一种新型风电电压跌落检测方法的研究

摘要：随着风电并网的发展，电网对电能质量的要求越来越严格，这就要求风力发电机组具有低电压穿越(LVRT)能力，首先就突出了如何应对电压跌落的重要性。根据矢量检测原理，设计了一种锁相环(PLL)来检测电压跌落。由于产生的负序分量危害很大，所以在滤波环节利用陷波器分离正负序分量，为了弥补响应稍慢的不足，在控制中引入谐振环节控制负序分量。仿真和实验表明，该方法检测响应快，能快速检测出电压跌落，并且消除了负序影响，减少了系统延时，同时具有一定的LVRT能力。
关键词：锁相环；电压跌落；低电压穿越；正负序分量

1 引言
我国具有丰富的风能资源，在新能源政策的鼓励下，风电装机容量在电力系统中所占的比例越来越大。提高并网能力成为我国充分利用风力资源所面临的首要问题之一，这就对电网稳定性提出了要求，只有第一时间检测出电压跌落才能对电网实施快速有效的控制。
在此采用矢量PLL检测电压跌落，这是一种基于d-q变换法检测电压的跌落方法。在风电故障中常出现三相不对称情况，对负序电压抑制效果不好，所以利用陷波器分离正负序分量，再引入谐振调节器控制负序分量提高了响应速度。通过仿真和实验证明该检测方法收益良好。

2 原理与设计
2．1 矢量锁相环
在此从瞬时无功功率给出PLL结构，如图1所示，利用矢量检测电压信息，达到控制目的。

将三相输入电压采样后做α-β变换及d-q变换，再经过带有PI调节器的闭环反馈调整三相输入中的某相与输入的相位差，达到锁相目的。三相电压变换到α，β坐标系中的数学模型为：

由式(3)可见，只有锁相角与输入电压相位同步时，直流分量ud为定值，uq=0。因此，用参考值零减去uq，再将该差值经过PI调节器后，所得误差再与理论角频率2πf相加得到实际值，最后，通过积分环节就能达到锁相的目的。
2．2 陷波器分离正负序电压
在风电电网发生三相电压不对称跌落情况下，负序分量会造成传统PI调节器控制对象为非直流量，而使其控制性能下降。另外负序分量较大，若得不到控制，会影响LVRT能力。因此，在不对称情况下，必须对电压正、负序分量分别控制。首先就得分离正、负序分量。在此采用结构相对简单的陷波器分离。电网三相不对称电压经Clarke变换后转至α，β坐标系中，再经Park变换到d，q坐标系中，分别对正负序分量加入陷波器。
陷波器传递函数为：

式中：θ=ωT，ω，T为陷波器的陷波频率、采样频翠；K为增益系数，K=(1-2rcosθ+r2)／(1-2cosθ)。
参数r直接关系到陷波器的响应速度，r在满足陷波器要求下，其数值越小，响应就越快。通常陷波器可在1个周期内对电压完成正、负序分离。在此r=0．95，ω=50 Hz。
2．3 负序电压的控制
在传统控制器的基础上，在电压环和电流环都引入谐振器，来控制负序分量，优化LVRT能力。谐振控制器的传递函数为：

式中：ωR，ω0，KR分别为截止频率、基波频率和谐振增益。

3 仿真及实验
在Matlab中采用图1所示结构进行仿真，其结果如图2所示。

软锁相在5 ms开始工作，图2a为a相电压ua和PLL产生的标准正弦波uPLL。图2b为uR突然跌落时的波形，可明显看出准确的锁相功能。电压跌落后，由于该设计方案的作用，电压未受到影响。

考虑到实际应用，在此仅对PLL进行仿真，整个系统结构在6 kVA的DVR实验平台上，利用电压跌落完成实验，其中，三相输入电压为220 V，采用阻性负载。DVR采用三相四线制，独立变压，变比为2：1，星形接法。在工作0．2 s后，电压跌落，a相实验结果如图3所示。由图可见，在0．2 s发生电压跌落时，电压输出平缓，没有发生过于严重的跌落，电流则很快恢复，说明该方案能快速检测出电压跌落，并基本消除了负序的影响，且没有给电网造成任何不良影响，为实现LVRT提供了很好的前提条件。

4 结论
仿真证明了PLL确实可行，实验证明了该新方法对电压跌落有跟踪作用，且响应很快。由于采用陷波器，一定程度上节省了成本，加上滤波控制器环节的作用，具备了一定低电压穿越能力。