锁相环路的性能受到电力系统动力学的影响
国家重点实验室与新能源备用电力系统
中国,北京
电子邮件:soleilchen@126.com
摘要--实现矢量控制的VSC-based设备安装在电力系统依赖于准确、快捷跟踪阶段的电压在公共连接点(PCC)的锁相环路(锁相环)。探讨电力系统动力学对锁相环的性能通过连接电力系统的锁相环。
电力系统仿真结果表明,锁相环的性能是影响电力系统动态,不可见正常的测试条件下的锁相环连接到三相电压源。摘要三个代表锁相环的设计方案审查和测试各种仿真结果。
索引锁--Terms-Phase回路、电力系统动力学、电力系统低频振荡,第一次的转变稳定,电力系统仿真。
1.引言
矢量控制的电压源变换器(VSC)已广泛应用于电网连接的可再生发电、灵活交流输电系统(事实)和直流输电[1]-[4]。矢量控制的应用程序需要的快速、准确跟踪阶段的电压在VSC-based公共连接点(PCC)的设备安装在电力系统。这个关键的任务是完成由锁相环(PLL),它提供了瞬时检测和连续跟踪阶段的PCC电压。一个有效的锁相环的设计一直是一个活跃的研究课题多年支持向量控制VSC的实现。
到目前为止,许多提出了锁相环的设计方案。其中,最传统和广泛使用的一个是同步参考系锁相环(SRF-PLL)[5]-[9]。SRF-PLL很简单的结构和以响应速度快的三相电力系统在正常操作条件下。
然而,SRF-PLL显示平庸的三相不平衡条件下运行时性能。它甚至可能无法准确地跟踪阶段的正序电压如果严重不平衡。解决的问题减少SRF-PLL的性能在不平衡系统中,第二组锁相环的设计方案,名叫双同步坐标系解耦锁相环(DDSRF-PLL),提出了针对正序电压的精确的相位跟踪PCC[10]-[12]不平衡的系统。DDSRF-PLL能够跟踪阶段的正负序电压和可以用来提高矢量控制VSC[13]-[15]。然而,DDSRF-PLL依赖SRF-PLL PI反馈控制的,这可能会限制其跟踪速度。因此最近,第三种类型的锁相环的设计方案基于快速傅里叶变换(FFT-PLL)算法开发了[16]-[18]。FFT-PLL跟踪阶段相电压的三相系统通过应用FFT算法的PI反馈控制。然而,只等于相的相电压的正序系统时三相电压平衡。
在发展中锁相环的设计方案,对锁相环的性能正在开发本质上是重要的改进和验证设计。的共同实践评估通过模拟或实验室实验是锁相环连接到三相电压源。锁相环的性能跟踪电压的相位锁相环连接的目的是检查通过设置步骤的变化提供的电压三相电压源。在某些情况下,这种测试环境评估锁相环的跟踪性能非常接近真正的锁相环的操作条件在实际电力系统,完全可以接受的。例如,在分布式发电(DG)的情况下,新闻申诉委员会通常可以认为是无限母线的总线电压可以建模为一个理想的三相电压源。然而,在电力系统的动态显著受断层影响PCC的相电压的变化,重要的是评估与电力系统动态锁相环的性能。这是检查锁相环的操作在一个电力系统,而不是简单地连接到三相电压源,调查是否锁相环可以跟踪的动态变化时电压相位PCC电力系统各种故障。
本文的目标是展示锁相环的性能评估的差异之间通过连接到三相电压源和电力系统与系统动力学。三个代表锁相环的设计方案被认为是检验和跟踪性能的演示。
2代表计划与锁相环锁相环的设计和性能评估被连接到一个理想的三相电压源
2.1 The SRF-PLL
第一个代表锁相环的设计方案被认为是SRF-PLL。其结构是图1所示[7]。
图1 SRF-PLL结构
SRF-PLL基于abc-dq变换,通过Vq1。一个不平衡的条件下,Vq1可能污染的负序分量电压源Vabc标称频率变化定期在翻了一番。通常是一个低通滤波器(LPF)可以安排过滤高频组件Vq如图1所示。
2.2 The DDSRF-PLL
第二个代表DDSRF-PLL锁相环的设计方案。其结构是图2所示[10]。DDSRF-PLL的特点是双坐标系,使dq-axis组件的计算正序和负序电压。通过引入一个特殊算法[10],矢量量化的精确值正序电压可以获得。
图2 DDSRF-PLL结构
2.3 The FFT-PLL
第三代表锁相环设计方案考虑FFT-PLL在报纸上。图3显示的结构FFT-PLL[18]。
图3 FFT-PLL结构
显然FFT-PLL不同与SRF-PLL和DDSRF-PLL涉及任何反馈PI控制器。FFT-PLL旨在锁定阶段的阶段而不是三相电压的相位。
2.4 锁相环的性能评估与被连接到三相电压源
应用矢量控制的基本要求是 Vq =0为了实现主动和无功功率的解耦控制。因此Vq的偏差从0表明错误的锁相环跟踪阶段的PCC电压。检查锁相环的性能,通常情况下,锁相环设计是连接到三相电压源。矢量量化的偏差所提供的锁相环通过仿真或/和实验室实验评估。三个代表锁相环的设计方案正在考虑在报纸上进行测试与他们连接到三相电压源。
（3.1）
一步下降阶段的三相电压的0.4秒的仿真应用。
（3.2）
并给出了测试结果如图4所示。从图4可以看出,SRF-PLL和Vq DDSRF-PLL产生类似的偏差。在0.15秒,SRF-PLL和DDSRF-PLL可以提供准确的电压跟踪阶段0 Vq =。FFT-PLL更好的性能,因为它跟踪电压相位在不到0.1秒。
图4的锁相环的性能评估的步骤减少阶段的三相电压
SRF-PLL和DDSRF-PLL性能影响显著PI控制器的参数设置。在上面的测试与平衡三相锁相环的操作条件,仔细调整PI参数实现相似但SRF-PLL和DDSRF-PLL的最佳性能。这些参数保持不变,当SRF-PLL和DDSRF-PLL检查整个论文在仿真测试。
三相不平衡条件下的测试由应用阶跃变化的大小和相位的相位的电压通过情商所示的三相电压。(1)。阶跃变化是下降50%的大小和相位跳60度的相电压仿真的0.4秒。测试结果给出了在图5中。
图5的锁相环的性能评估一个阶跃变化相电压的大小和相位
从图5可以看出,只有DDSRF-PLL成功跟踪阶段的正序电压在0.05秒。SRF-PLL显示了一个周期性变化的跟踪误差滤波器已经应用。FFT-PLL天生没有能力跟踪阶段的正序电压三相不平衡状况,因为它的目的是在跟踪阶段的相电压。因此它不能工作。
3 评估通过电力系统模拟锁相环的性能
图6配置一个简单的电力系统评估锁相环的性能
电力系统而不是连接到三相电压源,一个简单的电力系统图6的构造和模拟。真的是一个典型的电力系统与热发电与风力发电场提供捆绑的权力非常大电网通过高压输电线路。大电网建模是无限母线在a点热代由同步发电机建模(SG)和风电场由永磁同步发电机(PMSG)风力发电。不同故障模拟,应用于评估性能的三个代表的锁相环设计方案审查和测试在前一节中。SG的稳态加载条件提供160兆瓦的有功功率和基于PMSG的风力涡轮发电机(WTG)提供了一个活跃的10兆瓦的力量。
3.1甩负荷
负载连接在图6 B点在0.3秒50兆瓦的模拟。因此,电力系统低频振荡的1.4赫兹。仿真结果给出了在图7中。从图7可以看出,所提供的Vq SRF-PLL和DDSRF-PLL振荡在零附近的1.4赫兹的频率。提供的Vq FFT-PLL由高频噪声污染严重。因此为了获得一个清晰的比较三个锁相环的设计方案,时域仿真结果转化为频域的使用快速傅里叶变换(FFT),如图8所示。从图8可以看出FFT-PLL执行最佳最小跟踪误差和SRF-PLL最糟糕的最大跟踪误差。DDSRF-PLL显示一个平庸的性能。
图7中锁相环的性能的评估甩负荷的电力系统受到干扰
图8 FFT的时域仿真结果图7
3.2单相故障
在模拟0.3秒,发生故障的单相打破的输电线路100公里。随后,1.2赫兹的低频功率振荡。仿真结果来评估性能的三个代表介绍了锁相环的设计方案如图9和10所示。
从图9和10可以看出Vq变化在1.2赫兹的频率在零附近。DDSRF-PLL更好的性能和更小的跟踪误差比SRF-PLL。FFT-PLL不了的情况下,因为FFT-PLL未能正确三相不平衡条件下运作。提供的Vq SRF-PLL含有高频分量。这是由于其相对贫穷的三相不平衡条件下,适应性已反映在测试结果在前一节中。
图9锁相环的性能的评估电力系统单相故障
图10 FFT的时域仿真结果图9
3.3三相接地故障
三相接地故障短路是最严重的类型的故障是电力系统第一次的转变稳定而言。在模拟0.3秒,三相接地故障断层是应用于输电线路上的点非常接近无穷大母线,在0.2秒故障清除。仿真结果来评估性能的三个代表介绍了锁相环的设计方案图11。
图11锁相环的性能的评估电力系统受到三相接地短路的故障
从图11可以看出,在错误的时间瞬态(0.3 - -0.5秒):(1)Vq的平均值偏离零更明显的SRF-PLL DDSRF-PLL;(2)Vq估计的SRF-PLL偏离;(3)FFT-PLL的跟踪误差是最小的。因此到第一次的转变的电力系统的稳定性而言,FFT-PLL的性能是最好的,SRF-PLL是最坏的打算。
3.4 两相接地故障
这个模拟与前一个相同但两相接地故障短路故障的类型。因此在故障期间,一个不平衡条件下的电力系统运行。仿真结果如图12所示。从图12可以看出,所提供的Vq SRF-PLL被高频率成分污染,这是由于其弱适应性三相不平衡条件。Vq的为了获得一个清晰的视图,变化矢量量化是通过中值过滤模块。过滤结果呈现在图13所示。
从图13可以看出SRF-PLL和提供的Vq DDSRF-PLL偏离零在瞬态。DDSRF-PLL执行略优于SRF-PLL,DDSRF-PLL提供的Vq的平均值偏离不从0。
图12锁相环的性能的评估电力系统受到两相接地短路的故障
图13 过滤后的结果图12中值模块
3.5总结
图7 - 13的测试结果证明电力系统动力学的影响在锁相环的性能。这些结果是不明显的在正常测试条件与锁相环的被连接到三相电压源为在前一节中提出的。图7表明,在电力系统的动态瞬态(通常0.5应用故障后5秒),矢量量化不同定期在零附近电力系统低频振荡的频率。图11 - 13表明在电力系统故障暂态的(0 - 0.2秒后发生故障),矢量量化的偏差从零不断增加。毫无疑问那些意想不到的锁相环的性能需要进一步仔细调查。也许新的锁相环的设计方案应该开发为了提高锁相环的性能与电力系统动力学。
动力传动系统的机电动力学瞬态当系统错误。瞬变过程中,同步发电机交流电力系统的有功功率通过减速和加速转子运动保持动态平衡系统中有功功率供应和消费。瞬态的两个主要问题的低频功率振荡和第一次的转变的稳定.
锁相环的性能操作在电力系统机电暂态可能是至关重要的,以确定的行为VSC-based设备和锁相环的影响VSC-based设备对电力系统低频振荡的阻尼和第一次的转变的稳定。
例如,在电力系统的动态瞬态图6中,如果PMSG的锁相环WTG未能PCC电压的跟踪阶段,将会有一个额外的电压之间的相位差转换器的终端和PCC的网络。这额外的相位差由于锁相环将导致额外的交换之间的有功功率风力发电机和电力系统的其余部分,从而影响系统角稳定。因此本质上是很重要的检查锁相环的性能与电力系统动态跟踪电压阶段被考虑。不幸的是,图4 - 5和7的结果,正常的测试条件与锁相环的被连接到一个三相电压源不能检查这个锁相环性能的重要方面。
4 结论
锁相环的性能准确、快速跟踪电压阶段至关重要的正确实现矢量控制VSC-based设备安装在电力系统。正常情况下锁相环的设计方案是由模拟或/和实验测试与评估的锁相环连接到三相电压源。本文提出研究锁相环的性能与权力系统动力学考虑。的电力系统仿真结果提出了各种系统故障。这些结果表明,锁相环的性能确实是影响电力系统动力学。
三个代表锁相环的设计方案,即。、SRF-PLL DDSRF-PLL FFT-PLL,检测和比较。比较的目的并不是勾出最好或最差的方案而不是演示的重要性的影响电力系统动力学对锁相环的性能。
5参考文献
[1] Shuhui Li, Timothy A. Haskew. Optimal and Direct-Current Vector Control of Direct-Driven PMSG Wind Turbines. IEEE Trans. On Power Electronics, Vol.27, No. 5. May. 2012. pp.2325-2337.
[2] Fang Zheng Peng, Jih-Sheng Lai. Dy
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