滤波器实现谐波的滤除，对电网电压得幅值、相位和频率的变化进行跟踪。

2    双同步坐标软件锁相环的工作原理

DDSRF-SPLL包含两个旋转坐标系，其中一个坐标系用来检测电网电压的正序分量us+1，而另一個坐标系用来检测电压的负序分量us-1。而电网电压由正序电压分量us+1，负序分量us-1，和零序电压分量us0合成，如公式1所示：

us=us+1+us-1+us0 （1）

由于要通过clarke变换将三相坐标系转化为α-β坐标系，而在坐标变换中，零序电压分量在变换中相互抵消为零。电网电压在锁定时，θ'≈ωt+φ+1，所以经过park变换，us在d-q双同步坐标系中可以表示为：

由式（2）可知，正序电压分量与负序电压分量之间存在着耦合关系，为了消除耦合干扰，必须对其进行解耦，解耦后如公式3所示：

DDSRF SPLL的整体控制框图如图1所示，abc/dq+和abc/dq-分别表示由abc坐标系到dq旋转坐标系的变换过程，LPF为低通滤波器，通过提取电压正序分量，使q轴分量uq*+1=0，从而实现正确锁相。

3    仿真模型建立

为了验证DDSFR-SPLL的性能，需要用matlab/simulink对并网逆变的整体结构进行仿真搭建，箝位二极管三电平逆变电路有3个桥臂，一个桥臂上有4个全控型器件、4个续流二极管和两个箝位二极管。

对锁相环部分的仿真如图2所示。整个系统采用直流分布式并网方案，采用一种二极管不可控整流+直流斩波+三电平并网逆变器的并网拓扑结构。

4    仿真结果分析

本设计以6台风力发电机组成额定传输功率为30 MW的系统，每台机组的额定功率为5 MW，仿真算法采用变步长ode23 tb。当电网电压为三相对称电压时，仿真分别给出了在电压跌落和注入谐波情况下锁相环的对比分析，从而验证锁相环性能。

4.1  单相电压跌落

对某一相电压突然为0的情况进行仿真，结果如图3所示，0～0.02 s为对称的三相交流电压。当0.02 s时，a相电压变为0，此时双同步坐标软件锁相环对电网电压的幅值相位频率均能够做到快速锁相。

4.2  三相电压注入谐波

研究三相平衡电网电压突然注入谐波的情况，0～0.02 s时电网电压处于平衡状态，当0.02～0.2 s时，a相注入10%的5次正序谐波分量，b相注入10%的2次负序谐波分量，仿真结果如图4所示，当电网电压存在大量谐波的情况下电网电压均能够快速跟踪电网电压相位。

（a）电网电压突变

（b）锁相环输出频率

（c）锁相环输出角度

（a）三相电压注入谐波

（b）直流电压d轴分量

（c）锁相环输出角度

5    结语

风电并网过程需要锁相环准确快速地检测电网电压的频率、相位和幅值，以控制逆变器的不同工作状态，保证并网电流与电网电压同频同相，使系统稳定运行。传统的单同步坐标软件锁相环只能在电网电压平衡时对电网电压准确锁相。考虑到海上风电并网过程中电压可能不平衡的特点，本研究利用matlab/simulink软件对双同步软件锁相环进行了设计、分析和仿真。结果表明，DDSRF-SPLL在平衡与以及多种不平衡电网电压情况下，都能够对电网电压的幅值、相位和频率进行很好的检测，验证了理论的正确性和有效性。

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