永磁直驅風電系統(tǒng)中網側變流器SPLL技術的研究
摘要：對于并網型風電變流器來說，能夠準確而又快速地獲得三相電網電壓的相位角，從而實現成功并網具有重要的意義。本文分析多種鎖相環(huán)技術后，最終采用軟件鎖相環(huán)來實現變流器的并網，并在此基礎上進一步的優(yōu)化軟件鎖相環(huán)技術的細節(jié)，從而實現風電變流器系統(tǒng)安全可靠的完成并網。 關鍵詞：直驅風電變流器，SPLL，Z變換 GRID-SIDECONVERTERSPLLINDIRECTDRIVEWINDPOWERSYSTEM 1引言 在永磁直驅風電變流器的并網過程中，能夠準確快速地獲得三相電網電壓的相位角是保證整個系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能的前提條件。一般采用鎖相環(huán)來獲得電網電壓的相位，因此必須設計性能優(yōu)良的鎖相環(huán)。 2鎖相環(huán) 2.1鎖相環(huán)的概述和基本結構[1,2] 獲得電網電壓相位角的一般途徑是先產生一個與電網電壓同步的信號，再通過同步信號獲得相位角。產生同步信號的方法有很多，最簡單方法是用電網電壓作為同步信號，但這種方法會因電網電壓波形失真而導致系統(tǒng)輸出電壓和電流的畸變，甚至影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此不宜采用此方法。一般采用鎖相環(huán) (Phase-LockedLoop,PLL)來獲得電網電壓的相位角。鎖相環(huán)一般由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器及分頻器組成，其結構框圖如圖2-1 所示。其基本工作原理是鑒相器將電網電壓和控制系統(tǒng)內部同步信號的相位差信號轉變成電壓，經過環(huán)路濾波器濾波后去控制壓控振蕩器，從而改變系統(tǒng)內部同步信號的頻率和相位，使之與電網電壓一致。 圖2-1 鎖相環(huán)的基本結構 2.2鎖相環(huán)的分類 鎖相的意義是相位同步的自動控制，能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)PLL(PhaseLockedLoop)。鎖相環(huán)技術也稱作自動相位控制技術，負反饋環(huán)路的結構可以使得其輸出信號與參考信號相位同步。其廣泛應用于通信、無線電及電力系統(tǒng)自動化等領域，實現信號處理、調制解調、時鐘同步、倍頻、頻率綜合等功能。 鎖相環(huán)可分為模擬鎖相環(huán)APLL(AnalogPLL)、混合鎖相環(huán)Mixed-SignalPLL、數字鎖相環(huán) DPLL(DigitalPLL)和軟件鎖相環(huán)SPLL(SoftwarePLL)。模擬鎖相環(huán)是一門成熟的技術，獨特的優(yōu)良性能是它在許多領域得到了廣泛的應用。近年來，隨著數字技術的發(fā)展，逆變電源的全數字化控制也是大勢所趨，因此，鎖相環(huán)也逐漸過渡為數字化。軟件鎖相環(huán)相對于模擬鎖相環(huán)實現起來更方便，易于移植，同時用軟件代替硬件，也節(jié)約了成本。本文所述系統(tǒng)正是采用了軟件鎖相環(huán)技術。 2.3三相軟件鎖相環(huán)的基本結構 對于三相電網，采用單相同步的方法很難準確的實現dq坐標系與電網三相電壓合成矢量的同步，必須綜合三相電壓的相位信息。如圖2-2所示，當電網電壓幅值，即電壓合成矢量Us的幅值不變時，Us的q軸分量Usq反映了d軸與電網電壓Us的相位關系。Usq>0時，d軸滯后Us，應增大同步信號頻率；Usq<0時，d軸超前us，應減小同步信號頻率；usq=0時，d軸與us同相。因此，可通過控制usq，使usq=0來實現兩者之間的同相。基于這一思想，設計了一種采用dsp實現的三相軟件鎖相環(huán)(spll)。每個逆變單元的并聯控制器和單機控制器中都有鎖相環(huán)，在本系統(tǒng)中都是用軟件來實現的。[3]< p=""> 圖2-2 電壓矢量相位圖 圖2-3三相軟件鎖相環(huán)結構框圖 如圖2-3所示，電網電壓經坐標變換后得到Usq[4]，經過環(huán)路濾波器后改變壓控振蕩器的振蕩頻率。用DSP實現時，一般采用DSP內部定時器的循環(huán)計數來產生同步信號、實現壓控振蕩器和分頻器的功能，因此可通過改變定時器的周期或最大循環(huán)計數值的方法來改變同步信號的頻率和相位。 2.4三相軟件鎖相環(huán)的數學模型 由于鎖相環(huán)在本系統(tǒng)中用軟件實現，所以下面先分析數字域中的鎖相實現方法，進而推導出鎖相環(huán)的z域數學模型。 圖2-4 輸出電壓超前于同步信號 SYN 的示意圖 圖2-6：閉環(huán)鎖相的控制框圖 3三相軟件鎖相環(huán)的誤差與精度 3.1三相軟件鎖相環(huán)的誤差分析 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，是系統(tǒng)控制準確度(控制精度)的一種度量，通常稱為穩(wěn)態(tài)性能。在控制系統(tǒng)設計中，穩(wěn)態(tài)誤差是一項重要的技術指標。對應一個時基的控制系統(tǒng)，由于系統(tǒng)結構、輸入作用的類型(控制量或擾動量)、輸入函數的形式(階躍、斜坡或加速度)不同，控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出不可能在人和情況下都與輸入量已知或相當，也不可能在任何形式的擾動作用各下都能準確地恢復到原平衡位置?？梢哉f，控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是不可避免的，控制系統(tǒng)設計的任務之一，是盡量減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，或者使穩(wěn)態(tài)誤差小于某一容許值。上面討論了系統(tǒng)的穩(wěn)定條件，只有在系統(tǒng)穩(wěn)定時，討論穩(wěn)態(tài)誤差才有意義。 由圖2-6，得到輸入信號下的系統(tǒng)誤差傳函為： 3.2用以提高鎖相精度的SPWM再調制技 鎖相精度是鎖相技術中比較關鍵的一個問題，鎖相的優(yōu)劣也直接關系到逆變器并聯的可靠性。逆變器輸出電壓的鎖相精度，除了與相位誤差的檢測精度、控制器的性能等有關以外，還與逆變器輸出周期控制的精度有直接的聯系。文獻針對微處理器的計數時鐘以及開關周期使得鎖相精度較低的問題，提出了SPWM的再調制技術，可有效地提高逆變器輸出電壓的鎖相精度。 所謂“SPWM再調制控制”，即在原有的SPWM調制的基礎上，按照一定的策略選取其中部分載波，作為再調制單元，將需要補償的時鐘控制周期疊加到這些載波的周期計數器中，以提高相位控制分辨率，實現高精度同步控制的方法。再調制控制策略在實際數字化控制系統(tǒng)中應用較多的有順序插補、分組順序插補和對稱插補。本文采用了分段順序插補技術，通過對載波周期進行精確控制來實現對相位的精確控制。以DSP作主控制器為例，采用SPWM技術時，一定的開關頻率下的載波比為N，在采用連續(xù)增減計數模式產生載波時，則理論上最小鎖相精度為計數時基的2N倍；若采用分段順序插補技術對載波周期進行補償，將N分為n個小段，并在每段中根據需要，對載波周期進行周期的順序插補補償，同樣采用連續(xù)增減計數模式產生載波，并假設計數時基不變，此時理論的最小鎖相精度為計數時鐘的2n倍，與未采用插補技術時，相位精度提高為原來的N/n倍。 這種采用分段順序插補技術對載波周期進行順序插補補償，實現了對載波周期的更精確的控制，有效地提高了鎖相環(huán)的鎖相精度。 4實驗結果和分析 本文所設計的軟件鎖相環(huán)是基于永磁直驅風電變流器系統(tǒng)應用的。如圖4-1，該變流器是一臺額定功率為1.5MW的直驅風電變流器樣機，并進行了調試與試驗。該變流器采用的拓撲結構是PWM背靠背的形式，對于電機側整流部分采用兩個PWM整流器并聯，同樣的電網側也是一樣，整流與逆變器之間共用一個直流母線。系統(tǒng)采用共母線的結構在提高了功率等級的同時也加入了環(huán)流，因此系統(tǒng)控制相對于單個模塊較復雜。在變流器網側采用合適的電抗器濾波，提高電能質量。 圖4-1 永磁直驅風電系統(tǒng)網側變換器實驗平臺 調試中只對樣機的主要功能部件進行測試與實驗，并在此基礎上對鎖相環(huán)的跟蹤性能進行測試。實驗主要參數為：IGBT開關頻率為1.5 kHz，調制頻率 fr= 50 Hz，直流母線電壓 Udc= 1100 V，額定功率為1.5MW，網側額定電壓為690V，額定電流1255A等。 圖4-2 并網鎖相過程 圖4-2為并網電流在鎖相環(huán)作用下跟蹤電網電壓相位的波形圖（CH1為電網電壓波形，CH2為并網電壓信號）。由于程序采用讀表法，會存在一定的相位誤差，理論上的最大相位誤差為2π／216=9.6×10-5（rad），該誤差已相當小，滿足設計要求。由圖4-2可以看出，并網電流在跟蹤電網電壓的過程中，2路信號波形之間的相位差在逐漸減小，穩(wěn)態(tài)誤差已經達到了實際應用要求。從直驅變流器樣機試驗看，軟鎖相功能模塊相位跟蹤的精確性和快速性達到了實際應用的設計標準。 4結語 采用數字軟鎖相技術實現風力發(fā)電并網系統(tǒng)的鎖相，樣機試驗表明，該鎖相系統(tǒng)具有鎖相精度高、穩(wěn)定、快速且簡單易于實現等優(yōu)點，能很好地滿足風電系統(tǒng)并網要求。對其他變流器系統(tǒng)也具有一定的借鑒作用。 
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