基于改进SOGI-PLL的电压同步信号检测技术

2021-10-30李卫国刘宏伟刘新宇陈立铭郭丽军

东北电力大学学报 2021年3期

李卫国，刘宏伟，刘新宇，陈立铭，郭丽军

(1.东北电力大学电气工程学院，吉林吉林 132012；2.国网吉林电力有限公司，吉林长春 130000；3.中国电工技术学会，北京 100055)

现代电力系统中广泛应用电力电子变流设备，电网电压同步信号检测技术是变流器并网过程中的关键部分[1].实际工程中，电网往往受外界因素影响存在直流偏差、三相不平衡、谐波畸变等电能质量问题，此时，为保证系统、设备的正常运行，变流器应可以高精度、快速的获取基波电网电压的幅值、相位、频率等信息[2-4].

在电网工况正常时，基于同步参考标系锁相环技术(SRF-PLL)能够使准确地分离基波正负序分量，提取相位信息.但当网侧检测信息中存在直流分量、谐波畸变、三相不平衡等干扰干扰信息时，传统SRF-PLL因派克变换产生二倍频负序分量使频率和相角波动，影响锁相准确性[5].

文献[6]基于双同步参考坐标系的锁相环(Decouple Double Ynchronous Reference Frame PLL，DDSRF-PLL)由正负序同步两个同步转速的同步旋转坐标系，可以抑制由于检测信号三相不对称导致的2倍频振荡影响，但其结构较为复杂且抗谐波干扰能力较弱[7-8].

文献[9]提出了一种双广义积分器的锁相环(Dual Second Order Generalized Integrator PLL，DSOGI-PLL)，该锁相环方利用SOGI的正交分离特性得到基波分量及其正交量进行对称分量计算，其有一定的谐波抑制能力，但其锁相精度受直流量或某次谐波量过大的干扰[10].

文献[11]提出了一种二阶广义积分器的改进结构，构建求差节点消除直流量影响的同时在求差节点前加入低通滤波器环节滤除高次谐波.该结构同时有抑制信号输入量和高次谐波的能力，文献[12]在此基础上加入频率自适应环节，有很好的频率跟踪性能，但引入低通滤波器影响结构锁相速度，且无法消除低次谐波影响.

文献[13]提出了一种多级联二阶广义积分器(Multiple Second-Order Generalized Integrators，MSOGI)，通过并联多个不同波次SOGI模块的交叉前馈结构，能有效的检测出各次谐波分量、分离基波正序分量.但其结构较为复杂[14].

文献[15]提出了一种SOGI前置特定次谐波消除模块改进型锁相环，文献[16]将该锁相环方法应用于有源滤波器检测环节中，其能有效的抑制检测信号中畸变较大的特定次谐波，但系统存在直流量时会产生周期干扰影响锁相精度.

本文通过在传统的DSOGI-PLL上增加了特定次谐波及直流量滤除结构，提出了一种新型的改进锁相环.该方法在QSG前构建了级联谐波消除模块抑制畸变谐波影响，同时优化QSG结构，使其可以消除信号中直流量，保留了传统DSOGI-PLL良好特性，同时能有效的减小电网同步信号存在流偏置量、谐波畸变、三相不平衡对锁相速度及准确度的影响，提高了系统性能及适用性.

1 传统DSOGI锁相环

1.1 SRF-PLL正交输入量分析

传统DSOGI锁相环结构如图1所示.

图1 传统DSOGI-PLL结构图

由图1可知，DSOGI-PLL传统结构由正交发生器(QSG)、正、负序分量计算模块(PNSC)和同步参考坐标系锁相环(SRF-PLL)三部分组成.将三相电网电压信号分量转化的两相静止坐标系αβ分量分别正交分解，输入PNSC计算得到正序电压，再将其转化为SRF-PLL需要的同步旋转坐标系输入，完成闭环锁相获得幅值、相位等信息.

1.2 三序电压分离原理

三相电压正常时SRF-PLL有良好的锁相性能，但当输入信号存在不平衡干扰量时在dq旋转坐标系中产生二倍频分量.由传统DSOGI锁相环结构可知，最终输入SRF-PLL的αβ量将会影响整体锁相精度，所以采取有效措施滤除干扰量是提升锁相性能的重要措施.

分析不平衡电网信号的不对称三相电压常采用对称分量法，可以得到三相坐标轴下三相电网电压的正、负序分量表示为

(1)

公式中：a=ej2π/3，uabc=[uaubuc]T.

将三相电压正、负序分量通过坐标轴变换转化为两相静止坐标系下的正、负序分量表示为

(2)

公式中：q=-ejπ/2，是一个90°移相运算.

从上式可知，正负序分量的提取与输入量关系密切，可将αβ信号偏移90°进行正负序分量计算，将滤除干扰量后的正负序分量输入SRF-PLL，可获得较准确的电网电压同步信息.

1.3 SOGI-QSG原理分析

基于二阶广义积分的正交信号发生器(QSG)可以产生与输入信号偏差90°的正交信号，且QSG有一定的滤除谐波干扰的能力.传统的SOGI-QSG结构如图2所示.

图2 传统DSOGI-QSG结构图

SOGI输出u′和qu′的传递函数分别表示为

(3)

(4)

公式中：ω为谐振频率；k为系统增益.

当输入信号中存在直流分量时，设时域下直流量：u(t)=A0，频域中可表示为

(5)

根据公式(3)与公式(5)分析，直流量u(t)输出信号在频域可表示为

(6)

将输出信号u′(s)转化为时域时可表示为

(7)

可以从公式(7)看出，当输入量为直流扰动时，输出量中为正弦输出，不含直流量.

同理据公式(4)与公式(5)分析，正交输出量qu1(s)频域输出可表示为

(8)

将输出信号qu1(s)转化为时域可表示为

(9)

可以从上式中明显看出，当输入量中含有直流量时，经正交分解后正交输出量qu1(t)中存在直流分量.

2 SOGI-QSG优化

上述分析可知，当输入信号中含有直流分量时，正交输出信号qu′中仍然存在直流干扰量.为了克服SOGI-FLL无法处理直流分量的不足，在SOGI的基础上引入求差节点对其改进，改进SOGI结构如图3所示.

图3 改进DSOGI-QSG结构图

可得优化SOGI-QSG传递函数可表示为

(10)

(11)

同理分析改进SOGI-PLL在增加求差节点后正交输出qu″频域中可表示为

(12)

将输出信号qu″(s)化为时域可表示为

(13)

可以明显看出优化后正交信号qu″(t)中不包含直流分量，消除了直流量干扰.

3 级联谐波滤除模块

已知当系统的基波频率与QSG谐振频率相等时可以无静差锁相.当网侧电压信号中存在n次特定谐波输入QSG时，可将输入信号可表示为

(14)

QSG正交发生不改变公式(14)中的输入信号中正负序分量的幅值和相位，但会使n次谐波量的幅值发生改变，可表示为

(15)

(16)

(17)

从公式(17)可以看出，经数学运算后u″α、u″β中消除了n次谐波分量，此时相位未发生偏移，但正负序幅值分别产生了相应的倍数变化，使用前置滤波模块滤除特定次谐波时需运用相应校正系数来使电压幅值前后一致，校正系的计算式可表示为：

(18)

在传统DSOGI-PLL的前级加入特定次谐波滤除模块，消除特定次谐波干扰，改进DSOGI-PLL整体结构如图4所示.

图4 改进DSOGI-PLL整体结构图

4 仿真试验

为了验证本文所提出的改进锁相环在复杂电网情况下锁相性能的有效性，使用Matlab/simulink仿真工具，针对存在直流量偏置、多次谐波畸变和电网电压信号三相不对称的问题分别进行仿真试验，并考虑多种问题同时存在时的情况进行仿真研究.

4.1 电压信号存在直流量偏置

为了验证本文提改进锁相环方法在压信号存在偏差量时时提取电压幅值和基波频率的性能，在t=0.4 s时a相加入幅值电压10%的直流量、b相加入幅值电压-5%的直流量，电网信息检测信号波形如图5所示.

图5 存在直流量仿真条件下电网电压波形图

电压信号存在直流分量条件下改进SOGI-PLL(a)与级联谐波消除SOGI-PLL(b)及传统SOGI-PLL(c)基波频率及D轴电压仿真结果如图6所示.

图6 存在直流量时各锁相环基波频率

由图6(a)及图6(b)对比可以看出，在电压信号存在直流量时，级联谐波消除SOGI-PLL(b)及传统DSOGI-PLL(c)输出含谐波扰动，改进SOGI-PLL(a)可以很好的滤除直流干扰，频率和电压稳定情况较好.

4.2 电压信号存在谐波畸变

为了验证本文提改进锁相环方法在电压信号存在谐波畸变时提取电压幅值和基波频率的性能，在t=0.4 s时发生谐波畸变，即叠加加15%5次谐波、10%7次谐波以及5%11次谐波，电网信息检测信号波形如图7所示.

图7 存在谐波畸变仿真条件下电网电压波形图

电压信号存在谐波畸变条件下改进SOGI-PLL(a)与级联谐波消除SOGI-PLL(b)及传统SOGI-PLL(c)基波频率及D轴电压仿真结果如图8所示.

图8 存在谐波畸变时各锁相环基波频率

由图8(a)及图8(b)对比可以看出，在电压信号存在谐波干扰时，级联谐波消除SOGI-PLL(b)反应速度较慢，传统DSOGI-PLL(c)输出含谐波扰动，改进SOGI-PLL(a)可以很好的滤除谐波畸变干扰.频率和电压稳定情况较好.

4.3 电压信号发生三相不平衡

为了验证本文提改进锁相环方法在电压信号三相不平衡时提取电压幅值和基波频率的性能，在t=0.4 s时发生三相不平衡，即a相跌落5%，b相跌落2.5%，c相跌落1%.电网信息检测信号波形如图9所示.

图9 存在谐波畸变仿真条件下电网电压波形图

电压信号三相不平衡条件下改进SOGI-PLL(a)与级联谐波消除SOGI-PLL(b)及传统SOGI-PLL(c)基波频率及D轴电压仿真结果如图10所示.

图10 存在谐波畸变时各锁相环基波频率

4.4 电压信号多种条件复杂情况

为了验证本文提改进锁相环方法在电压信号复杂情况时提取电压幅值和基波频率的性能，在t=0.4 s时a相加入幅值电压10%的直流量、b相加入幅值电压-5%的直流量；t=0.44 s时发生谐波畸变，即叠加15%的5次谐波、10%的7次谐波以及5%的11次谐波；在t=0.48 s时发生三相不平衡，即a相跌落5%，b相跌落2.5%，c相跌落1%.电网信息检测信号波形如图11所示.

图11 复杂仿真条件下电网电压波形图

电压信号复杂情况条件下改进SOGI-PLL(a)与级联谐波消除SOGI-PLL(b)及传统SOGI-PLL(c)锁相基波频率及D轴电压仿真结果如图12所示.

图12 复杂时各锁相环基波频率

由图12(a)及图12(b)可以看出，电压信号复杂情况时，级联谐波消除SOGI-PLL(b)受干扰波动幅值较大，受直流量干扰只改变幅值，滤除谐波影响基本无畸变；传统DSOGI-PLL(c)波动幅值稍小，但受干扰量的种类较多，不再为正弦量，改进SOGI-PLL(a)在受到综合干扰时有很好的频率锁定能力.