风电场运行中电网频率和相位信息的检测

王帅 李鹏 崔红芬

（电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室（华北电力大学），河北 保定 071003）

1 引言

风力发电以其无污染、可再生的优点，日益受到世界各国的广泛重视，得到迅速发展[1-4]。变速恒频风力发电机突破恒速恒频风力发电机对转速的限制，最大限度捕获风能以提高发电效率，并能够实现有功功率、无功功率的解耦控制，对电网进行无功补偿，改善系统的功率因数[5-7]，这些优点使其逐渐成为风力发电机的主流机型。

如图1所示，风力发电机的变速恒频控制需要根据风力机转速的变化相应地控制转子励磁电流的频率，使发电机输出的电压频率与电网保持一致，根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，可知变速恒频风力发电机转速与定、转子绕组电流频率的关系如下：

式中，f1、 f2、n和p分别为定子电流频率、转子电流频率、发电机的转速和极对数。由式（1）可知，当转速n发生变化时，若调节 f2相应变化，可使 f1保持恒定不变，即与电网频率保持一致。

图1 变速恒频风力发电机原理

因此要实现变速恒频控制，电网的实时频率和相位信息是必不可少的，尤其是在风力发电机安装的偏远地方，通信不便，这就使得实时实地取得电网相位、频率信息变得非常重要。

锁相环（PLL）广泛应用在测控信号相干解调、时间同步、频率合成等领域。用锁相环技术可以快速跟踪到电网电压的相位和频率信息，是变速恒频发电机的控制不可缺少的一部分。目前使用的锁相环可以分为模拟锁相环（APLL）、数字锁相环（DPLL）和软件锁相（SPLL）环[8-9]等几种。APLL，DPLL等都是以硬件方式实现锁相功能的，有着较为复杂的硬件电路，会遇到一些硬件难以克服的难题，如直流零点漂移、器件饱和、必须初始校准等，特别是在过零点附近存在噪声干扰时测量准确性受到严重影响。软件锁相技术(SPLL)与硬件实现的锁相环相比，更容易与整体控制方法结合，有更高的精度和收敛速度[10]，基于以上原因，软件锁相技术越来越受到重视。

在正常电网条件下，采用SPLL可快速跟踪电网电压的相位和频率，但如果电网电压中出现谐波、负序成分软件锁相环就会丧失对电网的频率和相位的跟踪。近年来，大型变速恒频双馈异步风力发电机的研究已从电网理想状态下的运行[11-12]深化到电网不平衡状态下的运行[13-14]。因此，在电网有谐波、负序成分等不平衡状态下能够快速准确的测定系统的频率和相位，已经是大型变速恒频双馈异步风力发电机控制急需解决的问题。

为快速跟踪电网电压的相位和频率，排除谐波和负序分量的干扰，本文对软件锁相环进行了改进，提出了一种含正负序分离功能的软件锁相环，对该方法的原理进行了详细的理论分析，并用Matlab/Simulink进行了仿真验证。

2 电网平衡状态下的频率检测

软件锁相环测频的原理如图2所示。

图2 软件锁相环电压矢量图

图中，u代表电压矢量，uspll代表锁相环输出矢量，当锁相环实现对相位的跟踪时，uspll和 u应该重合；未实现对相位的跟踪时，两矢量空间之间的夹角可以表示为：

式中，uα、uβ为u的α、β分量。

将三相电网电压由三相静止 ABC坐标系变换到两相静止αβ坐标系和同步旋转dq坐标系，可分别得到

因此，电网故障时的相角跳变(ϕ−)θ可以用同步旋转dq坐标系下的电网电压q轴分量uq来描述。当电网电压处于理想的平衡状态时，电网电压矢量的d、q分量ud、uq为直流量，因此通过对uq的PI调节就可以准确跟踪正序电压空间矢量。按此原理，一般 SPLL方法实现相位和频率跟踪的框图如图 3所示。

图3 软件锁相环频率跟踪原理图

ua、ub、uc转换到静止的αβ坐标系，然后转换到与电压同步的旋转 dq坐标系得到交流电压的直流分量 ud、uq（其中变换所用的旋转角θ，是软件锁相环的输出）。如果锁相角与电网电压相位同步，则电压输出直流分量uq等于0。0与uq的差值经比例积分PI调节器调节后可视为误差信号ω，ω与扰动角频率0ω相加后（0ω一般取100π，以便在输入掉电的情况下仍能输出工频信号）得到角频率*ω，再除以系数2π，便可得到系统的频率信息。整个流程构成一个负反馈，通过调节PI调节器可达到锁相和测频的目的。

SPLL无需像硬件锁相环那样采用低通滤波器滤除高频信号，也无需进行过零点检测，动态响应快，能对电网频率变化实现准确、快速而稳定地跟踪，本文用Matlab/Simulink对SPLL的测频性能进行仿真，图4表示软件锁相环在电网频率波动中的响应，在t=0.2s时电网频率由50Hz上升至50.5Hz，在0.4s时又由50.5Hz恢复为50Hz。

从图 4（a）中可知，SPLL可以在电网无谐波和负序分量的情况下快速的跟踪电网频率。但在电网存在谐波和负序分量时，uq已不再是一直流分量，而是交流分量，所以软件锁相环将不能跟踪电网的频率，图4（b）表示在0.2～0.4s的时间段内在三相电压中加入幅值为0.1的负序电压时SPLL的响应。

由于电力电子器件的使用，使得在风电场并网时产生谐波，图4（c）表示在在0.2～0.4s的时间段内在三相电压中加入幅值为0.1的5次谐波时SPLL的响应，由图可以看出，在负序电压和谐波的影响下，SPLL丧失了对频率的跟踪，测得的频率呈现等幅震荡状态，这对风力发电机的变速恒频控制是大为不利的。

图4 软件锁相环在不同电网状态下的频率跟踪

3 不平衡分量的分离

为解决负序分量和谐波对 SPLL的不良影响，使 SPLL能在负序和谐波的影响下能很好的跟踪电网的频率信息，提出一种正负序分离的方案。

在一般情况下，不对称网络的电压向量在αβ坐标系可表示为

式中，gω是系统的角频率。U+和U−分别为正序分量和负序分量的幅值，ϕ+和ϕ−分别为正序分量和负序分量的相位。如果把一个延时T加入到电压分量中，（7）式变为

把αβ坐标系下的电压正负序分离的框图如图5所示。

图5 电压信号正负序分离框图

由图可知，把包含负序分量和谐波分量的uα、uβ分解为只含正序分量的排除了负序分量的干扰，实验证明，正负序的分离对谐波也有明显的抑制作用。

4 仿真验证

为验证提出的方案，用Matlab/Simulink进行了仿真验证。图6是在三相电压中加入幅值为0.1的负序分量时的电压正负序分离，图7是电压信号中存在负序分量时的频率和相位跟踪。由图可以看出，负序分量被滤除，从而使改进的锁相环能很好的跟踪系统的频率和相位。

图6 存在负序分量时的正负序电压分离

图7 存在负序分量的频率和相位跟踪

图8是在在三相电压中加入幅值0.1的5、7次谐波时电压正负序分离，图9是存在5、7次谐波的频率和相位跟踪。由图可以看出，本系统能很好的排除5、7次谐波对锁相环频率和相位跟踪的影响。

图8 存在5、7次谐波时电压正负序分离

图9 存在5、7次谐波的频率跟踪

5 结论

随着变速恒频风力发电机在风力发电中的应用越来越广泛，在电网各种条件下快速准确的测得电网的频率、相位信息已经成为变速恒频控制不可缺少的一部分。本文针对软件锁相环在电网存在负序分量和谐波分时不能跟踪电网频率的缺点，提出一种改进的软件锁相环，可对包含负序、谐波的对称或不对称三相电网电压的频率、幅值等各种信息实现快速、准确检测和跟踪，满足并网风电场运行控制的需要。在Matlab/simulink下对说提出方法进行了仿真，结果证实了所提出的方法的可行性和有效性。

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