一种适于光伏并网低电压穿越的三相锁相环方法

摘要

一种适于光伏并网低电压穿越的三相锁相环方法，涉及太阳能发电供电领域，具体涉及一种具有低电压穿越功能的三相锁相环。本发明解决了现有的锁相技术存在需考虑零点漂移的影响和现有的检测方法没有考虑由测量电压偏移给电压检测带来的影响的问题。过程为：步骤A1：电网电压v输入到二阶正交信号发生器，输出相位相差90°的两个正弦信号v′和qv′；步骤A2：对信号v′和qv′进行计算，得到线电压幅值V

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能发电供电领域，具体涉及一种具有低电压穿越功能的三相锁相环。

背景技术

近几年来伴随着光伏设备装机容量的扩大，太阳能发电供电比重越来越大，因此，必 须考虑电网故障时光伏电站的各种运行状态对电网稳定性的影响。电网三相不平衡故障中 的单相跌落和双相跌落对光伏并网的影响越来越严重。目前，随着光伏电站发电量的逐年 增大，一旦这些故障，就会导致光伏电站输出的有功功率大量减少，增加整个系统的恢复 难度，甚至可能加剧故障，引起其他机组的解列，导致大规模停电。这就要求光伏发电系 统必须具备低电压穿越能力。然而，只有迅速准确的检测到电网电压跌落幅值和相位，才 能为发电系统实现低电压穿越提供必要的前提条件。为了保证分布式发电系统在低电压等 三相不平衡情况下，能够保持继续并网运行，要求发电系统必须具备低电压穿越能力。因 此，三相不平衡锁相技术是保证光伏发电并网的关键技术之一。

所谓低电压穿越技术(Low Voltage Ride-Through，LVRT)最早是在风力发电系统中提出 的，对于光伏发电系统是指当光伏电站并网点电压跌落时候，光伏电站能够保持并网，甚 至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网电压恢复正常，从而“穿越”这 个低电压时间(区域)。要实现低电压穿越，前提必须要保证能够迅速准确的检测到电网电 压跌落幅值和相位，这样才能通过电流环控制保证光伏电站并网运行。

目前的锁相技术存在两个方面问题。一是常见的锁相技术存在零点漂移问题。这主要 是因为现在光伏电站一般是采用三相四线制并网，也就是说直接采集到三相相电压，然后 基于同步旋转坐标轴变换的控制策略，进行并网控制，但是由于电网经常存在不平衡现象， 电压波动，会使三相四线制电网中线点零电位漂移，导致对电压幅值相角的检测存在很大 的误差。另外，目前，通常三相并网逆变器输出需要经过一个变压器连接到电网，现在市 场上最常见到的是Δ/Y型变压器，这样要求并网逆变器输出是三相三线制，即没有直流母 线的中线。如果并网逆变器输出是三相四线制的话，则需要特制Y/Δ型或Y/Y型变压器， 这样就会额外的增加并网设备的成本。二是目前的检测方法没有考虑由测量电压偏移给电 压检测带来的影响。这种电压偏移通常是由测量、数据转换和电网电压的参数估计误差引 入的。例如，基于定点DSP的光伏并网发电逆变器在A\D转换之前需要手动设置一个偏移 量，使输入给A\D的信号是0到3V。经A\D转换之后的信号数据类型是无符号整型，再 变换成有符号整型。因此，很难找到一种变换使前后完全的匹配。

现有的锁相环均是对三相相电压进行采集，没有考虑测量电压偏移给电压检测带来的 影响，同时都是应用于风力发电领域的低电压穿越技术，因此，亟需一种可行性高、检测 准确的三相不平衡电网检测的锁相环，满足光伏并网低电压穿越的需要。

发明内容

本发明为了解决现有的锁相技术存在需考虑零点漂移的影响和现有的检测方法没有考 虑由测量电压偏移给电压检测带来的影响的问题，提出了一种适于光伏并网低电压穿越的 三相锁相环方法。

一种适于光伏并网低电压穿越的三相锁相环方法的具体过程如下：

步骤A1：电网电压v输入到二阶正交信号发生器，二阶正交信号发生器输出相位相 差90°的两个正弦信号v′和qv′，然后同时执行步骤A2和步骤A3；

步骤A2：对步骤A1得到的两个正弦信号v′和qv′进行计算，得到线电压幅值V_RMS， 将所述线电压幅值V_RMS转换为相电压幅值V_P，然后执行步骤A4；

步骤A3：将步骤A1得到的两个正弦信号v′和qv′输入到锁相环，对线电压相位角θ_l进行锁定及检测；将所述线电压相位角θ_l转换为相电压相位角θp，然后执行步骤A4；

步骤A4：根据步骤A2得到的相电压幅值V_P和步骤A3得到的相电压相位角θp，利用 逆变器电流控制策略进行并网，实现光伏并网低电压穿越。

本发明所提出的三相锁相方法是一种简单可行性高的并网锁相方法，可以有效地消除 测量电压偏差带来的影响，使检测到的电压幅值及相位更加准确、快速。此种三相锁相方 法，无需考虑变压器中性点漂移的影响，同时无需额外特制Y/Δ型或Y/Y型变压器，大大 降低并网成本。此种三相锁相方法，可以很好地适用于无中线三相不平衡光伏并网系统， 实现系统低电压穿越。

附图说明

图1是具体实施方式二所述的现有的二阶正交信号发生器的结构框图；

图2是具体实施方式二所述的二阶正交信号发生器的结构框图；

图3是具体实施方式一所述的锁相环电路单元的结构框图；

图4是具体实施方式一所述的一种适于光伏并网低电压穿越的三相锁相环方法的控制 原理框图；

图5是具体实施方式三所述的现有的二阶正交信号发生器的原理框图；

图6是具体实施方式三所述的二阶正交信号发生器的原理框图；

图7是具体实施方式四所述的基于正交信号发生器的同步坐标系锁相环的原理框图；

图8是三相线电压和相电压的向量图；

图9是具体实施方式一所述的一种适于光伏并网低电压穿越的三相锁相环方法的控制 流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图3、图4和图9说明本实施方式，本实施方式所述的一种适 于光伏并网低电压穿越的三相锁相环方法的具体过程如下：

步骤A1：电网电压v输入到二阶正交信号发生器，二阶正交信号发生器输出相位相 差90°的两个正弦信号v′和qv′，然后同时执行步骤A2和步骤A3；

步骤A2：对步骤A1得到的两个正弦信号v′和qv′进行计算，得到线电压幅值V_RMS， 将所述线电压幅值V_RMS转换为相电压幅值V_P，然后执行步骤A4；

步骤A3：将步骤A1得到的两个正弦信号v′和qv′输入到锁相环，对线电压相位角θ_l进行锁定及检测；将所述线电压相位角θ_l转换为相电压相位角θp，然后执行步骤A4；

步骤A4：根据步骤A2得到的相电压幅值V_P和步骤A3得到的相电压相位角θp，利 用逆变器电流控制策略进行并网，实现光伏并网低电压穿越。

本实施方式中v′与v具有相同的相位和幅值，电网电压v经过的二阶正交信号发生器 输出相位相差90°的两个正弦信号v′和qv′，两个正弦信号v′和qv′进行计算得到相电压 幅值V_RMS和两个正弦信号v′和qv′输入到锁相环得到线电压相位角θ_l的整个电路组成了 锁相环电路单元，图4中的OSG-PLL就是该锁相环电路单元，线电压幅值V_RMS转换为相 电压幅值V_P和线电压相位角θ_l转换为相电压相位角θp的整个计算过程组成了计算单元。

具体实施方式二：参见图2说明本实施方式，本实施方式与是对具体实施方式一所述 的一种适于光伏并网低电压穿越的三相锁相环方法的进一步限定，所述二阶正交信号发生 器为设置有低通滤波器的二阶正交信号发生器。

本实时方式所述的二阶正交信号发生器是对现有的的二阶正交信号发生器 (SOGI-OSG)进行改进，即通过加一个低通滤波器，来消除电压偏移的影响，如图2所 示。

具体实施方式三：参见图6说明本实施方式，本实施方式与是对具体实施方式一所述 的一种适于光伏并网低电压穿越的三相锁相环方法的进一步限定，所述步骤A1中的电网 电压v输入到二阶正交信号发生器，二阶正交信号发生器输出相位相差90°的两个正弦信 号v′和qv′的方法为：

电网电压v与二阶正交信号发生器输出信号v′做差后，得到偏差信号ε，该偏差信号 ε经过放大器后，得到放大信号kε，该放大信号kε与信号qv′做差，得到的信号输入到 乘法器，乘法器将该信号与锁相角频率ω′相乘，得到的信号经过积分环节后，得到输出 信号v′，该输出信号v′输入到乘法器，乘法器将该信号与锁相角频率ω′通过乘法器相乘， 得到的信号经过积分环节后，得到信号qv_i′，放大信号kε输入到低通滤波器，滤波后的信 号与信号qv_i′做差，得到输出信号qv′。

本实施方式中的锁相角频率ω′是经锁相环锁定的电网角频率反馈值。

没有低通滤波器的二阶正交信号发生器(SOGI-OSG)，如图1所示，只是通过负反 馈消除了输出信号v′的直流分量，而qv′直接受到电压偏移的影响，如图5所示。由于 v-v′＝ε，所以信号ε包含所有直流偏移量，如图6所示，本发明通过加一个低通滤波器， 来消除电压偏移的影响。

具体实施方式四：本实施方式与是对具体实施方式一所述的一种适于光伏并网低电压 穿越的三相锁相环方法的进一步限定，所述步骤A2中的对步骤A1得到的两个正弦信号v′ 和qv′进行计算，得到线电压幅值V_RMS的方法为：

根据公式求解，得到线电压幅值。

具体实施方式五：本实施方式与是对具体实施方式一所述的一种适于光伏并网低电压 穿越的三相锁相环方法的进一步限定，所述锁相环为基于正交信号发生器的同步坐标系锁 相环。

具体实施方式六：参见图7说明本实施方式，本实施方式与是对具体实施方式一所述 的一种适于光伏并网低电压穿越的三相锁相环方法的进一步限定，所述步骤A3中的将步 骤A1得到的两个正弦信号v′和qv′输入到锁相环，对线电压相位角θ_l进行锁定及检测的 方法为：

信号v′、qv′和θ_l经过αβ/dq变换得到信号v_q和v_d，用减去信号v_q后经PI调节器， 得到角频率偏差，该角频率偏差与电网角频率ω₀相加后得到锁相角频率ω′，该锁相角频 率ω′经过一个积分环节后，得到相电压相位角θ_l，整个过程构成一个负反馈，即实时对 线电压相位角进行检测，并通过调节PI参数来精确锁相。

本实施方式中锁相环对每相线电压都进行锁相检测，v_q的大小代表输入电压相位θ与 经锁相环输出θ_l之间的差值，若锁相成功，则v_q＝0，锁相环输出θ′就是电网电压的相位 θ，本实施方式中给定电网角频率ω₀为50Hz，为给定值零。

具体实施方式七：参见图8说明本实施方式，本实施方式与是对具体实施方式一所述 的一种适于光伏并网低电压穿越的三相锁相环方法的进一步限定，所述步骤A2中的将所 述相电压幅值V_RMS转换为相电压幅值V_P的方法为：

定义线电压u_ab的幅值为V_ab，线电压u_bc的幅值为V_bc，线电压u_ac的幅值为V_ac，相电 压u_a的幅值为V_a，相电压u_b的幅值为V_b，相电压u_c的幅值为V_c，

由三相相电压和相电压的向量关系，可以得到方程

V_a²+V_b²+V_a*V_b＝V_ab²

V_b²+V_c²+V_b*V_c＝V_bc²(1)

V_a²+V_c²+V_a*V_c＝V_ac²

三角形面积：

(2)

根据海龙公式求三角形面积：

p＝(V_ab+V_bc+V_ac)/2(3)

$S=\sqrt{P*(P-V_{\mathrm{ab}})*(P-V_{\mathrm{bc}})*(P-V_{\mathrm{ac}})}---\left(4\right)$

可知：

$V_a*V_b+V_b*V_c+V_a*V_c=\frac{4}{\sqrt{3}}S---\left(5\right)$

其中，p为中间变量，

根据方程：

把(1)中三个方程式相加得：

2*(V_a+V_b+V_c)²-3(V_a*V_b+V_b*V_c+V_a*V_c)＝V_ab²+V_bc²+V_ac²(6)

设$X_1=\sqrt{\frac{{V_{\mathrm{ab}}}^2+{V_{\mathrm{bc}}}^2+{V_{\mathrm{ac}}}^2+4\sqrt{3}S}{2}}$

则

V_a+V_b+V_c＝X₁(7)

同理：

V_a²+V_b²+V_c²＝X₂(8)

其中$X_2=\frac{{V_{\mathrm{ab}}}^2+{V_{\mathrm{bc}}}^2+{V_{\mathrm{ac}}}^2-\frac{4}{\sqrt{3}}S}{2}$

$V_a=\frac{{V_{\mathrm{ab}}}^2+{V_{\mathrm{ac}}}^2-X_2}{X_1}---\left(9\right)$

$V_b=\frac{{V_{\mathrm{ab}}}^2+{V_{\mathrm{bc}}}^2-X_2}{X_1}---\left(10\right)$

$V_c=\frac{{V_{\mathrm{bc}}}^2+{V_{\mathrm{ac}}}^2-X_2}{X_1}---\left(11\right)$

得到相电压幅值V_a，V_b，V_c。

具体实施方式八：本实施方式与是对具体实施方式一所述的一种适于光伏并网低电压 穿越的三相锁相环方法的进一步限定，所述步骤A5中将步骤A3得到的线电压相位角转 换为相电压相位角的方法为：

定义线电压u_ab的相位角为θ_ab，线电压u_bc的幅值为θ_bc，线电压u_ac的幅值为θ_ac，相 电压u_a的幅值为θ_a，相电压u_b的幅值为θ_b，相电压u_c的幅值为θ_c，

根据正弦定理${\theta }_2=\mathrm{ArcSin}\left(\frac{\sqrt{3}{u}_a}{2u_{\mathrm{ab}}}\right),$得到

θ_b＝θ_ab+θ₂(12)

θ_c＝θ_b-120°(13)

θ_a＝θ_b+120°(14) 其中，θ₂为线电压u_ab和相电压u_b的夹角，

求解公式(12)、(13)和(14)，得到相电压相位角θ_a、θ_b和θ_c。