基于数字锁相环的并网逆变器电流跟踪控制

*
*
*
3
实验结果及分析
图5
I a 通过数字锁相环后得到的相位检测结果
按图 1 所示搭建实验平台， 逆变桥采用三菱 公司 的 集 成 IPM PS22056 ， 控制电路芯片采用 TMS320F2812 。使用 Voltech 公司的功率信号分 析仪 PM3000A 来完成实验中交流电压、 电流的测 量以及 THD 的测量。 CCS 通 过 仿 真 器 可 以 在 线 监 控 DSP 内 存 数
∑U
（ n） 的正负来判断当 ≤ 0 ，则 Phase
前相位所处象限。 若
∫ ∫
t
t －T / 2
U in （ τ）Baidu Nhomakorabeadτ =
∫
n －3L / 4
∑ Uin （ n）
t －π /ω
U m sin ωτdτ = － 2 U m cos ωt （1）
t －T
| U in （ τ） | dτ =
∫
t
t －2π / ω
*
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·电能质量·
低压电器（ 2010№7 ）
图4
逆变电流跟踪控制的算法结构
i* = q
* *
is 槡
* 2
2 － i* d
（7） （8）
根据 i d 和 i s 可得功率因素角目标值：
* * * α = arccos（ i d / i s ） * 而额定电流 i s 即对应着三相电流有效值的
i bRMS 、 i cRMS 。 目标值 i aRMS 、 这里要说明的是， 如果幅值和相位的实时调 整与采样频率一样采用高频， 会破坏 PWM 波的 正弦特性， 系统难以稳定， 电流 THD 值很大且不 稳定， 并且如果 DSP 的算法程序消耗的资源过多 容易导致中断混乱。 为了解决这一问题， 考虑到 电网电压和并网电流的较好正弦特性和工频特 性， 我们将幅值和相位的实时调整频率设置为工 频， 一个完整的周期才进行幅值和相位的 PI 调 节， 成功地解决了以上问题， 并大大增强了逆变电 流的可控性。
逆变电流相位跟踪控制的实验结果如图 6 所 Ch2 示， 波形图中 Ch1 为并网侧 A 相相电压波形， 为 A 相并网电流波形。 为了方便对比两者的相 位， 从传感器后调理电路的输出来测量 A 相的电 压、 电流波形， 同样可以反映实际电压、 电流情况， 只是存在了交流的水平平移。
（ a） α * = 0° 图6
0
引
言
光伏并网发电系统的优点在于无需储能并且 能源利用率高， 是当今世界新能源应用的主流之 一
［ 1］
。目前， 应用开发上存在的主要难点在于并
网电流的幅值和相位的控制， 以及并网电流谐波 。 的控制 对此本文提出了一种基于数字锁相环的 新型并网电流幅值和相位跟踪控制方法 。 所研制的 3 kVA 三相光伏并网发电系统的 逆变器及控制电路结构如图 1 所示。其中控制电 路由子板和母板两块电路板组成 。
| U m sin ωτ | dτ = 4 U m （2）
处于一、 二象限；否则， 处于三、 四象限。 该方法同样可用于电流幅值和相位的计算。 由于积分滤波的存在， 即使含有一定量高次谐波 的三相逆变电流也可得到准确的幅值和相位信 息， 在下面的实验结果中也很好地证明了这一点 。
（ 2 ） 可得 由式（ 1 ） 、 2 －
男， 硕士研究生， 研 究方向为并网发电 逆变技术。
Current Tracing Control of a GridConnected Inverter Based on Digital PLL
SUN Jian， PAN Junmin， ZHAO Xiaomei （ Department of Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240 ，China）
过功率信号分析仪得到各项电流有效值均稳定在 1 A 左右， THD 也稳定在 2 % ～ 4 % 。 以 A 相电 流为例， 其有效值和 THD 值如表 1 所示。
结果分别如图 6 （ b） 和图 6 （ c） 所示。 为了实验的可操作性， 将逆变电流幅值跟踪
表1 U dc / V RMS / A 90 120 150 1. 010 1. 011 1. 010 0° THD / % 2. 4 3. 0 3. 6
幅值跟踪控制实验 A 相电流结果数据 120° RMS / A 0. 997 0. 997 0. 997 THD / % 2. 5 2. 9 3. 4 － 120° RMS / A 0. 995 0. 996 0. 996 THD / % 2. 4 2. 8 2. 9
从表 1 可以看到， 电流幅值的跟踪控制效果 较好。但由于 PWM 波死区时间的影响， 直流电 压利用率降低时， 逆变电流的 THD 值会相应增 大， 但始终能够控制在 < 5 % 的可接受范围内。 表 2 所示是系统并网后逆变电流跟踪控制的
据并绘图， 图 5 给出了数字锁相环相位检测 A 相 逆变电流（ 1 A） 所得的相位结果。 图 5 上部为实 时的电流波形， 下部显示的是经过软件锁相环得 0 ～ 512 对应于一般意义上的 0° ～ 到的对应相位， 360° 相位。从图 5 中可以看到， 在波形并不是完 好的正弦波的情况下精确地得到了其相位结果 。 另外， 通过 CCS 的监控窗口读取电流有效 值 为 274 ， 对应于 1 A， 符合实际情况。
Abstract： Based on a new digital PLL，a new current tracing control strategy for a gridconnected PV system was proposed to control the amplitude and phase of the inverter current. Using the sensors and A / D，the signals of the voltage and current in the PV system were sent into the digital PLL，then the amplitude and phase of the signals were got. Based on the amplitude and phase information，PI algorithm was used to control the amplitude and phase of the inverter current. Experimental results were presented to demonstrate the effectiveness of the proposed strategy. Key words： gridconnected PV system； digital phase locked loop （ PLL ） ； power factor correction； current tracing control
·电能质量·
2］ 基础， 本文所提出的数字锁相环技术对文献［ 中所提出 的 数 字 PLL 技 术 进 行 了 改 进， 通过对 AD 转换后的采样信号进行数值计算实现锁相功 能， 无需采用高精度的元器件， 只通过一系列数学 准确地实现其功能。 算法便可高效、 电网电压幅值和相位的准确获得对于并网系 统来说显得尤为重要， 因此， 本文以电网线电压 u ab = U in （ t） = U m sin ωt 为例， 通过软件锁相环获 得其有效值和相位。 一般情况下， 电网的频率能 稳定在（ 50 ± 0. 1 ） Hz， 因此采用固定采样频率的 方法来简化数字锁相环的算法， 采样频率 f s = L · f1 ， L 为一个较大的整数倍数， 也即一个交流周期 这里选取 L = 256 。 该固定采样频 内的采样次数， 率的方法不受电网频率小范围波动的影响 。 在实际应用中， 采用当前采样值 U in （ n ） 去计 算幅值和相位并不可行， 干扰大而精度低。 而通 过积分法构造数字滤波器便可以准确地得到交流 信号的幅值和相位， 并且延时很小 造积分滤波器并计算 U in （ t） 相位：
由图 3 可知， 通过该数字锁相环得到交流信 号的有效值和相位， 在此基础上， 通过逆变电流幅 值、 相位的双闭环来实现逆变电流的跟踪控制 ， 如 图 4 所示。 图中： 中间虚线上部实现电流幅值的 跟踪控制；下部实现电流相位的跟踪控制。 其中 需经过软件锁相环得到的信息有电网电压幅值 u abRMS 和相位 u abPhase ， 三相逆变电流的幅值 i aRMS 、 i bRMS 、 i cRMS 和相位 i aPhase 、 i bPhase 、 i cPhase 。 如果光伏电 池输出功率增加， 则直流侧电容电压 U dc 升高， 这 时需要提高逆变器有功电流 i d 输出使 U dc 维持在 U* dc 。 逆变器除了向电网输送有功功率之外， 还利 * 用剩余容量（ 通过额定电流 i s 得到 ） 对电网进行 无功补偿：
∫
t
2
= cos ωt （3） （4） （5）
逆变电流的跟踪控制
t －π /ω
U m sin ωτ dτ
∫
t
t －2π / ω
| U m sin ωτ | dτ
arccos（ cos ωt） = Phase
槡∫
1 T
t
t －T
（ U in （ τ） ） 2 dτ = U RMS
将式（ 1 ） ～ （ 5 ） 中各积分项按图 2 所示进行 离散化， 即可得到数字锁相环的算法结构， 如图 3 所示。图中： Phase 为得到的相位结果； RMS 为得 因为 arccos x 的值域为 到的有效值结果。 另外， ［ 0， ， 0， 2 π ） 的完整周期， π］ 而非［ 因此， 从式 （ 4 ） 中得到 Phase 仍需经过象限的确认与调整， 也即 图 3 中的 QuadrantCheck 环节，
* * 位控制。控制并网电流滞后电网电压 120° （ α = * 120° ） 、 超前电网电压 120° （ α = － 120° ） 的实验
不并网， 各项负 控制的实验设置为独立负载实验 ， 载 20 Ω， 并星形连接。 在不同的直 流 侧 电 压 和
* α 下， 各相逆变电流的有效值参考值设为 1 A， 通
图1 三相光伏并网发电系统电路结构
1
软件锁相环
数字锁相环是实现并网逆变电流跟踪控制的
潘俊民（ 1948 —） ， 男， 教授， 博士生导师， 博士， 研究方向为电力传动及自动化、 智能控制系统。 赵小妹（ 1983 —） ， 女， 硕士研究生， 研究方向为电力电子与电力传动。
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（ b） α * = 120° 控制并网电流的相位
（ c） α * = － 120°
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为方便实验和说明问题， 强行设置图 4 中的 α = 0， 即要控制并网电流与电网电压同相位， 做 到功率因素为 1 ， 结果如图 6 （ a ） 所示， 实现了相
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基于数字锁相环的并网 逆变器电流跟踪控制
健， 潘俊民， 赵小妹 （ 上海交通大学 电气工程系，上海 200240 ） 孙
摘 要： 针对光伏并网发电系统， 基于数字锁相环， 研究了一种实现系统并网电流 孙 健 （ 1984 —） ，
幅值、 相位跟踪控制的新方法 。光伏并网系统的电压和电流信号经传感器和模 / 数转换 后送入数字锁相环， 得到该模拟信号的幅值 、 相位。在此基础上， 通过 PI 算法实现并网 该方法在系统原有基础上无需添加任何 电流幅值和相位的跟踪控制 。实验结果表明， 硬件设备， 便可高效、 快速、 准确、 可靠地实现逆变电流幅值和相位跟踪控制 。 关键词： 光伏并网发电系统； 数字锁相环； 功率因数校正； 电流跟踪控制 中图分类号： TM 464 文献标志码： A 5531 （ 2010 ） 07004104 文章编号： 1001-
t t ［ 34］ n －L / 4 n －L / 4
图2
时域积分项的离散化
图3
数字锁相环的算法结构
n －3L / 4
∑ Uin （ n） ←
离散化
∫
t － π / 2ω
t －3π / 2ω
U m sin ωτdτ = － 2sin ωt （6）
。如下式构
根据式 （ 6 ） ， 由
in n －3L / 4 n －L / 4