抑制电网电压直流分量的改进锁相环研究_陈晓彤.pdf

Electrical Automation电力系统及其自动化Power System Automation电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期抑制电网电压直流分量的改进锁相环研究陈晓彤1，罗利文1，姚伟2，尹邵文2，尹继波2(1 上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海200240;2 比亚迪汽车工业有限公司，广东 深圳518118)摘要:基于双二阶广义积分器的锁相环被广泛应用于并网逆变器，实现电网电压同步。但是，当电网电压中存在直流偏移时，滤波效果不理想，对输入信号的检测出现波动。因此，提出一种改进的二阶广义积分器结构，在分离正负序电压的基础上加入直流分量抑制模块，从而提高锁相环抑制直流电压的能力，准确提取电网电压同步信号。在 MATLAB/Simulink 进行仿真研究。试验结果表明，该锁相环在电网电压存在直流电压时能够滤除直流分量，锁频锁相效果较好。在锁相环加入直流分量抑制模块能够有效抑制直流分量的干扰，为分布式发电系统并网，保障逆变器与电网之间高效高质量的能量传输，以及提升电网稳定性提供了很好的方法。关键词:二阶广义积分器;锁相环;直流偏移;电压不对称;正序分量DOI:10 3969/j issn 1000 3886 2023 01 008 中图分类号 TM464 文献标志码 A 文章编号 1000 3886(2023)01 0029 03esearch on Improved Phase Locked Loop toSuppress Direct Current Component of Grid VoltageChen Xiaotong1，Luo Liwen1，Yao Wei2，Yin Shaowen2，Yin Jibo2(1 School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China;2 BYD Auto Industry Company Limited，Shenzhen Guangdong 518118，China)Abstract:The phase-locked loop of the double second-order generalized integrator is widely used in grid-connected inverters to achieve gridvoltage synchronization However，when there is a direct current(DC)offset in the grid voltage，the filtering effect is not ideal，andthe detection of the input signal will fluctuate Therefore，an improved second-order generalized integrator structure was proposed Inthis way，the DC component suppression module was added on the basis of separating the positive and negative sequence voltages，thereby improving the ability of the phase-locked loop to suppress the DC voltage and accurately extracting the grid voltagesynchronization signal The simulation research was carried out using MATLAB/Simulink The experimental results show that thephase-locked loop can filter out the DC component when there is a DC voltage in the grid voltage，and the frequency-locking andphase-locking effect is better Adding a DC component suppression module to the phase-locked loop can effectively suppress theinterference of the DC component，which provides a good method for grid connection of distributed generation system，ensuringefficient and high-quality energy transmission between inverter and power grid，and improving the stability of power gridKeywords:second-order generalized integrator;phase locked loop;direct current(DC)offset;unbalanced voltage;positive-sequence component定稿日期:2021 09 190引言随着能源危机的日益严重，可再生能源越来越受到重视1 2。并网逆变器是可再生能源并网的重要接口，锁相环(phase-lockedloop，PLL)技术是实现逆变器与电网同步运行的重要技术手段3 4。同步参考坐标系锁相环(synchronous reference frame，SF-PLL)目前使用较为广泛，结构简单，具有良好的动态性能和较高的控制带宽。然而在电网电压不平衡的情况下，SF-PLL 的检测会出现震荡误差。在此基础上，国内外学者对锁相环进行深入研究，提出多种锁相环技术。基于解耦双同步参考坐标系变换的锁相环(decoupled double SF-PLL，DDSF-PLL)，通过交叉解耦网络提取电网电压的正负序电压分量，从而实现了在电网电压不平衡条件下的锁相功能5 6。双二阶广义积分器锁相环(dualsecond-order generalized integrator PLL，DSOGI-PLL)采用对称分量法，通过两个二阶广义积分器(second-order generalized integra-tor，SOGI)提取电网电压的正序分量7 9。然而，当电网存在高次谐波时，DDSF-PLL 和 DSOGI-PLL 检测到的频率和相位存在较大误差，并且 DDSF-PLL 存在计算量大和结构复杂等问题。在电网电压不平衡和谐波含量较低时，DSOGI-PLL 能够较为准确地检测同步信号，但是当电网电压存在直流偏移时，锁相环检测效果较差，跟踪电网频率和相位时出现波动。在二阶广义积分器的基础上，增加直流抑制模块，通过增加一个额外的分支来消除输入 SOGI 信号的直流偏移，实现对电网电压频率和相位的精确锁定。1基于双二阶广义积分器的锁相环DSOGI-PLL 由基于二阶广义积分器的正交信号发生器(quadrature signal generator based on second-order generalized inte-grator，SOGI-QSG)、正序分量计算器(positive sequence calcula-tion，PSC)和 PLL 三部分组成，其结构如图 1 所示。92Electrical Automation电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期电力系统及其自动化Power System Automation图 1DSOGI-PLL 结构图SOGI 多用于 PLL，实现滞后 90的移相运算。SOGI-QSG 的传递函数为:DSOGI(s)=v(s)v(s)=kss2+ks+2QSOGI(s)=qv(s)v(s)=k2s2+ks+2(1)式中:和 k 分别为谐振频率和阻尼因数;q 为 90滞后相移算子;DSOGI(s)和 QSOGI(s)为传递函数，分别具有带通滤波器和低通滤波器特性。另外，无论 k、取值如何，v和 qv始终正交。通过正序分量计算器，提取输入信号在两相静止坐标系下的正序分量。对两相静止坐标系下的正序分量进行 Park 变换，得到同步旋转坐标系下的正序分量。通过 PI 调节器控制 vq=0，实现锁相功能，检测系统的相位角与频率。2基于新型双二阶广义积分器的 PLL对于 PLL 的研究多集中在电网电压不平衡或存在谐波的情况下。然而，除了电网电压不平衡和存在谐波分量，电网中还存在其他干扰。当系统中存在直流偏移时，PLL 还需要具有很高的直流偏移抑制能力。由式(1)可知，QSOGI(s)为低通滤波器，不能抑制直流分量。为了抑制直流分量，提出了一种新型 SOGI 结构，如图 2 所示。图 2NSOGI 结构图传递函数为:DNSOGI(s)=v(s)v(s)=kss2+ks+2QNSOGI(s)=qv(s)v(s)=ks(s)(s+)(s2+ks+2)(2)式中:和 k 分别为谐振频率和阻尼因数;q 为 90滞后相移算子。传递函数 DSOGI(s)和 DNSOGI(s)相同，呈现带通滤波器特性，选择 作为基波频率，可以抑制谐波成分，且基波信号没有衰减和相移。QNSOGI(s)在 0 Hz 处为零，因此具有直流分量抑制能力，在低频和高频段都有较大的衰减，可以有效消除输入信号中存在直流偏移和高频谐波。3试验验证与分析为了验证所提出的 PLL 在电网电压存在频率波动、电压不平衡和直流电压情况下的频率检测效果，在 MATLAB/Simulink 平台上搭建锁相环模型，验证所提出 PLL 的效果。3 1频率自适应性为了验证新型 PLL 的频率自适应性，设置仿真参数为:380 V 的图 3频率阶跃仿真结果三相平衡电压在 1s 时频率从 50 Hz阶跃到 52 Hz。仿真结 果 如 图 3 所示。由图 3(b)可知，在经过改进的正交信号发生器滤波后，电压仍为对称分量。由图 3(c)可知，与传统的 DSOGI-PLL 相比，改进型 PLL 在频率 改 变 的 情 况下，波动更小，频率恢复时间较短。因此，在电网频率出现波动的情况下，改进型 PLL 能够更快跟踪电网频率变化，具有频率自适应性。3 2三相电压不平衡仿真为了验证改进型 PLL 在三相电压不平衡情况下的锁相能力，设置仿真参数为:在 t=1 s 时，三相电压不平衡跌落，A 相电压跌落50%，B 相电压跌落 30%，仿真结果如图 4 所示。由图4(b)可知，经过改进的正交信号发生器前的 电压不对称，经过正交信号发生器滤波后+电压为对称分量。由图 4(c)可知，改进型 PLL 在三相电压不平衡时，频率波动幅度较小，恢复时间短，锁相效果较好，能够抑制不平衡电压的影响。03Electrical Automation电力系统及其自动化Power System Automation电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期图 4三相电压不平衡仿真结果3 3直流电压注入仿真为了验证改进型 PLL 在电压存在直流分量情况下的锁相能力，设置仿真参数为:t=1 s 时在 A 相注入 30 V 直流分量。仿真结果如图 5 所示。由图 5(b)可知，在经过改进的正交信号发生器滤波后，直流分量得到抑制。由图 5(c)可知，在三相电压存在直流分量的情况下，改进型 PLL 能够滤除直流电压分量，PLL 输出频率波动幅度较小，锁相相位偏差较小，锁相效果较好，能够抑制直流电压分量的影响。4结束语传统的双二阶广义积分器 PLL 在电网电压存在直流分量时锁相存在较大波动。为此，本文提出一种改进的双二阶广义积分器 PLL 模型。在双二阶广义积分器 PLL 的基础上，增加直流抑制模块，从而消除直流分量的影响。仿真结果表明，改进的双二阶广义积分器 PLL 在电网含有直流电压时，能够有效滤除直流成分，较为精确地检测到电网电压频率和相位，满足并网要求。参考文献:1 伞国成，漆汉宏，魏艳君，等 基于复功率的电网电压不平衡条件下并网逆变器控制策略 J 电工技术学报，2017，32(8):229 2362 许津铭，卞申一阳，钱浩，等 弱电网下单相并网逆变器延时锁相环的鲁棒控制及优化方法J 中国电机工程学报，2020，40(7):2062 2070图 5直流电压仿真结果3 PAK Y，SUL S K，KIM W C，et al Phase-locked based on anobserver for grid synchronization J IEEE Transactions on IndustryApplications，2014，50(2):1256 12654 GOLESTAN S，MONFAED M，FEIJEDO F D，et alDesign-oriented study of advanced synchronous reference frame phase-lockedloopsJ IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(2):765 7785 LUNAA，OCABETJ，IGNACIOC，etalGridvoltagesynchronization for distributed generation systems under grid faultconditions J IEEE Transactions on Industry application，2015，51(4):3414 34256 高文森，樊艳芳，王一波，等 优化型 DDSF-PLL 在不平衡和畸变电网电压下的仿真研究 J 可再生能源，2017，35(5):714 7207 涂娟，汤宁平 基于改进型 DSOGI-PLL 的电网电压同步信号检测J 中国电机工程学报，2016，36(9):2350 23568 XIAO F，LEI D，LI L，et al A frequency-fixed sogi based PLL forsingle-phase grid-connected converters J IEEE Transactions onPower Electronics，2017，32(3):1713 17199 李生民，肖亚敏，梁吉宁，等 弱电网环境下光伏并网逆变器锁相环研究J 电力电子技术，2019，53(7):95 97【作者简介】陈晓彤(1997)，女，河南信阳人，硕士生，研究方向为分布式新能源技术。罗利文(1968)，男，上海人，副教授，研究方向为分布式新能源技术和先进电气测量技术。13