电网不平衡下基于自适应观测器的锁相环研究_霍现旭1_2_3_胡书举1_3_许洪华
考虑系统稳定边界的同步调相机励磁与升压变参数联合优化
第52卷第8期电力系统保护与控制Vol.52 No.8 2024年4月16日Power System Protection and Control Apr. 16, 2024 DOI: 10.19783/ki.pspc.231472考虑系统稳定边界的同步调相机励磁与升压变参数联合优化潘学萍1，许 一1，赵天骐2，王宣元3，谢 欢2，郭金鹏1(1.河海大学电气与动力工程学院，江苏 南京 210098；2.国网冀北电力有限公司电力科学研究院(源网荷储灵活运行与协调控制国家电网公司实验室)，北京 100045；3.国网冀北电力有限公司电力调控中心，北京 100054)摘要：现有提升调相机动态无功特性的参数优化方法侧重于电磁参数的优化，这给生产企业带来较高的工艺要求和较大的成本压力。
针对该问题提出考虑系统稳定约束的调相机励磁系统及升压变参数联合优化方法，分析其对电磁参数优化的可替代性。
首先，推导了基于Park模型下调相机的无功频域特性，与6阶实用模型下的无功频域特性对比，基于调相机的Park模型可提升调相机动态无功特性的分析精度。
然后，提出根据调相机并网系统的稳定边界确定参数的优化区间，采用频域灵敏度方法确定重点参数，并基于人工鱼群算法进行参数优化。
最后，通过仿真结果表明，励磁系统与升压变参数的联合优化，可获得与仅优化电磁参数时相近的调相机动态无功性能，验证了电磁参数优化的可替代性，从而降低调相机的制造成本，扩大同步调相机的应用场合和范围。
关键词：分布式调相机；动态无功特性；参数优化；无功电流增益；人工鱼群算法Joint optimization of parameters of synchronous condenser excitation and step-up transformerconsidering the stability boundary of the power systemPAN Xueping1, XU Yi1, ZHAO Tianqi2, WANG Xuanyuan3, XIE Huan2, GUO Jinpeng1(1. College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. State Grid Jibei ElectricPower Co., Ltd. Electric Power Research Institute (SGCC Laboratory of Source-Grid-Load-Storage Flexible Operation and Coordinated Control), Beijing 100045, China; 3. State Grid Jibei Electric PowerCo., Ltd. Power Dispatching Center, Beijing 100054, China)Abstract: Existing parameter optimization methods for a synchronous condenser (SC) to promote its dynamic reactive power characteristics often focus on electromagnetic parameter optimization. This brings high technical requirements and significant cost pressure to manufacturing enterprises. Thus a joint parameter optimization method for the SC excitation system and step-up transformer considering the stability boundary of the power system is proposed, and its substitutability of optimizing electromagnetic parameters is analyzed. First, the reactive power frequency domain characteristics of the SCs are derived based on the Park model. By comparing it with that of the 6th-order practical model, it is found that the Park model can enhance the accuracy of analysis of SC dynamic reactive power characteristics. Then the stability boundary of the SC grid-connected system is analyzed, based on which the parameter optimization range is determined.The frequency domain sensitivity method is applied to determine the key parameters, and the artificial fish swarm algorithm is employed for parameter optimization. Finally, simulation results demonstrate that the joint optimization of SC’s excitation and step-up transformer parameters can achieve a similar dynamic reactive power performance of the SC by only optimizing the electromagnetic parameters. This validates the substitutability of electromagnetic parameter optimization, thereby reducing the manufacturing cost of the SCs, and enhancing its scope for application.This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52077061).Key words: distributed synchronous condenser; dynamic reactive power characteristics; parameter optimization; reactive current gain; artificial fish swarm algorithm基金项目：国家自然科学基金项目资助(52077061)；国网冀北电力有限公司科技项目资助“大规模新能源汇集区域分布调相机配置原则与协调控制方法研究”(52018K22001D)- 46 - 电力系统保护与控制0 引言随着“碳达峰、碳中和”目标的实施，新能源发电装机容量和装机占比持续增长，并逐渐成为电力系统中的主体电源[1-4]。
适用于电网三相不平衡的光伏逆变器控制策略设计
适用于电网三相不平衡的光伏逆变器控制策略设计冯磊【摘要】低压配电网中三相不平衡情况比较普遍,本文对适用于此情况的光伏逆变器控制策略进行了设计.本文首先研究了不平衡电网下电压正序分量的锁相问题,设计了基于二阶广义积分器〔Second Order Generalized Integrator,SOGI)的锁相方法;其次,设计不平衡电网下不同控制目标的电流计算方法;最后,建立PSCAD/EMTDC仿真模型进行验证.【期刊名称】《科技视界》【年(卷),期】2018(000)020【总页数】3页(P15-17)【关键词】光伏逆变器;不平衡电网;控制策略【作者】冯磊【作者单位】云南电网有限责任公司规划研究中心,云南昆明 650051【正文语种】中文【中图分类】TM615;TM4640 引言分布式光伏逆变器的应用趋势是非常显著的。
而由于配电线路参数、用电负荷（尤其是单相负荷）的不平衡，低压配电网的三相不平衡现象是比较普遍的，故此，分布式光伏逆变器必须考虑三相不平衡电网条件下的运行控制策略。
为保证电网不平衡时光伏逆变器的有效运行，须从不平衡锁相环和控制策略两方面入手。
针对电压正序分量的锁相问题，文献[1]依据对称分量法原理及正负序分量之间的特定关系，设计了四分之一工频周期时间延迟法。
由于引入了延迟，因此该方法快速性的提升空间受限。
文献[2]提出的基于双同步坐标系解耦的软件锁相环。
该方法具有较高的稳态精度，但是其依赖于相位反馈，因此当电网相位突变时，其过渡过程中存在超调较大、恢复时间较长等问题。
文献[3]在传统锁相环之前加装低通滤波器，但如果这样，会导致相角偏移、响应变慢等缺陷。
文献[4]采用自适应观测器来进行电网相位锁定，但是该算法程序计算量较大，比较复杂。
针对电网不平衡下的光伏逆变器控制问题，文献[5-6]基于静止坐标系中光伏逆变器的数学模型，设计了基于比例谐振控制器(proportional resonant，PR)的交流无静差控制系统，但由于 PR控制器的频率适应性较差，当电网频率发生偏移时，并不能取得满意的控制效果。
电网不平衡下三相锁相环研究
电网不平衡下三相锁相环研究1. 本文概述随着现代电力系统的快速发展，三相电力系统的不平衡现象日益凸显，对电力系统的稳定性和电能质量产生了严重影响。
为了解决这一问题，三相锁相环（ThreePhase PhaseLocked Loop, 3PPLL）作为一种有效的电力系统同步技术，受到了广泛关注。
本文旨在深入探讨电网不平衡条件下三相锁相环的工作原理、性能评估及优化策略，为提高三相电力系统的运行效率和稳定性提供理论依据和技术支持。
本文首先介绍了三相锁相环的基本原理，包括其数学模型和锁相机制。
随后，详细分析了电网不平衡对三相锁相环性能的影响，包括相位误差、频率偏移和稳态误差等方面。
在此基础上，本文提出了一种改进的三相锁相环结构，通过引入先进的控制策略和滤波技术，有效提高了锁相环在电网不平衡条件下的性能。
本文还通过仿真和实验验证了所提改进三相锁相环的有效性和优越性。
仿真结果表明，在电网不平衡条件下，所提锁相环具有更快的动态响应、更高的稳态精度和更强的鲁棒性。
实验结果进一步验证了仿真分析的结论，证明了所提改进三相锁相环在实际电力系统中的应用潜力。
本文对电网不平衡下的三相锁相环进行了全面研究，不仅分析了电网不平衡对锁相环性能的影响，还提出了一种有效的改进策略，并通过仿真和实验验证了其性能。
研究结果为三相电力系统的同步控制提供了新的思路和方法，对提高电力系统的运行效率和稳定性具有重要意义。
2. 电网不平衡的影响电网不平衡是一种常见的电力系统运行状态，它会对电力系统的稳定运行产生不利影响。
电网不平衡主要表现在三相电压或电流的不对称性上，这种不对称性可能由多种因素引起，如单相负载的接入、线路故障、发电机故障等。
（1）影响锁相精度：三相锁相环是依赖于三相电压或电流的对称性进行相位锁定的。
当电网出现不平衡时，三相电压或电流的对称性被破坏，导致锁相环难以准确锁定相位，进而降低系统的控制精度。
（2）增加系统振荡风险：电网不平衡可能导致系统出现负序和零序分量，这些分量会激发系统中的振荡模式，增加系统的不稳定性。
电网电压不平衡时基于二阶广义积分器SOGI的2倍频电网同步锁相方法
电网电压不平衡时基于二阶广义积分器 S OG I 的 2 倍频电网同步锁相方法闫朝阳，贺红艳，李建霞，苏 明（燕山大学电力电子 节能与传动 控制河北省重点实验室，秦皇岛 066004）摘 要 ：为 了 实 现 逆 变 器 在 电 网 电 压 不 平 衡 时 的 控 制 并 网 ，提 高 锁 相 环 节 的 速 度 和 精 度 ，本 文 基 于 二 阶 广 义 积分器 （second order generalized integrator, SO GI ），提 出 一 种 新 型 的 2 倍 频 锁 相 方 法 ，该 方 法 对 不 平 衡 电 网 电 压 产 生 的 2 倍 频 交 流 量 进 行 锁 相 ，从 而 快 速 准 确 地 实 现 与 电 网 同 步 。
介 绍 了 2 倍 频 正 负 序 交 流 量 提 取 方 法 ，2 倍 频 锁 相 工 作 原 理 及 电 网 同 步 锁 相 过 程 。
优 化 了 SOGI 正 交 发 生 器 （SOGI-quadratur e signal generator ，S O GI-Q S G ），消 除 了 输 入 电 压 直 流 偏 置 对 其 输 出 产 生 的 影 响 。
在 电 网 电 压 不 平 衡 条 件 下 对 所 提 方 法 进 行 了 仿 真 与 实 验 ，验 证 了 该 锁 相 方 法 的 有 效 性 。
与 传 统 基 波 锁 相 方 法 相 比 ，所 提 方 法 提 高 了 对 电 网 电 压 正 序 分 量 检 测 的 快 速 性 和 准 确 性 。
关 键 词 ：电 网 电 压 不 平 衡 ；2 倍 频 锁 相 ；基 波 正 负 序 分 量 检 测 ；二 阶 广 义 积 分 器 （SOGI ）Double Fundamenta l Frequency PLL with Second Order Generalized Integrato r Under Unbalanced Grid VoltagesYAN Zhao-yang, HE Hong-yan, LI Jian-xia, SU M i ng（Key Labratory of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive ofHebe i Province,Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China ）Ab s t r ac t: In order to detect the positiv e -se quence component at fundamenta l frequency of the grid voltage fast, a new pha se -l ocked l oop method was proposed, which ca ll e d double fundamenta l frequency pha se -l ocked l oop （DFF -PLL ）. The operation principle was a na l y ze d, and the process of DFF -PLL and the detection of grid voltage positive -se quence component were shown. The second order ge ner a l ized integrator quadr a tur e -signa l s ge ner a tion （SOGI -QSG ） was improved, so that the DC bias voltage could be removed and guarantee the orthogon a l ity of SOGI -QSG. The performance of DFF -PLL wa s verified by using simulation and e xperimenta l results. Compared with DSOGI -PLL, this method increases the detection speed and accuracy under unba l a nced grid voltage condition s .Key w or d s : unba l a nced gird voltage; double fundamenta l frequency pha se -l ocked l oop （DFF -PLL ）; detection positive sequence and negative sequence; second order ge ner a l ized integr a tor （SOGI ）究中所广泛应用的技术［1］。
基于广义二阶积分的新型单相逆变并网系统锁相环
基于广义二阶积分的新型单相逆变并网系统锁相环周献飞;杨仁刚;孙钦斐【摘要】针对现有的单相逆变器的输出相位与锁相环计算的数字相位存在偏差,对基于二阶广义积分器的锁相环加以改进,构造一种新型的相位闭环控制结构,将电网电压和逆变器输出的电压或电流锁相.仿真和样机试验结果表明:该方法消除了变压器、滤波器等环节带来的相位偏差,能够实现单位功率因数并网发电.%There is a phase deviation between the output voltage of inverter and digital phase calculated by PLL.This paper improved the existing PLL based on second-order generalized integrator,and constructed a new phase closed-loop control structure,keeping the grid voltage and the inverter output voltage or current synchronization.Simulation and prototype test results showed that this method eliminated the deviation caused bytransformers,filters,etc.It also could achieve unity power factor running.【期刊名称】《沈阳农业大学学报》【年(卷),期】2013(044)003【总页数】5页(P305-309)【关键词】逆变器;锁相环;并网跟踪【作者】周献飞;杨仁刚;孙钦斐【作者单位】中国农业大学信息与电气工程学院,北京100083;中国农业大学信息与电气工程学院,北京100083;中国农业大学信息与电气工程学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TM464锁相环是并网逆变器的核心技术。
一种用于光伏并网逆变器的高性能锁相环设计
一种用于光伏并网逆变器的高性能锁相环设计江燕兴;潘逸蓖;窦伟【摘要】针对光伏并网系统中的传统锁相环在电网电压不平衡、频率扰动以及相位突变情况下存在的锁相性能下降的问题,提出了一种能快速、准确地提取电网电压相位的锁相环设计方案.该方案采用双二阶广义积分器环节,在准确获取电网电压正序分量的同时有效滤除负序分量,达到提高响应速度、降低稳态误差的目的.基于理论分析,搭建仿真模型对所提出的算法进行仿真研究并在100kW光伏并网逆变器上进行实验验证.仿真和实验结果表明,该锁相环能够在电网电压跌落、频率扰动以及相位突变等情况下快速准确地提供基波正序电压相位,有效提高了光伏并网系统的控制性能.【期刊名称】《电工电能新技术》【年(卷),期】2016(035)007【总页数】6页(P75-80)【关键词】光伏;并网逆变器;锁相环;双二阶广义积分器【作者】江燕兴;潘逸蓖;窦伟【作者单位】北京科诺伟业科技股份有限公司,北京100083;北京科诺伟业科技股份有限公司,北京100083;北京科诺伟业科技股份有限公司,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TM72电网同步锁相是决定并网逆变器性能的一项关键技术。
锁相环(PLL)是目前使用最普遍的相位同步方法，作用是获得准确实时的相位信息，提供计算基准，其性能对于整个控制系统至关重要。
在控制过程中要求锁相电路必须在存在电压频率突变、相位突变以及三相不平衡条件下，能够快速、准确地锁定电压相位，并需满足收敛速度快、相位估计精度高、抗干扰能力强等几方面的要求[1]。
基于同步旋转坐标变换的dq锁相技术在电网电压平衡的条件下，可以达到良好的效果[2]。
但当电网电压出现频率突变、相位突变以及三相不平衡等情况时，基于dq变换的锁相环输出将出现振荡，不能有效地完成锁相[3]，并且可能引起逆变器故障，对逆变器本身及电网安全造成影响。
在当今电网电压不平衡状态成为常态的情况下，研究复杂电网条件下的锁相环技术具有重要的意义。
海上风电场电网不平衡时锁相环的研究及仿真
海上风电场电网不平衡时锁相环的研究及仿真作者：岳婧仪来源：《现代盐化工》2019年第01期摘; ;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。
基于改进型SOGI的锁相环设计
基于改进型SOGI的锁相环设计OUYANG Sen;MA Wenjie【摘要】针对传统锁相方法的锁相精度在电网电压含有负序分量、谐波分量、直流分量等情况下有所降低的问题,提出一种基于改进型二阶广义积分器(SOGI)的三相锁相环设计方案.首先简要介绍了SOGI可进行信号正交处理的原理;然后通过频域分析法,直观地指出传统SOGI抗直流偏移干扰能力弱的原因,并量化分析了直流分量对基于传统SOGI的不平衡锁相环的影响;为增强SOGI对电压检测信号中直流分量的抗干扰能力,通过新增一条低通滤波通道对其进行结构上的改进,提出一种基于改进型SOGI的不平衡锁相环设计方案.仿真与实验结果表明文中理论研究是正确的.【期刊名称】《华南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(046)010【总页数】8页(P1-8)【关键词】二阶广义积分器;锁相环;并网逆变器【作者】OUYANG Sen;MA Wenjie【作者单位】;【正文语种】中文【中图分类】TM464随着分布式电源并网发电技术的快速发展，诸如风力发电、光伏发电等在电力系统中的渗透率日渐升高[1- 2].电网基波电压相位和幅值信息的准确获取是分布式电源实现并网有功和无功功率控制的重要保证.由于实际中电网电压常因三相负荷不平衡、大量的非线性负荷接入和电网不对称故障而呈现三相不对称、谐波含量较高的现象，因此，对并网锁相技术提出了更高的要求[2].单同步坐标系软件锁相环(SRF-SPLL)具有结构简单、易实现的优点，获得了广泛应用.在电网不平衡情况下，受电压负序分量影响，其锁相的相位与频率误差增大，严重时甚至不能满足并网逆变器的控制需求[3- 4].文献[5]提出在SRF-SPLL之前加装低通滤波器以抑制负序分量的干扰，该方案虽可改善锁相环性能，但由于所用低通滤波器的截止频率较低，存在相角偏移、系统动态响应变慢等问题.文献[6]在SRF-SPLL结构中加入滤除二次谐波的陷波滤波器，通过频域内优化的设计方法设计了系统参数，达到响应速度和稳态误差的合理折中.为解决电网不平衡所带来的问题，文献[7]中提出基于双同步坐标系解耦的软件锁相环，利用正、负序两个同步坐标系通过交叉解耦来分离正、负序电压分量，具有较高的稳态精度，但是其依赖于相位反馈，因此当电网相位突变时，其过渡过程中存在超调较大、恢复时间较长等问题.为消除电网电压谐波对锁相环的影响，文献[8- 9]中采用双滑动平均滤波器来设计锁相环，锁相效果良好.文献[10]采用自适应观测器(FRF)来进行电网相位锁定，但是该算法程序计算量较大，比较复杂.为更好地提取出电压正序分量，文献[11- 14]提出采用二阶广义积分器作为正交信号发生器，来提取基波正序电压，之后再利用SRF-SPLL实现相角锁定.该方法不仅能实现不平衡电网下的准确锁相，且可以实现频率自适应滤波.在实际应用中，通常由于测量、数据转换和电网电压参数估计误差等原因导致检测到的电压信号中含有一定的直流分量，从而影响锁相环的锁相精度[13，15].例如，基于定点DSP(数字信号处理器)的光伏逆变器在对模拟电压信号进行A/D转换之前需要设置一个偏移量，使输入给A/D模块的信号是 0～3 V.经A/D转换之后的信号数据类型是无符号整型，再变换成有符号整型.在整个过程中，很难找到一种变换使转换前后的数据完全匹配.因此，针对前述电压测量中的直流偏移影响锁相环精度的问题，文中提出一种基于SOGI的改进型锁相环设计方案.通过对传统型SOGI进行结构上的改进，增强其对直流量的滤除能力，并以该改进型SOGI为基础，设计出能有效消除电压负序分量、测量偏移影响的三相锁相环，并利用仿真与实验对文中所提方案进行验证.1 不平衡电网锁相原理不平衡电网电压中含有正、负、零序分量，可具体表示如下[3]：(1)(2)(3)式中，vabc为不平衡电网电压，采用上标“+”、“-”、“0”来区分正、负、零序，va、vb、vc分别为a、b、c三相电压,vabc=[va vb vc]T,a为120°旋转因子，a=ej2/3.对于三相无中线系统，其不存在零序电流通路，因此以下分析和讨论均不考虑零序电压.对式(2)、(3)进行数学变换可得[3]：(4)(5)其中：q=ej/2，为90°相位滞后因子，分别为αβ坐标系中的电压正、负序分量.分析式(4)可知，通过对输入信号进行90°偏移处理，可提取出电网电压基波正序分量.2 二阶广义积分器由内模原理可知：若要实现对某一频率正弦信号的无差跟踪，则要求系统的开环传递函数中必须包含该正弦信号的内部模型.二阶广义积分器就是据此提出来的，其结构框如图1所示.图中，v为输入信号，ω′为滤波器中心频率，k为阻尼系数，v′和v″为经滤波器处理所输出的正交信号对，ε为v′和v″之差,s为拉氏变换算子.图1 SOGI控制框图Fig.1 Control block diagram of SOGI根据图1，可得输入信号v到输出信号v′和v″的传递函数D(s)与Q(s)的幅值和相位频率特性：(6)(7)图2是系统在不同k值时的伯德图.图2 SOGI的频率特性Fig.2 Bode plots of D(s) and Q(s)从伯德图中可以看出，SOGI具有选频特性，因此可以提取出基波分量.k越小，滤波性能越好，但是系统带宽将随之变小，从而导致动态响应变慢.因此，为兼顾滤波和响应快速性，常取根据上述分析可知，当滤波器的中心频率ω′与输入信号的频率ω相同时，则输出信号v′与v具有相同的幅值和相位，v″与v幅值相同，但是相位滞后90°.基于此，结合式(4)，可设计出如图3所示的基于双二阶广义积分器的锁相环(DSOGI-PLL).其中，ω0为电网基波频率，θ*为锁相所得电压相位，vd、vq分别为电压正序分量在同步坐标系中的d轴与q轴分量，X表示乘法运算.图3 DSOGI-PLL结构框图Fig.3 Control block diagram of DSOGI-PLL3 SOGI的改进分析与设计在实际应用中，由于各种原因导致检测到的三相电网电压含有一定的直流量，具体如下：(8)式中，va0、vb0、vc0为直流偏移量，V为正序基波电压幅值.经Clark变换可得：其中，(9)(10)根据图3所设计的不平衡锁相环，可得从输入电压信号vα、vβ到提取出的正序分量的传递关系为(11)因此中所含直流量为(12)从图2中可知，D(s)是一个带通滤波器，其对直流量的滤除能力极强.为简化分析，可认为直流分量经过D(s)处理后衰减为零，而Q(s)是一个低通滤波器，据SOGI的频率特性可知其对直流量的增益为|Q(s)|ω=0=k(13)因此，式(12)可进一步简化为(14)设电网电压矢量相角为θ，锁相所得相角为θ*，将图3中所得变换到旋转坐标系中有(15)其中，(16)当锁相环处于稳态时，锁相相位误差较小，可认为式(15)中σ≈0，可得：(17)稳态时vq≈0，因此，由直流偏移所引起的相位误差为(18)设锁相环经锁相得到的电网频率中的误差成分为Δω，可得：(19)由式(18)、(19)可以看出，直流分量会导致锁相得到的相位与频率中含有频率与工频相同的交流成分，且该交流成分的幅值与直流分量的大小有关.因此，需对SOGI 进行结构上的改进，以消除掉直流偏移的影响.由图1可知：ε=v-v′，当系统处于稳态时，ε包含v中的所有直流分量.因此可以在ε经过增益k放大后，再通过低通滤波器处理后与v″做差，这样可彻底消除掉信号v″中的直流量.综上，文中提出一种改进型SOGI，其结构如图4所示，其中，T为新增支路中低通滤波器的时间常数.图4 改进型SOGI结构框图Fig.4 Diagram of the improved SOGI根据图4，有：(20)结合第2节的分析，可知与输入信号v的具体关系为(21)(22)将式(21)、(22)代入式(20)可得由输入信号v到v″的传递函数为(23)当输入信号频率为ω′时，根据式(23)可得：v″=-jv(24)其中，j为虚数单位.因此，改进后的SOGI良好地保持了原有的信号正交处理能力，G(s)的频率特性如图5所示.根据图5可知：①G(s)特性与带通滤波器相似；②图4中的低通滤波器的截止频率越高，对直流分量的滤除能力越强，当低通滤波器的截止频率取为20 Hz时，其在零频率附近的增益小于-40 dB，可以很好地滤除掉直流分量；③低通滤波器的截止频率越高，动态响应越快，但G(s)对高频干扰的抑制能力越弱.图5 G(s)的频率特性Fig.5 Bode plot of the transfer function G(s)综上，对于图4中低通滤波器截止频率的设计需综合考虑动态响应速度与高频衰减能力.由图2(a)可知D(s)在200 Hz频率处的增益约为-10 dB，因此，文中在设计低通滤波器时，以G(s)在200 Hz频率处的增益接近-10 dB为参考，最终取低通滤波器的截止频率为40 Hz.图6为G(s)在不同截止频率下的单位阶跃响应曲线.由图6可知，随着截止频率的升高，系统动态响应加快，调节时间缩短，对直流信号的衰减作用增强.当截止频率取为40 Hz时，稳定时间约为0.022 s，且稳态精度较高.图6 不同截止频率下G(s)的阶跃响应曲线Fig.6 Step response curves of G(s)at different cut-off frequencies4 仿真验证为验证文中理论研究的正确性，在PSCAD软件中分别搭建出单同步坐标系锁相环(I型)、基于传统型SOGI的不平衡锁相环(II型)、基于改进型SOGI的不平衡锁相环(III型)的仿真模型来进行对比验证，各锁相环的结构如图7所示.其中，基于传统型SOGI的不平衡锁相环的内部结构如图3所示，而基于改进型SOGI的不平衡锁相环的不同点在于图3中的DSOGI部分使用了改进型的SOGI.仿真时，3种类型锁相环结构中的PI控制器的参数均一致：比例系数为2，积分系数为3.图7 3种类型锁相环结构Fig.7 Structure diagram of three types of PLL仿真条件设定：①初始电网电压三相对称，其有效值为220 V，在0.25 s时，a 相电压跌落至50 V，在0.40 s时恢复正常；②初始电网电压三相对称，有效值为220 V，在0.60 s时，a相电压叠加上10 V的直流分量.两种条件下的仿真所得结果如图8、图9所示，仿真图形中为进行清晰对比，将各锁相环的锁相相位波形进行了纵轴偏移处理.图8 不平衡电网环境下的仿真结果Fig.8 Simulation results under the unbalanced grid voltage由图8可知：当电网电压不平衡时，单同步坐标系锁相环检测到的旋转电压矢量幅值存在约80V的二倍工频波动；锁相频率存在幅值约为20 Hz的二倍频分量，从而导致锁相相位也存在二倍频分量，稳态精度较低，锁相性能较理想电网环境下大幅下降.基于传统型SOGI的不平衡锁相环与基于改进型SOGI的不平衡锁相环在动态响应与稳态精度等方面的性能几乎一样.当设定a相电压的直流偏移量为10 V时，根据第3节的理论分析，由式(18)可得稳态时检测到的频率偏差理论值为-0.757 57cos(θ+φ)(25)图9 含直流偏移情况下的仿真结果Fig.9 Simulation results in the case of DC offset由图9(c)可知，基于传统型SOGI的不平衡锁相环在测量信号含有直流偏移的情况下，稳态时检测到的电网频率存在幅值为0.706 5 Hz的工频周期分量，与理论计算基本一致.采用改进型SOGI的不平衡锁相环稳态时检测到的电压矢量幅值误差约为0.065 V，频率误差波动分量幅值仅为0.045 Hz，根据Δω与相位误差之间的积分关系，可计算此时的相位误差(单位：rad)为-0.000 9sin(θ+φ)(26)因此，基于改进型SOGI的不平衡锁相环在测量信号含有直流分量的情况下仍具有较高的稳态精度.5 实验验证为进一步验证文中理论研究的正确性，基于DSP28335硬件平台编程实现了第4节中所述的3种类型锁相环，分别在不平衡以及不平衡电压伴随直流偏移的环境条件下进行各锁相环的性能实验.实验时，三相电网电压由电压信号发生装置模拟产生，三相电压数据由DSP的ADC模块以20 kHz的采样频率采样获得，实验所得数据均是以数组保存,从DSP内部读取得来，具体实验结果如图10、图11所示. 从图10可以得知，单同步坐标系因受负序电压的影响而导致锁相性能严重恶化，而基于传统型SOGI的不平衡锁相环和基于改进型SOGI的不平衡锁相环因进行了正、负序分离，在不平衡电网环境下均能保持良好的锁相性能.图10 不平衡电压条件下的实验结果Fig.10 Experiment results under unbalanced grid voltage分析图11可知，当三相电压中含有一定的直流分量时，基于传统型SOGI的不平衡锁相环经锁相所得到的电网频率存在明显的波动，进而导致锁相精度降低，而基于改进型SOGI的不平衡锁相环仍表现出良好的适应性，具有较高的锁相精度.需要说明的是，文中所设计的基于改进型SOGI的锁相环与基于传统SOGI的锁相环相比，其抗直流干扰的能力有较大提升，从频域上来说是对低频段进行了修正，但其对于5、7、9次等低次谐波的抑制能力并未增强.因此，文中所设计锁相环，在电网电压低次谐波含量较高时，其锁相精度会有所下降，有待进一步研究.图11 不平衡电压伴随直流偏移条件下实验结果Fig.11 Experiment results under unbalanced grid voltage with DC offset6 结论文中针对不平衡电网环境下并网逆变器的锁相问题进行了研究，通过仿真与实验得出以下结论：(1)当三相电网电压不平衡或含有直流分量时，单同步坐标系锁相环的锁相精度大大降低，已不适用于对并网逆变器进行控制；(2)基于传统型SOGI的不平衡锁相环适用于不平衡电网环境，但在电压检测信号含直流偏移的情况下其锁相性能变差；(3)基于文中所设计改进型SOGI的不平衡锁相环,在不平衡电网及电压检测信号含直流偏移的情况下均具有较高的锁相精度.参考文献：【相关文献】[1] MORENO V M,LISERRE M,PAGANO A,et al.A comparative analysis of real-time algorithms for power signal decomposition in multiple synchronous reference frames [J].Power Electron,2007,22(4):1280- 1289.[2] 曾正，赵荣祥，汤胜清，等.可再生能源分散接入用先进并网逆变器研究综述 [J].中国电机工程学报，2013,33(24):1- 12.ZENG Zheng,ZHAO Rongxiang,TANG Shengqing,et al.An overview on advanced grid-connected inverters used for decentralized renewable energy resources 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Systems，2014，38(5):103- 108.。
双馈风电机组低电压穿越特性的试验研究_胡书举
高电压技术 第36卷第3期2010年3月31日H igh Voltage Engineering ,Vol .36,No .3,M ar .31,2010双馈风电机组低电压穿越特性的试验研究胡书举1,2,赵栋利1,赵 斌1,许洪华1,2(1.中国科学院电工研究所,北京100190;2.中国科学院风能利用重点实验室,北京100190)摘 要:低电压穿越能力正逐渐成为大型并网风电机组的必备功能之一,要求风电机组在电网电压跌落发生时保持并网,故障消除后快速恢复正常运行。
在分析双馈机组电压跌落特性的基础上,采用了转子主动式Crow bar 电路和直流侧卸荷电路相结合的方法来实现双馈风电机组的低电压穿越功能,讨论了具体的低电压穿越控制策略,通过仿真验证了电路结构和控制策略的正确性。
在实验室10kW 双馈机组实验平台上,采用电压跌落发生器模拟电网电压跌落故障,进行了电网电压跌落至额定电压20%时不同持续时间的测试,证实了所采用的低电压穿越控制策略的有效性。
关键词:双馈风电机组;低电压穿越;背靠背变流器;电压跌落发生器;主动式Cro wbar ;直流侧卸荷电路中图分类号:T M 315文献标志码:A 文章编号:1003-6520(2010)03-0789-07基金资助项目:863探索导向项目(2007AA05Z421)。
Project Sup ported b y “863”E xploration -oriented Project (2007A A05Z421).Experimental Research on LVRT Capability of DFIG Wind TurbineH U Shu -ju 1,2,ZH AO Do ng -li 1,ZH AO Bin 1,XU H ong -hua 1,2(1.Institute of Electrical Engineering ,Chinese Academy o f Sciences ,Beijing 100190,China ;2.Key Labo ra to ry of Wind Energ y Utilizatio n ,Chinese Academ y of Sciences ,Beijing 100190,China )A bstract :L ow voltage ride thro ug h (L V RT )capability is becoming an esse ntial functio n for hig h -pow er g rid co n -nected wind turbines ,w hich requir es w ind turbine to keep connected with g rid during voltage sag s and recover fast after clear ance of the faults .Based on analy sis o f v oltage sag characteristics fo r DFIG w ind turbine ,a method in -teg ra ting ro tor active cro wbar and DC -side damp circuit w as ado pted to implement the L V RT capability o f DFIG wind turbine ,and the specific LV R T contro l str ategy w as discussed ,then the cor rectness o f the pro tection circuit and contro l stra teg y w as verified by simulatio n .T he ex pe riment te st was car ried o ut on 10kW DFIG w ind turbine e xperimental test setup ,v oltage sag genera to r w as used to simulate grid v oltage sag faults drop to 20%of rated voltage w ith different duratio n time ,and therefo re the validity o f the LV RT co ntro l stra teg y w as confirmed .Key words :D FIG wind turbine ;lo w v oltage r ide throuth (LV RT );back -to -back conver ter ;voltage sag genera to r ;active Cro wbar ;DC damp circuit0 引言低电压穿越(LVRT )能力已经在很多国家的风力发电并网规则中得到了明确规定,我国也即将出台类似的标准。
一种适用于电网电压不对称情况下的锁相环[发明专利]
![一种适用于电网电压不对称情况下的锁相环[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/08024fc7b4daa58da1114a0c.png)
专利名称：一种适用于电网电压不对称情况下的锁相环专利类型：发明专利
发明人：靳海强,文俊,王彤彤,牛宇昆,王书杰,马立民
申请号：CN202010944186.1
申请日：20200910
公开号：CN112230057A
公开日：
20210115
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本申请公开一种快速检测电网电压相位和频率的锁相环，特别是用于电网电压不对称情况下。
它由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和正负序解耦环节共同构成。
由于正负序解耦环节抵消了不对称电网电压在正序dq变换时负序分量对应的二倍频分量，使得正序dq旋转坐标系可以准确跟踪电网电压正序分量空间矢量，从而完成对电网电压正序分量相位和频率的检测。
申请人：华北电力大学
地址：102206 北京市昌平区北农路2号
国籍：CN
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基于光伏并网逆变系统的改进锁相环设计
基于光伏并网逆变系统的改进锁相环设计赵贵龙;曹玲玲;祝龙记【摘要】The paper presents a PLL based on double second-order generalized integral (DSOGI-PLL) of abstracting grid voltage phase quickly and accurately for low accuracy and slow dynamic response of traditional PLL in the case of the unbalanced grid voltage in grid-connected PV systems. It can effectively extract the grid voltage positive sequence component, by using generalized integral and standard three-phase locked loop. Finally, the paper builds simulation for two-phase grid voltage drop and three-phase grid voltage unbalanced drop, and then uses DSP to verify it. Simulation results show that the PLL can provide more precise control reference for the grid-connected inverter, by which the stabilityand effectiveness of grid power generation systems are improved.%针对光伏并网系统中的传统锁相环在电网电压不平衡的情况下存在的锁相精度不高的问题，提出了一种能快速、精确地提取电网电压相位的一种双二阶广义积分锁相环(DSOGI-SPLL)。
不平衡电压条件下并网逆变器多目标协同控制
不平衡电压条件下并网逆变器多目标协同控制崔金豹(鄂尔多斯市和效电力设计有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯017000)摘要：为提高电压不平衡条件下并网逆变器的运行性能，提出一种功率振荡与当前谐波抑制的多目标协同控制策略。
首先建立了基于无波动条件下平衡电流、有功功率、无功功率的数学模型，并将峰值限制在安全范围内。
然后，针对传统离散傅里叶算法运算复杂度高的缺点，提出一种适用于电压正负不平衡序列的简化滑动递归离散傅里叶变换（SRDFT)算法，准确、快速地分离正、负序向量分量。
实验结果表明，在电压不平衡的情况下，并网逆变器的输出电能质量可以得到显著改善，在抑制电流畸变、减小功率波动的同时，保证了系统的安全快速响应，实现了多目标协同控制。
关键词：并网逆变器；协同控制；傅里叶变换；不平衡电压中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1000-100X(2021)05-0105-05Multi-objective Cooperative Control of Grid Connected Inverter UnderUnbalanced VoltageCUI Jin-bao(Ordors City Power Design Co. y Ltd., Ordors017000, China)A bstract： In order to improve the operation performance of grid connected inverter under unbalanced voltage, a multiobjective cooperative control strategy of power oscillation and current harmonic suppression is proposed.Firstly, the mathematical model of balancing current, active power and reactive power under the condition of no fluctuation is established, and the peak value is limited in the safe range.Then, aiming at the disadvantage of high computational complexity of traditional discrete Fourier transform algorithm, a simplified sliding recursive discrete Fourier transform (SR - DFT) algorithm is proposed to separate the positive and negative sequence vector components accurately and quickly. The experimental results show that the output power quality of the grid connected inverter can be significantly improved in the case of unbalanced voltage, which can suppress the current distortion and reduce the power fluctuation, ensure the safe and rapid response of the system,and realize the multi-objective cooperative control.Keywords ： grid connected inverter ；cooperative control ；Fourier transform ；unbalanced voltageFoundation Project ： Supported by National Natural Science Foundation of China (No.51277069)l引言电压源并网逆变器具有输出正弦度高,有功、无功功率大等优点，广泛应用于分布式发电、高压直流输电等电力系统或装置中||]。
一种改进型锁相环的性能分析
一种改进型锁相环的性能分析王宏宇;刘建国;曹英明;田景辅;李欣;张志霞【摘要】锁相环广泛用于现代工业控制尤其是电网电压相位锁定中,其性能直接影响电网电压频率、相位检测的准确与否.在改进型锁相环(IPLL)的基础上,分析环路稳定的充要条件,提供环路稳定的判据和仿真方法.基于Matlab/simulink对其主要性能进行数字时域仿真分析.仿真结果表明:该结构不但可以对相位阶跃、相位斜升和相位加速度实现跟踪,还可以跟踪输入信号的幅值变化,对输入信号相位变化的跟踪能力可以解决提出问题.利用改进型锁相环的功能,可以将其应用于基于幅值、相位和频率为主要参数解决问题的电力系统领域,如电力系统保护、并网变换器、电能质量分析以及无功补偿等领域.【期刊名称】《沈阳农业大学学报》【年(卷),期】2014(045)004【总页数】5页(P508-512)【关键词】改进型锁相环;稳定性分析;相位信息;幅值信息;数字时域仿真【作者】王宏宇;刘建国;曹英明;田景辅;李欣;张志霞【作者单位】辽宁石油化工大学矿山工程学院,辽宁抚顺113000;朝阳供电公司,辽宁朝阳122000;朝阳供电公司,辽宁朝阳122000;辽宁电力有限公司,沈阳110004;凌海供电公司,辽宁凌海121200;沈阳农业大学信息与电气工程学院,沈阳110161【正文语种】中文【中图分类】TM76锁相环（phase locked loop,PLL）是一种可以使一个特殊的系统去跟踪另一个系统的电路。
即可以使输出信号与输入信号在相位和频率上同步的一种电路[1]。
该技术广泛应用于雷达、通信、遥控遥测、电视广播和电子测量仪器领域[2]。
由于锁相环的功能特点,近年来,许多科研工作者开始将这一技术应用于电力系统保护、电力转换和电能质量检测系统[3-7,10-13]。
常规的锁相环电路主要用于对输入信号的频率和相位的锁定。
输出信号一般是输入信号的相位信息,且为单一输出[1-2]。
一种用于不平衡畸变电网数字锁相环算法
一种用于不平衡畸变电网数字锁相环算法石媛;张新民【摘要】为提高并网逆变器及整流器在不平衡及畸变电网下的控制性能,本文提出了一种基于Clarke变换理论及频率自适应的锁相环算法,该算法可同时应用于三相不平衡系统及单相系统.文中设计了用于提取不平衡电网中正序分量的滤波器,能够准确快速的识别不平衡电网的正负序分量.通过仿真分析可知,该锁相环算法对带直流分量的不平衡电网,电压瞬态变化具有良好的适应性.【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2017(037)006【总页数】4页(P77-80)【关键词】锁相环;不平衡电网;直流分量【作者】石媛;张新民【作者单位】武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064;武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064【正文语种】中文【中图分类】TM46在诸多电力电子设备，并网风力发电设备、可控整流器、UPS、动态电压恢复器等接入电网时，都存在电压突变（暂降或突升）、谐波以及由其他电力电子设备接入时引起的电压畸变等问题。
为获得良好的控制性能，需要准确的获取电网的电压及相位信息，锁相环尤其是数字锁相环是应用最广泛及最有效的方式。
当电网电压平衡时，基于同步坐标系的SRF-PLL能够满足应用的需要，但这需要品质良好的电源[1]。
国内外学者就不平衡电网下的锁相环设计提出许多解决策略。
V.Kaura,V.Blasko应用了基于DQ变换理论的方法，但其锁相环的带宽及锁相时间都不太理想[2].文献[3]提出了对文献[2]进行了改进，在锁相环中加入负序、谐波分量滤波，并进行了相位补偿，在动态性能上取得良好效果。
为了使锁相环在不平衡电网下的应用更加简易，本文在阐述锁相环原理的基础上，建立了分离电网中正负序及直流分量的滤波器频域及时域模型，在MATLAB/SIMULINK环境中对电网各种畸变情况进行了锁相环的仿真。
在三相三线制系统中，忽略零序分量，当电网电压含有直流分量时，三相不平衡电网电压可表示为三相正序分量、负序分量、直流分量之和。
基于锁相环的不对称故障下电网电压的检测方法
Ｄａｉ Ｚｈ砂ｕａｎ Ｔａｎｇ Ｎｉｎｇｐｉｎｇ
戴志远 汤宁平
林莹莹
３５０１０８）
（福州大学电气工程与自动化学院，福州
为了在面对电网故障时，风力发电系统能够正常的运行和控制，需要对各种故障情况 下电网电压的相角、频率、幅值进行快速和准确的检测，使得控制系统能够迅速做出相应的反应。
摘要
本文根据对称分量法的原理，采用双ｄｑ变换对正、负序电压解耦，分析和改进了基于双ｄｑ变换
322014相电压跌落的检测仿果的原理设计了锁相环建立了三相电压正序分量负序分量实际电压相角以及锁相角之间的数学模型根据数学模型设计锁相环的原理框图搭建了锁相环的仿真模型仿真实验验证了模型的正确性能够在电网不对称故障的情况下准确测量电压相角频率和正负序分量幅值
研究与开发
基于锁相环的不对称故障下 电网电压的检测方法
［８］
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）：１０８一１１３．
图５双ｄｑ变换锁相环对单相电压跌落的检测仿果
３结论
针对风力发电机组并网和可靠运行，需要对电 网电压的相角、频率、幅值快速而精确的检测，为 风电机组的控制运行提供依据。本文根据双ｄｑ变换
ｌ
双ｄｑ变换锁相环原理和数学模型
在电力系统中，对于电网不对称故障情况的分
析往往是利用对称分量法。对称分量法的原理是将 一组不对称分量分解为三组对称分量，正序分量、 负序分量、零序分量。从而可对各分量分别按对称
基于自适应粒子群优化算法的有源配电网多目标动态无功优化
基于自适应粒子群优化算法的有源配电网多目标动态无功优化葛朝晖;王颖;刘梦怡;齐晓光;林榕;徐正阳【期刊名称】《电力系统及其自动化学报》【年(卷),期】2018(030)011【摘要】为解决负荷变动条件下电容器组和分布式电源的协调优化问题,提出了一种新的配电网动态无功优化方法.首先,建立了分布式电源及负荷的随机模型,通过蒙特卡罗模拟抽样,得到24 h的分布式电源出力曲线和负荷变化曲线,研究了基于半不变量法的随机潮流分析方法;其次,以分布式电源投资效益和网络有功损耗为目标函数,建立了有源配电网多目标动态无功优化模型;然后,基于分布熵的自适应粒子群算法,提出了模型的求解方法与流程;最后,通过算例验证了所提方法的有效性和实用性.【总页数】8页(P44-51)【作者】葛朝晖;王颖;刘梦怡;齐晓光;林榕;徐正阳【作者单位】国网河北省电力有限公司经济技术研究院,石家庄 050011;国网河北省电力有限公司经济技术研究院,石家庄 050011;智能电网教育部重点实验室(天津大学),天津 300072;国网河北省电力有限公司经济技术研究院,石家庄 050011;国网河北省电力有限公司经济技术研究院,石家庄 050011;智能电网教育部重点实验室(天津大学),天津 300072【正文语种】中文【中图分类】TM315【相关文献】1.基于搜索空间自适应分割的多目标粒子群优化算法 [J], 孙冲;李文辉2.基于分解的改进自适应多目标粒子群优化算法 [J], 庞锐;高兴宝3.基于多目标局部变异-自适应量子粒子群优化算法的复杂地形多传感器优化部署[J], 徐公国;段修生;单甘霖;童俊4.基于种群曼哈顿距离的自适应多目标粒子群优化算法 [J], 李浩君; 张鹏威; 郭海东5.基于改进粒子群优化算法的多目标自适应巡航控制 [J], 毛锦;阳磊;刘凯;杜进辅;崔亚辉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
智能电网融合下基于FFCD-SOGI-PLL的电网状态估计
智能电网融合下基于FFCD-SOGI-PLL的电网状态估计周翔宇;张震;马瑞卿;巫春玲;卢勇;相里康;王丹青
【期刊名称】《西北工业大学学报》
【年(卷),期】2022(40)6
【摘要】在智能电网与新能源发电融合背景下,电力电子接口装置的大量使用将给系统引入额外的直流偏置。
因此,电网电压信息获取算法的直流偏置抑制能力变得至关重要。
二阶广义积分器锁相环(SOGI-PLL)广泛应用于电网信息的同步与提取,可以有效抑制频率波动和相位跳变对电网状态估计精度的影响,但其自适应频率反馈环节在实现谐波抑制的同时,对于电网中含有的直流偏置非常敏感。
针对这一问题,提出了一种固定频率反馈的级联SOGI-PLL(FFCD-SOGI-PLL),使用级联结构输入固定电网标称频率,实现信号直流分量滤除,增强了谐波抑制性能。
通过小信号模型给出其稳定性分析和参数设计方法。
实验结果表明,在电网电压含有直流分量、谐波以及电网电压跌落时,设计的FFCD-SOGI-PLL可以快速稳定地对电网电压状态信息进行精确估计。
【总页数】9页(P1343-1351)
【作者】周翔宇;张震;马瑞卿;巫春玲;卢勇;相里康;王丹青
【作者单位】长安大学能源与电气工程学院;西北工业大学自动化学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM935
【相关文献】
1.基于状态估计的电网数据信息融合与预警
2.拒绝服务攻击下基于UKF的智能电网动态状态估计研究
3.基于多源数据融合的电网抗差状态估计
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5.融合量测重构的RGAN-UKF智能电网状态估计模型
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（ 5）
2 。式（5）的方程组构成了一个状态
当 为正值时， Lyapunov 函数沿误差轨线对时 间的导数为 d T W e T A GC A GC e dt （10） 2 d T ˆ αβ 2 vαβ J dt
2
自适应观测器方案设计
本文提出的 FRF-PLL 采用自适应观测器对电 网电压的基波频率和相位信息进行观测，同时得到 电网电压的正负序电压分量。自适应观测器的结构 框图如图 1 所示。
1
不平衡条件下的电网模型
图 1 自适应观测器结构框图 Fig. 1 Adaptive observer block diagram
d ˆ e [ A GC ]e Ax dt
0
（8）
αβ
p n vαβ - 。 ˆ； ˆ； 其中： e xx A A A 0
其中， 是对基波频率的一个近似估计值，一般取 大电网的基波角频率 100 rad/s 。对式（3）进行微 分，可以得到
Phase-locked loop algorithm based on adaptive observer under unbalanced grid voltage condition
HUO Xian-xu1, 2, 3, HU Shu-ju1, 3, XU Hong-hua1, 3 (1. Institute of Electrical Engineering CAS, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Key Laboratory of Wind Energy Utilization CAS, Beijing 100190, China) Abstract: Under the condition of unbalance grid voltage, traditional phase-locked loop (PLL) is incapable to track the frequency and phase of the voltage, and fails to get the positive and negative sequence components of the grid voltage directly. To solve this problem, a PLL algorithm based on adaptive observer in the fixed reference coordinates is presented. The adaptive observer model and gain matrix for grid angular frequency estimation is designed. By means of Lyapunov function definition, the adaptive law for the grid angular frequency is deduced. The proposed PLL algorithm not only can observe the frequency and phase angle of the grid voltage, but also can get the positive and negative sequences signals. Simulation and experimental results prove that PLL based on the adaptive observer has advantage of high precision, fast dynamic response and so on. Its advantages are more prominent in the unbalance conditions, so it can provide a reliable control foundation for the improvement of wind energy converter. This work is supported by National High-tech R & D Program of China (863 Program) (No. 2011AA050204). Key words: unbalanced grid voltage; adaptive observer; phase-locked loop; positive and negative sequences; wind energy converter 中图分类号： TM71 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2013)15-0120-06
Vol.41 No.15 Aug.1, 2013
电网不平衡下基于自适应观测器的锁相环研究
霍现旭 1,2,3，胡书举 1,3，许洪华 1,3
（1.中国科学院电工研究所，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100049； 3.中国科学院风能利用重点实验室, 北京 100190） 摘要：电网不平衡条件下，传统软件锁相环已经不能准确跟踪电网电压的频率和相位信息，且无法直接得到电网电压的正负 序分量。针对传统软件锁相环的缺陷，提出了一种静止坐标系下基于自适应观测器的软件锁相环算法。算法设计了电网电压 角频率的自适应观测器模型，通过定义 Lyapunov 函数，推导出电网角频率的自适应律，并设计了使得观测器稳定的增益矩 阵。该算法不仅可以观测到电网的频率、相位等信息，同时可以得到电网电压正负序分量。仿真和实验结果表明，基于自适 应观测器的锁相环具有检测精度高、动态效果好等优点，当电网处于各种不平衡条件时更能显示其优越性，可为风电网侧变 流器的算法改进提供有效的控制基准。 关键词：电压不平衡；自适应观测器；锁相环；正负序分量；风电变流器
定义 Lyapunov 函数为
W (e, ) e T e /
T T vαβ vαβ αβ αβ / 2
2
（ 9）
αβ J (v +v )
p αβ n αβ
（ 4）
综合式(1)~式(4)可得到 αβ J αβ v αβ Jvαβ 其中，
eT
A GC
T
T A GC e 2vαβ vαβ
当 0 时，Lyapunov 函数导数恒为负半定， 自适应观测器能够稳定至实际值处。 根据式（1）和式（3）的定义，利用式（7）观 ˆαβ 和 ˆ αβ 以及电网电压角频率 ˆ ，可以得到 测到的 v 电网电压的正负序分量为 ˆ 1 p ˆαβ ˆαβ + ˆ αβ v = v 2 （13） ˆ 1 n ˆαβ = v ˆαβ ˆ αβ v 2 需要指出的是，当电网电压中不含谐波时，正 负序分量均为标准的正弦波；当电网电压含有谐波 时，观测器能够将基波和各次谐波的正负序分量分 离出来，且谐波含量的正负序分量已经衰减。利用 式(13)所得到的正负序分量为基波和各次谐波正负 序分量观测值的叠加，故而得到的正负序分量并非 标准正弦波。谐波分量对电网的频率、相位也会产 生一定影响。但在一定范围内，FRF-PLL 得到的电 网电压信息具有一定的精度，对于网侧变流器算法 没有太大影响。 从电网电压采样值到最终得到电网电压信息的 整个框图如图 2 所示。图中的 FRL-PLL 即为图 2 所示框图。
矩阵方程组，第一个微分方程包含电网电压角频率 的信息，且第二个方程经过适当变换电网电压角
令式 （10） 的第二项和第三项之和为零， 得到 的自适应律为
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电力系统保护与控制
d T ˆ vαβ ˆ αβ J （11） dt 根据 的定义，可以得到电网电压基波角频率 的估计值为 ˆ = ˆ （12） 为了保证在自适应律条件下的式（10）为负半 I 定，需要选取合适的增益矩阵 G 。令 G ，计 0 算得到
侧变流器中，零序分量无流通回路，故在分析中不 涉及零序分量。电压方程的微分形式可以表示为 0 - 1 p n αβ J (vαβ v - vαβ ) J （2） 1 0 ，为电网电压的基波角速度。为了在 其中， FRF-PLL 中得到关于正负序分量的信息，引入中间 变量 αβ ：
网络出版时间：2013-07-29 15:37 网络出版地址：/kcms/detail/41.1401.TM.20130729.1537.019.html
第 41 卷 第 15 期 2013 年 8 月 1 日
电力系统保护与控制
Power System Protection and Control
频率 已经对其没有影响。将方程变换为矩阵形 式，可以得到
d vαβ A11 A12 vαβ Ax A A dt αβ 21 22 αβ vαβ Cx
（ 6）
其中：A11 A22 0; A12 J ；A21 J ; C I 0 。
霍现旭，等
电网不平衡下基于自适应观测器的锁相环研究
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进算法进行了大量研究。文献[1]提出了利用谐振式 PLL 检测电压频率，需要用到多个谐振补偿器和陷 波器。文献 [2] 研究了基于傅里叶分析的锁相环技 术，其算法复杂，谐波抑制效果受参数影响很大。 文献[3-4]采用了双坐标系 PLL 来对电网电压进行 锁相， 其坐标变换复杂， 对电网电压频率十分敏感。 文献[5]采用低通滤波器分离基波分量，再利用传统 锁相环进行电网电压锁相，这种算法会引起幅值衰 减、相角漂移等误差；文献[6-7]利用 T/4 延时法进 行锁相。大部分的 PLL[3-10]都需要在旋转坐标系下 进行，对电网频率、谐波分量等扰动量敏感，并且 正负序分量分离需要额外的算法进行实现。本文提 出了一种静止坐标系下基于自适应观测器的软件锁 相环(FRF-PLL)，能够准确地观测电网的相位和频 率，并且实现正负序分量分离。此方案能够在电网 电压不平衡、电网频率波动、电网含有谐波等情况 下实现，具有良好的鲁棒性。