高怀正 李红军
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摘要：在高压直流控制系统中，锁相环为换流器的触发控制系统提供准确的参考相位，其对换流母线电压基波相位的跟踪能力将直接影响整个直流控制系统的调节作用。谐波侵扰换流母线的电压必然也会造成换流阀的换相电压发生畸变，对高压直流锁相环的性能产生影响，进而威胁到换流器触发控制系统的精准输出，影响高压直流输电系统的安全稳定运行。本文就此展开了相关探究。
关键词：谐波侵扰；高压直流输电系统；换流站；锁相环
引言：
谐波侵扰换流母线的电压必然也会造成换流阀的换相电压发生畸变，对高压直流锁相环的性能产生影响，进而威胁到换流器触发控制系统的精准输出，影响高压直流输电系统的安全稳定运行。因此，有必要就谐波对锁相环的性能影响进行具体分析，为锁相环在谐波抑制方面的改进提供参考依据。
1谐波产生分析
输配电系统中变压器的励磁电流含有奇次谐波成分，当变压器空载或过励磁时更为严重，并由此构成了主要的稳定性谐波源。电网中投切空载变压器或电容器时，其合闸涌流注入电网也会形成突发性的谐波源。换流器通过控制晶闸管的导通将交流侧电网电压转换为脉动直流电压，由于电力电子开关具有非线性，稳态运行时换流器两侧均会产生谐波电压和电流。当采用理想化的假设条件，如系统三相完全对称、各换流阀等脉冲触发且触发角恒定、平波电抗器无限大时，此时产生的谐波称为特征谐波。交流系统发生单相故障时，换流母线上三相电压不平衡，经过对称分量法可转换得到负序分量[1]。其中，基频负序分量经过换流器的调制作用，传递到直流侧可以得到二次谐波，该二次谐波再传递至交流侧，换相电压中将会产生三次谐波。
2常见锁相环的基本原理
2.1传统二阶锁相环
为了尽可能地抑制谐波对其锁相性能造成的不良影响，常通过合理设置ＰＩ调节器参数来降低锁相环路的带宽，但这会牺牲锁相环的动态响应速度。而国际大电网会议HVDC标准测试模型采用同步旋转坐标系锁相环（SRF－PLL）跟踪高压直流输电系统的换相电压相位。ｋｐ和ｋｉ分别为低通滤波器的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子。SRF－PLL主要由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器３个部分组成，其中鉴相器由Clarke变换、归一化处理以及Park变换组成，其ｑ轴分量通过低通滤波器（PI调节器）进行调节，得到角频率波动量裣ω，与系统额定角频率ω０相加得到锁相环估计的角频率ωｇ，再将ωｇ作为压控振荡器输入，最后输出锁相环跟踪的同步相位θPLL。
2.2基于双二阶广义积分器的锁相环
当输入信号只含有基频成分，但三相不平衡时，由对称分量可知，输入信号中混有基频负序分量，为此，可采用DSOGI－PLL提取其中的基频正序分量。DSOGI－PLL与SRF－PLL的区别在于鉴相器部分，SOGI－QSG为基于二阶广义积分器的正交信号发生器。类似地，DSOGI－PLL先将三相电压转换到αβ坐标系下，然后采用２个SOGI－QSG分别产生１组正交信号，线性计算得到在αβ坐标系下基频正序电压分量ｕ＋１α、ｕ＋１β，再转换到ｄｑ坐标系下，通过锁相环路对ｑ轴分量进行调节，最终实现对输入信号基频正序电压分量相位的跟踪。可以发现，SOGI－QSG表现为带通滤波特性，对高次谐波具有良好的滤波效果，且随着ｋ的增大，抗谐波干扰能力变弱[2]。
2.3基于滑动平均滤波器的锁相环
当保留二阶运行方式的锁相环路时，为提高锁相环路的动态响应速度，通常先对输入的换相电压进行滤波，其中，PMAF－PLL具有较优的滤波效果和动态性能。显然，ＭＡＦ的输出仅保留了其输入信号的直流分量，而该直流分量恰好是由输入到锁相环的换相电压的基频正序分量转换得到的，进而实现了对输入信号中基频正序电压分量的提取。
3谐波对锁相环性能的影响
3.1DSOGI－PLL锁相
当输入信号混有谐波分量时，转换后得到的α轴电压分量与β轴电压分量不一定仍然保持正交关系[3]。因此，２个分量分别经过SOGI－QSG后得到的分量也不再存在严格正交关系，在SOGI－QSG滤波期间，线性计算所得到的基频正序分量是不准确的，即受谐波影响，此时DSOGI－PLL输出的相位并不准确，且相位误差与谐波对αβ坐标系下两电压分量的正交关系的影响程度相关。DSOGI－PLL中ＰＩ调节器的参数也不能取得过大，仍然要保留一定的滤波能力。
3.2SRF－PLL
实际工程中，采用SRF－PLL时，为了尽可能地抑制谐波对其锁相性能造成的不良影响，常通过合理设置ＰＩ调节器的参数来降低锁相环路的带宽，但这将牺牲锁相环的动态响应速度。因此，保持阻尼比为0.707时，ＰＩ调节器的参数通常采用ｋｐ＝10，ｋｉ＝50，锁相环的带宽频率ｆｂ约为2.3Ｈｚ，能够对大部分谐波起到较好的抑制作用，但为抑制谐波付出的动态性能代价是重大的。
3.3PMAF－PLL锁相性能影响
为了抑制谐波侵扰对锁相环稳态性能的影响，引入ＭＡＦ可以允许ＰＩ调节器选取较大的参数来获取较大的锁相环路带宽，同时ＭＡＦ本身也引入了一定的动态响应延迟，但总的来说，锁相环更得益于锁相环路的高带宽带来的快速响应。当换相电压输入到PMAF－PLL时：其归一化处理前的αβ坐标系下的电压只含有基频正序分量；所以就ｑ轴电压分量来说，谐波侵扰对于预置滤波器的锁相环的稳态性能影响不大，PMAF－PLL仍然能够稳定准确地跟踪基频正序电压分量的相位。值得注意的是，倘若输入电压含有基频附近的间谐波，ＭＡＦ无法彻底抑制其影响，也会使得ＭＡＦ－ＰＬＬ性能变差[4]。另一方面，为了分析谐波对PMAF－PLL动态性能的影响，首先建立其线性化的小信号模型。当比例系数和积分系数均大于０时，PMAF－PLL总能保持稳定，其动态性能也随着ＰＩ调节器参数的确定而确定。特别地，由于预置ＭＡＦ会造成一定的延迟（延迟时长为窗口时长），所以，引入滤波器虽然提高了锁相环系统的抗谐波干扰能力，但也对其动态响应造成一定的阻碍。
结论：
近年来，随着直流输电电压等级的不断提高，直流换流站中电力设备在数量和容量上不断增加，导致换流站网络安全问题日益突出，对电力系统的平稳运行带来了严峻挑战。谐波的侵扰会严重影响SRF－PLL锁相的准确性，为了减小谐波侵扰对其跟踪输入信号的基频正序分量相位的影响，SRF－PLL严重牺牲了其动态响应速度；且谐波电压幅值增大或谐波电压的初相位与基波初相位偏移越多，SRF－PLL稳态时相位误差振荡幅度越大，SRF－PLL的锁相准确性越差。ＳＯＧＩ－ＱＳＧ具有带宽滤波器特性，但在滤波过程中，谐波会破坏αβ坐标系下两电压分量的正交关系，导致ＤＳＯＧＩ－ＰＬＬ无法准确锁相。PMAF－PLL增设了环前ＭＡＦ，无需依赖于ＰＩ调节器来抑制谐波，动态响应速度远快于SRF－PLL。ｄ）考虑对间谐波进行抑制是改进锁相环的一个重要方面，有待于后续的改进研究。
参考文献：
[1]王燕宁,郭春义,郑安然,殷子寒.极弱受端交流系统下LCC-MMC型混合直流输电系统的附加频率-电压阻尼控制[J].电工技术学报,2020,35(07):1509-1520.
[2]张哲任,徐政,徐雨哲,王世佳.高压直流输电基本测试系统[J].广东电力,2018,31(09):2-12.
[3]郭春义,赵剑,刘炜,杨治中,赵成勇.抑制高压直流输电系统换相失败方法综述[J].中国电机工程学报,2018,38(S1):1-10.
[4]郭春义,殷子寒,王烨,赵成勇.LCC-MMC型混合直流输电系统小干扰动态模型[J].中国电机工程学报,2018,38(16):4705-4714+4975.