解耦多同步参考坐标系电网电压同步信号检测方法

李珊瑚 杜 雄 王莉萍 周雒维

（重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 重庆 400030）

1 引言

在新能源发电中，各种分布式电源通过电力电子变流器并网，要实现并网变流器与电网的同步运行，需检测电网电压的频率、相位和基波分量，即提取电网电压同步信号，同时同步信号还可能会参与变流器的控制。同步信号提取方法会影响分布式发电系统的并网运行性能[1-2]。随着电网环境的变化和变流器技术的不断发展，并网变流器对同步信号提取的要求也在不断提高。大规模新能源发电并入电网，电网也对新能源发电参与系统频率控制提出了要求[3]。非理想工况下，电网电压可能会出现不对称、谐波和频率变化等[4]。同步信号检测方法也需要在非理想工况下具有良好的同步性能，同时动态响应速度也是需要考虑的一个重要指标。

在近似认为电网频率恒定的情况下，瞬时对称分量法[5-6]和基于瞬时对称分量法的延时信号对消法[7]，以及空间矢量滤波法[8-9]均被用于同步信号的检测，并得到了较好的效果。但当电网频率变动时，检测结果受到影响，同步效果差。在新能源发电系统中，接入点的电网频率会存在波动。因此应用于新能源发电并网的同步信号检测方法还需具有频率自适应性。基于dq变换的同步参考坐标系锁相环[10（]Synchronous Reference Frame PLL，SRF-PLL）方法具有频率自适应功能，该方法在理想电网电压情况下可以实现优越的同步效果，已得到广泛的应用。但在电网电压不对称和含有谐波的非理想工况下，同步效果受到极大影响[11]。在电网电压不对称的情况下，电压负序分量在dq轴系分量上存在二倍工频波动[11-12]，为了消除负序分量对同步性能的影响，可以采用降低低通滤波器带宽的方法来提高同步效果，但动态响应速度会受到影响。为了在同步效果和动态响应速度方面进行折中，许多文献提出了不同的解决方案。如采用双二阶通用积分器[12]得到和电网电压正交的90°移相信号，先进行正负序分解避免二倍工频分量的产生，然后进行dq变换以消除负序分量的影响。以及基于正序dq轴分解的解耦双同步参考坐标系锁相环（DDSRF-PLL）[13]，DDSRF-PLL是解决电网不平衡对同步信号检测的影响问题较为优秀的解决方案。另外以自适应滤波器（ANF）[14]为基础的具有频率自适应功能的非线性同步方案也由单相系统的应用，通过对每相分别采用一个ANF单元进行锁相推广用于三相系统[15]，可解决电网电压不对称的问题。采用附加的第四个ANF单元改善频率跟踪性能的增强型PLL（EPLL）[16]也被用于解决负序分量的问题。为了解决谐波对同步效果的影响，上述方案均以降低带宽，牺牲动态响应速度为代价。文献[17]采用附加的时变滤波单元来抵消部分谐波的影响，实现非常复杂。

为了解决谐波对同步效果的影响，本文将以解耦双同步参考坐标系锁相环为基础，借鉴在永磁同步电机驱动中应用的多同步参考坐标系分解方法（MRSF）[18]，提出一种解耦多同步参考坐标系同步信号检测方法（DMRSF-PLL）。实现在消除电网电压负序分量影响的同时，还可在不牺牲动态响应速度的前提下消除主要低次谐波分量对同步性能的影响。理论分析和实验结果表明，文中讨论的同步信号检测方法在电网电压不平衡、频率突变且含有谐波等情况下，能够准确快速提取同步信号。

2 DDSRF-PLL及其性能分析

在非理想情况下，电网电压ui（i=a，b，c）可表示为

当i=a，b，c时，相应的ki=0，1，2，式中u1+、u1-分别为基波正序和负序分量幅值；uh为第h次谐波分量幅值；ω为电网基波频率；φ-1为负序基波电压相位；φh为第h次谐波分量的相位。三相电压变换到两相静止αβ 坐标可表示为

式中

式（3）中变换矩阵分别为

从式（5）可以看出，进行负序解耦后的正负序变换结果虽然消除了二倍工频分量，但由电源电压谐波分量产生的纹波分量依然存在。

dq轴采用的低通滤波器为

以次数较低的5、7次谐波为例，5次谐波为负序谐波，7次为正序谐波，此时h分别为-5和7，衰减的比例为12%。当低次谐波含量较高时，dq变换值仍然含有较大的偶次纹波。特别对于电网频率的检测，q轴分量将会直接影响检测结果，使得检测频率含有较大的谐波分量。

从图1可以看出，当电网电压含有谐波时，DDSRF-PLL不能准确地提取频率信息，提取的频率信息约含有0.5Hz的波动，已难于满足参与系统频率调节时对频率检测的要求[3]。正负序分量dq分解结果也受到谐波的影响，含有较大的谐波分量。因此为了获得准确的同步信号，需进一步研究消除谐波影响的同步信号方法。

图1 谐波情况下DDSRF-PLL方法的测试结果Fig.1 Test results of DDSRF-PLL under harmonic condition

3 解耦多dq轴PLL

为了消除谐波对正序分量和频率检测结果的影响，本文将电网电压信号进行多同步参考坐标系分解，然后对分解结果进行解耦以消除负序分量和谐波的影响，提高同步效果。

非理想电压（含有不对称和谐波）在正序和负序dq轴系的分解结果已在式（4）中表示，也可分析非理想电压在任意h次谐波dq轴系分解的结果为

从式（8）可以看出，第h次谐波分量在h次谐波dq轴系的变换结果为直流分量，而正、负序分量的变换结果分别为h-1、h+1次的纹波分量。结合式（4）的结果，非理想电压在任意dq轴系上的变换结果均可表示为第h次谐波在第h次dq轴系（基波正序和负序可看成h=±1）的直流分量和非h次谐波在第h次dq轴系的交流分量之和。利用非h次dq轴系的直流分量和电网电压相位的数学关系解耦交流分量获取直流分量。图2所示为在h次dq轴系对交流分量进行解耦的结构框图。

图2 第h次dq轴系解耦结构框图Fig.2 Block diagram of decoupling network in the h th dq axis

4 解耦多dq轴PLL性能分析

电网电压畸变主要是由于5次和7次谐波的影响，受其他高次谐波的干扰较小。因此解耦多dq轴PLL只考虑正序、负序、5次、7次dq轴之间的解耦，高次谐波通过低通滤波器进行衰减。因此消除5、7次谐波的解耦多dq轴PLL的结构框图如图3所示。

图3 解耦多dq轴PLL结构框图Fig.3 Block diagram of DMSRF-PLL

图中分别进行了基波正序、负序，5次和7次谐波的同步参考坐标系分解，并分别采用了四个通道的解耦网络。三相系统中，5次谐波可看成负序分量，因此图中h取-5。其中正序q轴分量的输出经过PI调节器得到角频率估计值ωˆ，角频率的积分得到相位信息θˆ，θˆ用于各同步参考坐标系的变换，与SRF-PLL中频率和相位信息的估计方法相似[10]。低通滤波器的截止频率不仅要考虑高次谐波的衰减程度，还必须考虑正、负序基波分量输出稳定的动态响应速度和超调量。本文中解耦多dq轴PLL的低通滤波器的截止频率选取与文献[13]介绍的方法相似，因此选取的ωf也等于输入信号频率的0.707倍。

采用图3所示的结构，可以消除负序和5，7次谐波的影响，在三相电压不平衡和有谐波存在的场合时都将能准确地提取同步信号。但由于增加了5，7次解耦通道，在一定程度上增加了计算量。

5 实验验证

为了验证解耦多dq轴PLL的性能，文中进行了实验研究。各种输入电压信号由可编程三相交流电源67103提供。参照并网变流器对同步信号提取方法的要求，分别对输入电压含有谐波、三相电压不对称、频率跳变，以及同时含有不对称和谐波4种工况进行了测试。测试结果主要包括频率和相位，正负序dq轴系的分解结果。

5.1 谐波情况

输入三相电压测试条件与第2节DDSRF-PLL的测试条件一样。实验结果如图4所示，与图1的实验结果相比，频率检测结果几乎消除了波动分量，基波dq轴的分解结果也消除了纹波分量，响应时间小于一个周期。表明了所提DMSRF-PLL方法在谐波抑制方面的有效性。

图4 谐波情况下DMSRF-PLL方法的测试结果Fig.4 Test results of DMSRF-PLL under harmonic condition

5.2 不对称情况

图5 不对称情况下DMSRF-PLL方法的测试结果Fig.5 Test results of DMSRF-PLL under unbalance condition

5.3 频率跳变情况

当电网电压频率发生从50Hz到55Hz的跳变时的频率相位检测结果如图6所示，响应时间也约一个周期。

图6 频率跳变情况下DMSRF-PLL方法的测试结果Fig.6 Test results of DMSRF-PLL under frequency jump condition

5.4 不对称和谐波情况

图7 畸变情况下DMSRF-PLL方法的测试结果Fig.7 Test results of DMSRF-PLL under distort condition

6 结论

文中首先分析并通过实验测试结果表明，解耦双同步参考坐标系锁相环方法在电网电压存在谐波的情况下，检测到的同步信号和频率信号存在较大的纹波分量。为了解决DDSRF-PLL方法在谐波工况下的缺点，本文提出了基于解耦多同步参考坐标系的同步信号检测方法，该方法通过在基波和低次谐波同步参考坐标系进行分解并解耦，可以在非理想电压情况下取得好的同步效果。实验测试结果表明，在电网电压不对称、含有谐波、频率跳变以及含有多次谐波的不对称情况下，均能准确快速提取出同步信号，为新能源发电中变流器的同步信号提取提供了一种新的方案。

[1] Blaabjerg F,Teodorescuk R,Liserre M,et al.Overview of control and grid synchronization for distributed power generation systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2006,53(5):1398-1409.

[2] Freijedo F D,Doval Gandoy J,Lopez O,et al.Grid-synchronization methods for power converters[C].IEEE Industrial Electronics Annual Conference,Porto,Portugal,2009: 522-529.

[3] Tsili M,Papathanassiou S.A review of grid code technical requirements for wind farms[J].IET Renewable Power Generation,2009,3(3): 308- 332.

[4] 肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社,2009.

[5] Ghosh A,Joshi A.A new algorithm for the generation of reference voltages of a DVR using the method of instantaneous symmetrical components[J].IEEE Power Engineering Review,2002,2(1): 63-65.

[6] 袁旭峰,程时杰,文劲宇.改进瞬时对称分量法及其在正负序电量检测中的应用[J].中国电机工程学报,2008,28(1): 52-58.Yuan Xufeng,Cheng Shijie,Wen Jinyu.An improved method of instantaneous symmetrical components and its detection for positive and negative sequence current[J].Proceedings of the CSEE,2008,28(1):52-58.

[7] Svensson J,Bongiorno M,Sannino A.Practical implementation of delayed signal cancellation method for phase-sequence separation[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2007,22(1): 18-26.

[8] Svensson J.Synchronisation methods for grid-connected voltage source converters[J].IEE Proceedings-Generation,Transmission and Distribution,2001,148(3): 229-235.

[9] 张桂斌,徐政,王广柱.基于空间矢量的基波正序、负序分量及谐波分量的实时检测方法[J].中国电机工程学报,2001,21(10): 1-5.Zhang Guibin,Xu Zheng,Wang Guangzhu.Study and simulation of real-time detecting method for fundamental positive sequence,negative sequence components and harmonic components based on space vector[J].Proceedings of the CSEE,2001,21(10):1-5.

[10] Kaura V,Blasco V.Operation of a phase locked loop system under distorted utility conditions[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1997,33(1):58–63.

[11] 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.Zhou Peng,He Yikang,Hu Jiabing.Detection of voltage synchronization signals for a wind energy generation system unbalanced grid conditions[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2008,23(5): 108-113.

[12] Rodríguez P,Teodorescu R,Candela I,et al.New positive-sequence voltage detector for grid synchronization of power converters under faulty grid conditions[C].In Proceedings of IEEE Power Electronics Specialist Conference,2006: 1-7.

[13] Rodríguez P,Pou J,Bergas J,et al.Decoupled double synchronous reference frame PLL for power converters control[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2007,22(2): 584-592.

[14] Mohsen Mojiri,Masoud Karimi Ghartemani,Alireza Bakhshai.Time-domain signal analysis using adaptive notch filter[J].IEEE Transaction on Single Processing,2007,55(1): 85-93.

[15] Davood Yazdani,Alireza Bakhshai,Mojiri M.A nonlinear adaptive synchronization technique for grid-connected distributed energy sources[J].IEEE Transaction on Power Electronics,2008,23(4):2181-2186.

[16] Karimi Ghartemani,Iravani M Reza.A method for synchronization of power electronic converters in polluted and variable-frequency environments[J].IEEE Transactions on Power Systems,2004,19(3)：1263-1270.

[17] Helber E P de Souza,Fabrício Bradaschia,Francisco A S,et al.A method for extracting the fundamentalfrequency positive-sequence voltage vector based on simple mathematical transformations[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(5):1539-1547.

[18] Chapman P L,Sudhoff S D.A multiple reference frame synchronous estimator/regulator[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2000,15(2):197-202.