基于双输入式改进型二阶广义积分器的频率检测优化方法研究.pdf

:/基于双输入式改进型二阶广义积分器的频率检测优化方法研究黄太昱 韩伟 马伟东 刘超 党一奇(国网河南省电力公司电力科学研究院 河南 郑州)摘 要:针对复杂电网下分布式电源并网点电压易出现扰动、不平衡等非理想工况 对频率信息的准确检测产生不利影响的问题 利用改进型二阶广义积分器工作原理 提出基于双输入式改进型二阶广义积分原理构造的频率检测器 在频率扰动、电压三相幅值不平衡、直流分量偏移等复杂工况下 实现对频率信息的准确检测 仿真试验结果表明 所提方法在频率扰动、幅值不平衡、直流偏移工况下频率检测值超调量更小 且不会出现检测值振荡的情况 验证了其在频率检测动态性能方面的有效性和准确性关键词:分布式电源 频率检测 二阶广义积分 不平衡中图分类号:文献标志码:文章编号:()基金项目:国网河南省电力公司科技项目()收稿日期:():.:引言分布式电源受规模和容量的限制 其并网点的电压等级相较于常规能源较低 电压波形并非理想正弦波且通常存在一定量的谐波 特别在电压不平衡工况下 会干扰相位、频率的检测精度 严重的将影响分布式电源变流器控制性能 此外 作为分布式发电并网保护重要组成的频率保护 确保频率信息的准确获取 是提高分布式电源频率保护可靠性、保障电网系统安全运行、促进清洁能源消纳的重要技术手段频率保护依赖于电压信号检测 分布式电源输出电压波形中通常含有较多谐波分量 现有分布式电源针对频率信号的检测方法多采用锁频环第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月()技 术 文 献 提出基于二阶广义积分器的锁相环结构()其带通滤波器的特性在固定电网频率下能够有效过滤高频分量 但在频率出现偏差时其跟踪特性会受到一定影响 文献 提出一种基于固定频率二阶广义积分的单相锁频环结构 克服了单相并网工况下电网受干扰后正交信号不等幅的问题 文献 提出一种基于双二阶广义积分器的基波正序分量检测方法 利用正交信号构造出正负序分量计算模块 在稳定频率下具有良好的动稳态性能本文采用改进的 结构 结合双二阶广义积分器输入结构 提出一种基于双输入式改进型二阶广义积分原理构造的频率检测方法 以提高频率检测器在电压信息频率突变、三相不平衡干扰、直流分量偏移等复杂工况下的频率检测值的准确性 并通过仿真验证所提方法的有效性 基于二阶广义积分的锁频环 的基本原理基于二阶广义积分的正交信号发生器结构原理如图 所示 包括输入信号 中心频率 输出信号、图 基于二阶广义积分的正交信号发生器输出信号传递函数可表示为:()()()()()()()增益系数 可按式()进行计算:/()()式中 为调节时间在中心频率处()、()均为单位增益且()与输入相位相同()滞后()相位 与之形成幅值相等的正交信号为保证系统整定时间和动态响应超调之间关系最优 通常取增益系数 系统频率 为 /时 绘出上述取值后的系统传递函数()、()伯德图如图 所示图 系统传递函数()和()伯德图 的构造在 结构引入 环节 通过误差信号 调节 的中心频率 以实现检测频率的自适应调节 误差信号传递函数可表示为:()()()()式中 为检测频率 结构如图 所示 频率误差 为 与 的乘积 其特点在于中心频率为系统输出频率检测值 利用积分控制器实现检测频率 与输入频率 的一致 其中增益 取值为 同时将标准工频电网频率值(系统频率)前馈至频率检测输出值 以提高检测频率值同步速度图 基于二阶广义积分的锁频环 增益系数 不同取值下 ()伯德图如图 所示 值越小滤波性能越好 反之滤波性能降低 本文 取 由图 可知 当 时 的平均值小于 最终实现利用频率误差变量完成频率跟踪的功能第 卷第 期 黄太昱等:基于双输入式改进型二阶广义积分器的频率检测优化方法研究 年 月图 取不同值时()的伯德图 改进的二阶广义积分的基本原理传统 动态性能易受直流分量、谐波等干扰而降低 文献 提出一种改进型二阶广义积分锁频环()以消除直流分量、谐波等影响 提高频率检测器的动态性能 结构如图 所示图 改进型二阶广义积分锁频环输出信号传递函数可表示为:()()()()()()()()式中 /、代表坐标系 改进的二阶广义积分的锁频环 双输入改进型二阶广义积分结构针对传统基于同步参考系的锁频环因电压信号不理想导致性能较差的问题 基于双同步参考坐标系工作原理 提出一种基于双输入式改进型二阶广义积分原理()的检测结构 实现非理想工况下电压信息的正、负序分量分离 进而检测正序分量的相位及频率等信息 结构如图 所示图 双改进二阶广义积分结构在非理想工况下 将电网电压在两相静止坐标系中经 结构进行滤波后构造出正交信号进而通过 结构获得滤除直流偏移分量的正、负序电压分量下面论述所提方法能够抑制直流分量的工作原理 假设输入信号为()为电压直 流 分 量 为 电 压 基 波 分 量 幅 值 则 经 后输出信号:()/()()()()()()()()稳态下 则输出信号为:()()()()()()所提结构对直流分量具有抑制效果 的结构通过将误差信号 与正交电压 相乘得到频率误差信号 并经控制器环节输出 估测值从而实现了频率的快速跟踪 双输入式结构实现电压信息的正、负序分量的分离 可进一步地利用正序分量幅值二次方和进行锁频环增益标准化 使其具有一阶指数线性响应特性 计算公式如下:()()()()()()()通过 结构 如图 所示 实现 坐标系下三相电压的对称分量正、负序分离进一步通过锁频环增益归一化计算实现对电网第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月频率值的自适应检测图 基于双改进二阶广义积分的 锁频环结构 仿真验证与分析仿真试验参数:为 /为 为 频率跃变为了验证 对频率信号检测的动态性能 在仿真中设置初始三相正弦电压幅值、正相序、频率 于 时刻模拟频率 至 阶跃 时刻模拟频率 至 阶 跃 经 测 试 基 于、结构的频率检测器波形如图 所示图 频率阶跃工况下频率检测波形由图 可知 在并网点电压信息频率出现阶跃的工况下 所提的 频率检测器获取频率检测值的最大超调量更小 频率振荡次数最少 具有良好的动态性能 频率检测值性能分析见表 表 频率阶跃工况下频率检测值频率检测器最大超调量/振荡次数 电压不平衡干扰为了验证 频率检测器在三相电压不平衡工况下的检测性能 在仿真中设置初始三相正弦电压幅值 、正相序、频率 于 时刻模拟 相电压跌落至 经测试基于、结构的频率检测器波形如图 所示图 三相电压不平衡工况下频率检测波形 (相电压跌落至)由图 可知 在并网点电压出现三相不平衡的工况下 频率检测器获取频率检测值的最大超调量最小 频率振荡次数最少 具有更好的动态性能 能够适应复杂电网工况 频率检测值性能分析见表 表 三相电压不平衡工况下频率检测值(相电压跌落至)频率检测器最大超调量/振荡次数 为了验证 频率检测器在三相电压严重不平衡工况下的检测性能 在仿真中设置初始三相正弦电压幅值 、正相序、频率 于 时刻模拟、两相相电压跌落至 经测试基于、结构的频率检测器波形如图 所示图 三相电压不平衡工况下频率检测 波形(、相电压跌落至)由图 可知 在并网点电压出现三相严重不平衡的工况下 频率检测器获取频率第 卷第 期 黄太昱等:基于双输入式改进型二阶广义积分器的频率检测优化方法研究 年 月检测值的最大超调量最小 频率振荡次数最少 在较差工况下仍具有良好的动态性能 频率检测值性能分析见表 表 三相电压不平衡工况下频率检测值(、相电压跌落至)频率检测器最大超调量/振荡次数 直流偏移为了验证 频率检测器在含直流分量工况下的检测性能 在仿真中设置初始标准三相正弦电压幅值 、正相序、频率 于 时刻在 相电压叠加 直流分量 经测试基于、结构的频率检测器波形如图 所示图 直流分量工况下频率检测波形由图 可知 在并网点电压含有直流分量的工况下 频率检测器获取频率检测值的最大超调量最小 频率振荡次数最少 具有更好的直流分量抑制性能 频率检测值性能分析见表 表 直流分量工况下频率检测值频率检测器最大超调量/振荡次数 持续振荡 结语针对复杂电网工况下分布式电源频率信息不能精准检测的问题 本文所提基于双输入式改进型二阶广义积分原理构造的频率检测器能够准确获取频率信息 在出现频率扰动的情况下具有良好的动态性能 并能够在出现三相电压不平衡、直流分量偏移等非理想复杂工况下仍保持较高准确度的频率检测性能参考文献 张运洲 鲁刚 王芃 等.能源安全新战略下能源清洁化率和终端电气化率提升路径分析.中国电力 ():.施佳斌 季亮 常潇 等.不对称电压跌落下考虑场景区分的逆变型分布式电源控制策略研究.电力系统保护与控制 ():.陶维青 顾芝瑕 丁明 等.不平衡情况下逆变型分布式电源并网控制策略研究.电气工程学报 ():.廖勇 庄凯 姚骏.电网电压不平衡时全功率风电并网变流器的控制策略.电网技术 ():.赵希才 徐光福.频率保护与分布式发电.供用电 ():.杨珮鑫 张沛超.分布式电源并网保护研究综述.电网技术 ():.王海云 许方晨.新型分布式发电系统孤岛检测技术.电气应用 ():.胡彬 吴超 年珩 等.薄弱电网下新能源设备并网锁相同步方式综述.电力自动化设备 ():.李建文 齐飞 李永刚.复杂电网工况下三相并网逆变器的锁频环技术.电测与仪表 ():.刘新天 冯嘉骏 何耀 等.基于闭环锁频控制的并网逆变器孤岛检测方法.电力系统自动化 ():.吴晓波 金泰木 陈雯 等.基于 锁相的 整流器控制研究.电力电子技术 ():.余永奎 李华 刘俊峰.基于固定频率二阶广义积分器的单相锁频环.电力系统及其自动化学报 ():.巩冰 王科俊 马晓伟.算法在不平衡和畸变电网电压监测中的应用.传感器与微系统 ():.李卫国 刘宏伟 刘新宇 等.基于改进 的电压同步信号检测技术.东北电力大学学报 ():.光伏与风力发电系统并网变换器.周克亮 王政 徐青山 译.北京:机械工业出版社.李德文.基于 的谐波条件下同步信号提取方法研究.东营:中国石油大学(华东).胡挜喆 刘文泽.抑制直流偏移的改进型二阶广义积分器的锁频环设计.电测与仪表 ():.邓哲 周峰武 林辉品 等.电网故障时基于双输入 的新型电网快速同步方法.电工技术学报 ():.王国宁 孙鹏菊 杜雄 等.电网电压不对称时锁频环同步信号检测方法的动态性能.电工技术学报 ():.作者简介黄太昱()硕士 男 工程师 通信作者 从事新能源控制与保护技术研究工作第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月