基于光伏并网系统的单相SOGI-PLL技术研究

基于光伏并网系统的单相SOGI-PLL技术研究

王淑青;要若天;袁晓辉

【摘要】针对光伏并网系统中传统SOGI-PLL在运行时因电网电压出现波动而导致输出角频率中含有基波二倍频谐波的问题,在分析二阶广义积分器锁相环的原理和结构的基础上,采用前馈滤波器消除电网电压计算和AD采样延时,并在环路滤波器前引入改进的陷波滤波器来消除二倍频谐波.Matlab仿真结果表明该改进的控制策略能有效地衰减前馈电网电压引起的谐波,并在电网频率跳变的非理想电压情况下快速锁定电压相位、保持良好的锁相精度,能进一步改善光伏并网逆变系统的控制效果.

【期刊名称】《湖北工业大学学报》

【年(卷),期】2018(033)004

【总页数】4页(P44-47)

【关键词】光伏并网;SOGI-PLL;陷波滤波器

【作者】王淑青;要若天;袁晓辉

【作者单位】湖北工业大学电气与电子工程学院,湖北武汉 430068;湖北工业大学电气与电子工程学院,湖北武汉 430068;华中科技大学水电与数字化工程学院,湖北武汉 430074

【正文语种】中文

【中图分类】TK514

在光伏发电系统中，为了尽可能向电网输送高质量的电能，保持电网电压和并网电流的相位同步非常关键。常用的锁相技术有电压过零检测法、傅里叶变换法、空间矢量滤波法、正弦跟踪算法以及引入二阶广义积分器锁相环(SOGI-PLL)等[1]。过零检测法容易受到电网电压在过零点跳变的影响，在过零点处振荡频繁，可能导致一个周期含有多个过零点；空间矢量滤波法则动态响应较慢，且对电网电压的幅值以及频率波动较为敏感，不利于进行检测；而引入二阶广义积分器锁相环也会在电网频率变化不定或在含有大量谐波时难以锁定和跟踪基波相位，导致动态响应速度缓慢，性能不佳[2]。

本文在传统SOGI-PLL的基础上，针对AD采样计算延时、控制器计算导致的相位延迟以及由增益衰减而引起的性能不足的问题，采用低通滤波器对电网电压进行滤波，引入改进的陷波滤波器来抑制两路正交信号中的高频信号。

1 SOGI-PLL锁相环控制原理

单相SOGI-PLL借鉴了三相逆变器的锁相环算法[3]，其结构见图1，其中正交信号发生器的控制框图见图2。首先由信号发生器将电网电压转换为虚拟的两路正交信号vα和vβ，再经Park变换为dq轴直流信号，虚轴vq经过低通滤波器(LPF)将高频信号过滤，仅保留低频基波信号。LPF的输出信号加上额定基波频率，经过压控振荡器(VCO)积分后得到电网电压相位，当锁相环达到稳定后，电网电压的幅值、相位和频率参数即可通过锁相环获得[4-5]。

图 1 传统SOGI锁相环控制

图 2 正交信号发生器控制

由图2可知二阶广义积分锁相环的闭环传递函数为

(1)

其中

(2)

在式(1)和(2)中，Hd和Hq为谐振滤波器，ω为谐振频率，ω可从电网电压基波

中得到。k为阻尼系数，可控制系统输出受电网电压谐波影响的程度。将公式(1)

离散化，并由可得

式中

谐振系数k∈ [0, 2]，当k分别取0.5、1和1.5时，v′对v的波特图见图3。从图

3可知，谐振系数k不仅影响控制系统增益，还影响控制系统带宽，较小的谐振系数对谐波抑制能力强，但是达到稳态时间长；较大的谐振系数达到稳态的时间较短，但是对谐波抑制效果不好。综合考虑，将谐振系数k选取为0.8。

图 3 不同谐振系数的波特图

2 改进锁相环的设计

为解决因控制器的AD采样、逆变桥调制和控制器计算等因素导致的相位延时，有效提高锁相环在电网电压波动下的动态响应能力，采用了超前相位低通滤波器对电网电压进行前馈滤波，当采样频率f为10 kHz时，其传递函数

当电网电压频率不为谐振频率时，正交信号与电网电压信号之间存在着一定的相位偏差量，假定uα与uβ的夹角为90°+Δθ，由于Δθ非常小，则可设

从图1中可看出，当锁相完成时，经Park变换可得

ud=uαcos θ+uβsin θ=

umcos2θ+umsin(θ+Δθ)sin θ=

umcos2θ+umsin2θcos Δθ+umcos θsin θsin Δθ

由于Δθ的值很小，则cos Δθ≈1,sin Δθ≈Δθ，由此可得

同理

将正交信号经过2/2变换后会含有两倍频的谐波信号，偏差量经PI控制后也会导

致锁相环产生的角频率中含有一定谐波分量。为了消除二次谐波分量对系统的影响，在PI控制前采用改进的陷波滤波器进行过滤，以消除基波频率的两倍频谐波，保

留直流分量并消除偏差信号对锁相环的角频率影响。其控制框图见图4，改进的陷波滤波器见图5。

图 4 改进方法的控制

图 5 改进的陷波滤波器

图5中陷波滤波器的传递函数可表示为

陷波滤波器的波特图见图6。由图6可知:陷波滤波器的陷波频率为基波的二倍频，因此在二倍频处幅值有很大的衰减，但对其他频率处没有影响，因此不会影响系统的带宽和性能。

图 6 陷波滤波器的波特图

3 仿真分析

为了验证改进算法的正确性和有效性，利用Simulink搭建仿真模型。图7a是未添加陷波滤波器时的输出波形，锁相环输出中依然含有一定基波的二倍频谐波。图7b为改进的锁相环控制算法输出的波形，可以看出采用改进的陷波滤波器后能有效地消除谐波。

(a) 未加入陷波器

(b)加入陷波器图 7 加入陷波器前后的锁相结果对比

当电网频率发生突然跳变时，改进的锁相环输出波形见图8。其中图8a展示了电网电压掺入15%的5次谐波与7%的7次谐波输入时的波形，图8b、c分别展示了频率突变时的锁相结果。可见经本文改进的锁相环算法既能应对一定程度的电网谐波干扰，且可以在电网频率出现突变波动时通过快速准确地锁相来获取电网的相位以及频率幅值等信息，另外，本改进策略也能很好地跟踪电网电压。

(a)含有15%的5次谐波与7%的7次谐波输入时

(b)频率变为80%基波频率时

(c)频率变为120%基波频率时图 8 同实验状态下的锁相结果

4 结论

本文分析了传统SOGI-PLL的基本原理和结构，针对正交信号发生器产生的正交信号与理想信号的偏差而导致锁相器输出角频率含有基波二倍频谐波的问题，在PI控制前端采用了改进的陷波滤波器来过滤二倍频谐波，并通过仿真验证了算法的正确性。仿真结果表明，改进的控制算法能有效消除输出角频率中的基波二倍频谐波，在电网电压出现不同频率跳变波动的非正常情况时，改进的锁相环能够快速跟踪电网电压相位和频率，具有良好的动态性能和锁相精度，运用在光伏并网系统中将有效改善其控制效果。

[参考文献]