基于谐波提取技术的风机频率自适应研究

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摘要：摘 要：為解决风机受谐波干扰引起电压畸变和频率波动从而影响风机并网稳定运行的问题，提出频率自适应锁相方法，以谐波提取电路为基础，设计具有滤除风机谐波功能的NSOGI (new second-order generalized integrator)锁相环。首先，在谐波提取电路中加入基波谐振电路，

　　摘 要：為解决风机受谐波干扰引起电压畸变和频率波动从而影响风机并网稳定运行的问题，提出频率自适应锁相方法，以谐波提取电路为基础，设计具有滤除风机谐波功能的NSOGI (new second-order generalized integrator)锁相环。首先，在谐波提取电路中加入基波谐振电路，验证谐波提取前后锁相环的锁频精度;其次，在传统锁相环基础上加入直流抑制器，对输入信号的频率进行跟踪;最后，进行理论和仿真分析，对比DSOGI-FLL谐波提取前后电路中的频率偏差，验证2种锁相环的锁频精度。结果表明：在谐波提取电路中加入基波谐振电路，减少了谐波对基波源的影响，提升了谐波提取的效果;在抑制风机电压畸变和直流谐波方面，NSOGI 锁相环效果较好，锁频精度较高，验证了方法的可行性和正确性。采用NSOGI对电压和频率进行控制，能够提升供电可靠性，改善并网电能质量，为风机并网稳定运行提供了理论参考。

　　关键词：风能;谐波干扰;电压畸变;频率自适应;谐波提取电路;频率偏差;基波谐振电路

　　新能源并网时，系统稳定性会受到谐波影响，通常使用滤波器进行滤波[1]。随着新能源容量的增加，谐波电流随之增大，继续使用滤波器治理谐波并不经济[2]。文献[3]阐述了2种谐波提取利用方法：一种是在无源滤波器原理的基础上对谐波进行分离，提取到的谐波有较高的畸变率;另一种是采用基波磁通补偿方法实现谐波提取，畸变率比另一种方法低，但提取到的谐波电能混合在一起，只实现了基波和谐波分离。文献[4]采用并联谐波提取储能电路和基波谐振电路，将提取到的谐波直接存储，忽略了二极管电路也有基波通过，提取谐波的同时也影响了基波。文献[5]采用基波磁通相互抵消原理，加入2个原边和1个副边的三绕组变压器，原边存在2个相同的电容器，基波磁通相互抵消，谐波磁通由于存在谐振支路无法抵消，被变压器感应到二次侧，但部分谐波电流会流向基波源侧。

　　为了保障逆变器与电网之间高质量的电能传输[6]，通常采用锁相环对输出的基频电压频率和相位进行锁定[7]，电网中普遍采用带宽控制和良好动态性能的同步坐标系锁相环 (synchronous reference frame-PLL，SRF-PLL)，实现对电网频率和相位的跟踪[8]。但电网存在电压畸变和谐波时，检测到的频率会产生波动，影响锁相环对电路相位锁定的准确性[9]。为了提高锁相环对电网电压畸变和频率波动的锁频精度[10]，人们采用改进锁相环环路滤波器来改善对电压畸变的抑制效果，采用低通滤波器[11]、陷波器[12]，以及滑动平均方法和相频分离滤波[13]，但无法完全消除波动，且无法达到快速响应的要求。

　　针对锁相环存在的问题，首先，在无源滤波器原理的基础上[14]，设计CLC谐波提取电路(LC电路和电容C支路并联)，本文在基波源侧加装基波谐振电路，迫使谐波电流流向调谐支路。其次，借鉴电网锁相环的控制作用，采用新型SOGI锁相环，对风机输出电压和频率进行跟踪和控制，减小电压畸变率，缩小系统输出频率偏差。最后，经新型SOGI锁相环实现风机逆变器的输出电压和频率与电网一致。

　　1 风机谐波提取

　　1.1 逆变器谐波分析

　　风力发电以环保、可再生、装机灵活等优点得到大规模开发利用，风电的电能质量也备受关注[15]。风力发电机主要包括直驱永磁风机和双馈风机2种，直驱永磁风机总电流谐波畸变率恒定，电流谐波总含量以5次和7次谐波为主;双馈风机总谐波电流有效值恒定，在风速稳定情况下，谐波总量不变，谐波电流以5次谐波为主[16]。风机谐波与电网谐波有着本质的区别，风机受风速的随机性影响，导致输出电流中含有的特征谐波也会发生变化，但经仿真分析可知，在特定次数谐波电流大小发生变化时，不改变谐波提取电路的参数，提取效果不受影响。本文主要对风力发电系统中的5次和7次谐波进行提取。

　　改进的谐波提取电路采用基波谐振电路与并联电容调谐支路相结合的方式，通过三绕组变压器提取出谐波。基波谐振电路实现基波和谐波分离，该电路对基波无影响，对谐波呈现高阻抗，能够避免谐波电流注入发电机引起发热、降低绝缘强度、增加额外损耗[17]，迫使谐波流入调谐支路。并联电容调谐支路电容相同，则基波电流相同，进而基波电流相互抵消，不會被感应到变压器二次侧。而谐波电流不同，无法相互抵消，被感应到变压器二次侧。谐波从滤除变为提取利用，可使输出的基波电能满足用电要求，改善并网电能质量。

　　1.2 谐波提取电路结构

　　图1为谐波提取原理图，系统包括基波谐振电路、谐波源支路和谐波提取电路。谐波源支路根据风机谐波特点，模拟等效谐波源，风机谐波大小发生变化时，探究谐波对电路的影响。谐波提取电路将LC谐振电路与电容器C连接在三绕组变压器的一次侧，再并联在电路中，实现对谐波的提取。

　　为确保谐波能够被提取，n次谐波阻抗需满足约束条件：

　　1/(nωCm)>nωLn-1/(nωCn)，(1)

　　1/(nωCn)=nω(Ln+LT)。(2)

　　式中：ω为基波角频率;ωLT为变压器的感抗;1/nωCm为Cm侧容抗;ωLn和1/nωCn分别为LnCn侧感抗和容抗。

　　式(1)和式(2)为n次谐波在LnCn支路发生串联谐振的条件，2条支路电容值相等。LnCn支路和Cm支路同时都存在谐波电流和基波电流，而LnCn支路为n次谐波谐振支路，n次谐波能很好地通过，Cm支路仅含有少量的n次谐波，变压器一次侧2个绕组谐波无法抵消;被感应到三绕组变压器二次侧，实现了n次谐波的提取。

　　在变压器二次侧提取到的谐波电流中不含有基波电流，变压器在基波条件下需满足：

　　RT+ωLT-1/ωCmIm=RT+ωLT-1/ωCn+ωLnIn。(3)

　　式中：RT为变压器电阻;In，Im分别为LnCn侧和Cm侧电流。

　　在满足式(3)时，由于LnCn支路和Cm支路电容值相同，而三绕组变压器一次侧2个绕组匝数也相同，即变压器一次侧2条支路基波电流相同，基波磁通相互抵消，就不会被变压器感应到谐波提取侧。

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