基于虚拟同步坐标变换的交流微电网并网逆变器电压相位和电流检测算法

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摘要

西安理工大学电气工程系的研究人员张晓滨、黄佳敏等，在2018年第13期《电工技术学报》上撰文指出，由于具有高渗透率可再生能源的微电网线路阻抗较大且含有随机性变化的分布式电源和负载，其公共连接点电压较易产生畸变、不平衡、频偏和相位突变，这将导致在采用传统检测算法的并网逆变器检测电压相位和电流时存在误差，从而影响系统的正常运行。

该文将电压相位和电流统一在一个转速和转向给定的虚拟同步坐标系（VSF）上进行检测。这种基于VSF的检测算法适用于电压畸变、不平衡及频偏的电网环境；可以并行地检测任意指定的电压相位和电流分量；不需要整定PI参数；在电压相位发生突变时，动态性能优于采用改进锁相环的检测算法。将该算法应用于有源电力滤波器中。

仿真和实验结果证明了该算法不仅可以在上述非理想电压条件下准确地检测电压相位和电流，而且动态延时小于一个周期。

并网逆变器主要用于可再生能源的并网和电能质量的治理。为了实现离/并网切换以及向电网注入期望的电流，并网逆变器需要检测公共连接点（Point of Common Coupling, PCC）的电压相位和电流的有功、无功及谐波等分量。随着电网中可再生能源渗透率的提高，电压控制和系统稳定性等问题用传统方法将无法得到较好的解决。微电网成为解决这些问题的有效手段之一[1]。

由于微电网中接入大量并网逆变器，具有弱电网特性，因此PCC电压易发生畸变和不平衡[2-5]。另外如果微电网中具有较多随机变化的可再生能源和负荷，则PCC电压还易发生频偏和相位突变[6]。PCC电压发生这些变化会影响并网逆变器的电压相位和电流检测。

并网逆变器的电压相位检测通常采用基于同步坐标系的软件锁相环（Synchronous Reference Frame Phase Locked Loop, SRF-PLL），电流检测通常应用瞬时无功功率理论（Instantaneous Reactive Power Theory, IRP Theory）或同步坐标系法（Synchronous Reference Frame Method, SRF Method）[7,8]。由于有功/无功电流检测需要应用电压相位，因此电流检测会受到电压相位检测结果的影响。

电压畸变不平衡时，负序电压会在SRF-PLL的同步变换结果中产生2倍频振荡，因此电压相位检测存在误差，进而导致电流检测存在误差[9,10]。为了消除电压畸变不平衡对其相位检测的影响，一些改进PLL被提出。文献[10]通过分析SRF-PLL的带宽和电压畸变的关系来改善其检测性能。

文献[11-15]提出解耦双同步参考坐标系锁相环（Decoupled Double Synchronous Reference Frame PLL, DDSRF-PLL），双二阶广义积分器锁相环（Dual Second-Order Generalized Integrator PLL, DSOGI-PLL）等改进PLL来消除负序电压的影响。

这些改进的PLL分别引入滤波器或积分器，虽然可以在电压畸变不平衡时准确检测电压相位，但是算法通常比较复杂。电压发生相位突变时，作为二阶系统的SRF-PLL会产生动态延时[16,17]。改进PLL由于额外引入了滤波器或积分器，其动态延时会进一步增加。作为传统电流检测的一个环节，PLL的动态延时会影响电流检测的动态性。

文献[18]通过在PLL中增加谐振补偿器提高了相位发生突变时PLL的动态性。为了减小PLL对电流检测的影响，一些学者应用具有电压信息的量代替PLL参与电流检测。文献[19]应用电压的瞬时值代替相位，依据瞬时功率定义计算有功/无功电流。其中负序电压引起的2倍频电流应用滤波器和调节系数消除。

文献[20]应用两种方法从不平衡电压中消除负序电压，然后应用正序电压值代替相位计算有功/无功电流。文献[21]应用同步坐标系下的电压值代替相位，依据瞬时功率定义直接计算出有功/无功电流。

虚拟同步坐标系是实现无锁相环的有效手段之一。文献[22,23]在转速为工频、转向确定的虚拟同步坐标系上建立被控系统的模型，并据此设计出无锁相环控制策略，以消除PLL给系统带来的潜在失稳问题。

本文通过分析转向和转速给定且可以调节的虚拟同步坐标系（Virtual Synchronization Frame, VSF）与电压/电流矢量之间的空间几何关系，推导出一种电压相位和电流检测算法。该算法不仅适用于电压畸变、不平衡和频偏的电网环境，而且动态性能优于采用改进PLL的传统检测算法。

图6  APF基于VSF的检测算法

结论

为改进微电网PCC电压畸变、不平衡、频偏和相位突变时，并网逆变器电压相位和电流快速且精准检测的问题，本文提出一种基于VSF的检测算法。该算法的主要特点为：

1）基于电压和电流矢量与SVF的空间几何关系，在微电网PCC电压畸变、不平衡及频偏时准确地检测任意指定的电压相位和电流分量。

2）在电压发生相位突变和频偏等情况时检测延时小于一个周期，动态性能优于采用改进PLL的检测算法。

3）没有应用PI调节器，因此不需要整定PI参数，简化了系统调试过程。

4）电压相位检测和电流检测并行完成，互不干扰。