基于改进锁相环的单相光伏并网逆变器研制

Matlab 仿真及样机实验分别验证了基于改进软件锁相环的单相并网逆变器的可行性。
关 键 词 ：逆变器；光伏并网；软件锁相环；单位功率因数
中 图 分 类 号 ：TM464
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1000-100X（2011）07-0011-03
Single-phase Photovoltaic Grid-connected Inverter Based on Improved Phase-locked-loop
稳态误差。
2.2 单相软件锁相环原理及实现
在逆变器的控制系统中，为实现对功率因数
的控制，必须首先知道电网电压的相位，常用的锁
相环一般采用过零检测，但其动态性能差，且电网
电压畸变时锁相效果差。
文献[3]介绍了利用单相电压信号构造两相正
交电压信号，另一相信号采用对电压直接相移
90°来构造，这种移相信号需预先知道电网电压周
通过仿真分析可知，改进的纯软件锁相环在 电网电压的频率突变、谐波干扰、幅值突变等情况 下，均能锁定基波相位和频率，具有很好的静态和 动态性能，可得到电网电压的相位和频率，只要在 软件实现过程中经过适当的处理，完全可实现逆 变器的并网控制。
3 并网逆变器控制系统仿真和实验
3.1 单相并网逆变器控制系统的仿真 利 用 仿 真 软 件 Matlab/Simulink 搭 建 了 3 kW
单相并网逆变器平台，对控制系统的仿真进行了验 证。在光照稳定时，逆变器输出电流幅值为 21 A， 图 5a 为电流内环跟踪效果。在一个工频周期内， 逆变器输出电流完全跟踪给定电流，实现了电流 内环的无静差控制。
为提高并网逆变器的发电效率，一般让逆变 器运行在功率因数为 1 的状态下，图 5b 为该情况 下电网电压与并网电流波形。由图可见，此时逆变 器输出电流相位与电网电压相位完全一致，达到 了预期效果。
第 45 卷第 7 期 2011 年 7 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.45， No.7 July 2011
基于改进锁相环的单相光伏并网逆变器研制
杨恢宏， 沈定坤， 蒋怀贞， 翟登辉 （许继电气技术中心，河南 许昌 461000）
摘 要 ：介绍了一种应用于单相光伏并网逆变器的改进型软件锁相环算法，可使逆变器输出电流与电网电压同
图 5 控制系统仿真波形
3.2 单相并网逆变器样机实验 为进一步验证算法有效性，制造了一台 3 kW
并网逆变器，并做了测试实验。主要参数为：直流侧 光伏组件的峰值电压 265 V，峰值功率 3.5 kW，交流 侧滤波电感 Lf=2.5 mH，交流侧滤波器电容 Cf=30 μF， 开关频率 fs=10 kHz，变压器参数：Pn=3.5 kW，U1n/ U2n=125 V/230 V，直流侧稳压电容 C=3 300 μF，采 样频率为 10 kHz。
为实现锁相，对 uq 进行 PI 调节，使其逼近零， 达到锁相目的。在 uq≠0 时，PI 调节器得到 △ω，加 上电网一般角频率 100π，即可得到电网实际角频 率 ω，再经过一个积分，加上初始相位后，得到电 网电压 us 的当前相位角。
启动时 us 频率 fs=49.5 Hz，在 0.1 s 时，fs=50 Hz， 在 0.15 s 时电压跌落 10%，由图 3a 可见，在 0.1 s， fs 变化时，在很短的时间内，即可锁定 us 的相位， 在 0.15 s 时，us 发生 10%的跌落，锁相环的相位锁 定不受影响。但在图 3b 中，锁相环的输出频率稍微 波动，主要是受初始频率的影响，实际情况下，fs 瞬 间波动不可能有 0.5 Hz 的情况，所以在实际中的 影响会减小。
1引言
近年来，在寻找克服世界能源危机的方法中， 光伏发电系统引起越来越多的关注，其中光伏并 网逆变器尤其引人注目。一般情况下，为提高有功 利用率，实行功率因数为 1 的控制策略。在整个控 制系统中，电流控制方式最为关键，常见电流控制 方法为 PI 控制、PR 控制[1]，为实现电流跟踪零误 差，这里对电流实行 PR 控制。电压和电流相位控 制的一个重要环节为锁相环，针对传统过零捕获 动态性能差、电压畸变时锁相效果差等缺点，这里 利用一种虚拟坐标变换的纯软件锁相环得到电网 电压的频率和相位信息，为逆变器并网提供基础， 最 后 通 过 Matlab 仿 真 并 搭 建 样 机 平 台 验 证 了 理 论的有效性。
构，首先采样光伏电池板电压和电流，对其进行基
于扰动观测的牛顿插值 MPPT 算法，再经过外环 调节，同时在交流侧采样电网电压，对其进行锁
相，经过电流内环，此处电流内环的输出和电网电
压前馈合成调制波，送给 SPWM 模块，生成控制
逆变器开关管开断的脉冲。电网前馈的目的是使
电网电压对输出电流影响为零，从而达到全补偿，
特性，可推导出 Us= 姨ud2+uq2 。 12
在 uq PI 调节器后 ，与 314 rad·s -1 合 成 ，得 到 电网瞬时角频率，除以比例系数 1/2π 后，用低通 滤波器滤除谐波分量，得到电网的瞬时频率。
图 2 示出单相软件锁相环的实现框图。
图 2 单相软件锁相环的实现框图
改进的软件锁相环解决了采用延时环节在不 确定电网确切频率下的延时 90°的问题，仅需在 1/2 个工频周期内，就可完全锁住电网的相位，电 网频率也能随之很快锁定。 2.3 单相软件锁相环仿真结果
图 6 实验波形
4结论
单相锁相环采用虚拟的 d，q 坐标变换方法， 取代了传统过零捕获硬件锁相电路，实现了纯软 件的锁相环，可实现在电网频率突变、电网含谐 波、电网电压幅值跌落等各种情况下快速准确锁 相、锁频，得到电网的当前信息，实现并网要求。对 电流内环利用比例谐振控制器来实现给定电流和 逆 变 器 输 出 电 流 的 无 静 差 跟 踪 ，提 高 了 电 流 内 环 的 抗 干 扰 能 力 ，加 快 了 内 环 动 态 性 ，抑 制 了 谐 波 ， 提高了整个逆变器的控制效率；通过 Matlab 仿真 软 件 得 到 的 仿 真 结 果 证 明 ，这 里 提 出 的 一 种 软 件 锁相环在单相光伏并网逆变器的应用方法是可行 的。制作了 3 kW 的样机，并对其进行测试，由结 果可见，此处软件锁相环在单相并网逆变器控制 中的应用是有效的。
基于改进锁相环的单相光伏并网逆变器研制
图 4 电网电压含有谐波时的仿真波形
按照上述参数，得并网逆变器的样机实验波 形 ，图 6a 为 逆 变 器 直 流 母 线 电 压 Udc 波 形 ，可 见 Udc 在光照稳定情况下非常稳定。图 6b 为 us 和 ig 的相位关系，图中按电动机惯例定义逆变器电压 电流的方向，电压和电流相位完全相反，实现了功 率因数为-1 的情况，这与通常的功率因数为 1 的状 况一致，只是定义有差别。
图 3 仿真波形
为验证锁相环抗谐波干扰的影响，在 0.05 s 时电网中加入 20%的 3 次谐波分量，15%的 2 次 谐波分量，畸变的 us 如图 4a 所示。经过锁相环 后，瞬间即可得基波电压相位，从 0.05 s 时的相位 关系可见，在 us 含有谐波时，对锁相环相位 影 响 几乎能忽略。图 4b 为含有谐波时，锁定的 fs 大小， fs 存在很小波动，基本维持在 49.95～50.05 Hz 之 间，可以满足实际的需要。
步。将电网电压通过相位延迟，得到静止坐标系下 2 个正交电压，采用虚拟 d，q 坐标变换，经过一系列处理后，
得到电网电压的相位及频率，提高了锁相速度，消除了谐波干扰，快速锁定任意频率和幅值电网电压的相位和
频率。利用准比例谐振（PR）控制器对电流内环进行跟踪，实现了无静差调节，外环采用 PI 调节器。最后，通过
另一方面，也可减轻电流调节器的负担。
电压外环和电流内环的调节器分别为 G1（s）= kp+ki/s，G2（s）=kp+2krωcs/（s2+2ωcs+ω02），双闭环相互 配合，构成并网逆变器控制结构。内环调节器是在
比例谐振的基础上改进的一种称为准比例谐振的
调节器，在基波频率处增益为无穷大，能完全消除
直流侧由光伏电池板供电，经电容稳压后接 到单相逆变桥，逆变桥输出经交流侧滤波电感 Lf 和升压变压器后，经过并网开关接到电网。其控制 回路采用电压外环和电流内环的双闭环控制结
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电力电子技术 Power Electronics
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（2）
由此得到 d，q 坐标系下的分量为：
θ θθ θθ θ θ θ ud = sinθ -cosθ
uq -cosθ -sinθ
uα uβ
cos（θ-ωt） =Us sin（θ-ωt）
（3）
式（3）中，仅在 ωt=θ，ud=Us，uq=0 时，d，q 坐标
系的同步旋转速度与两相静止坐标系下的电压
uα，uβ 角频率同步，锁相到电网电压，得 到 的 即 为 单相静止坐标系下的电网角度 ωt 及 Us，亦即此时 所要求的电网相位和幅值。根据三角函数平方和
期，在具体实现时存在问题，不易实现。故对此锁
相环进行了改进 [4]，只 需 给 定 电 网 电 压 大 致 的 初
始幅值，先算出相对相位角，滞后 90°再乘以幅
值，即可得两个相互正交的交流电压量，至此可实
现对任意频率下电网电压的信号移相 90°，为说
明改进软件锁相环的原理，先Βιβλιοθήκη Baidu两相静止坐标系
下的标幺化电压：
uα=Ussinωt， uβ=Ussin（ωt-π/2）
（1）
式中：Us 为标幺化电压幅值；ω 为空间矢量同步旋转角频
率，ω=2πf，f 一般取工频 50 Hz。
为求得电压幅值，再将两相静止坐标系下的
电压变换到 d，q 坐标系下，其变换矩阵为[5]：
θ θ sinθ -cosθ
T2s/2r= -cosθ -sinθ
2 单相并网逆变器控制系统建模
2.1 单相并网逆变器系统拓扑与控制结构 此处介绍的单相并网逆变器主电路及控制
拓扑结构如图 1 所示[2]。
图 1 单相并网逆变器主电路及控制拓扑
定 稿 日 期 ： 2011-05-30 作 者 简 介 ： 杨 恢 宏 （1973- ）， 男 ， 湖 南 人 ， 硕 士 ， 研 究 方 向 为 电力电子设备开发。
YANG Hui-hong， SHEN Ding-kun， JIANG Huai-zhen， ZHAI Deng-hui
（XJ Electric Company，Xuchang 461000，China） Abstract：This paper presents an improved Software Phase-locked-loop（SPLL）algorithm for a single phase photovoltaic grid-connected inverter which arrays synchronizing a sinusoidal current output with a voltage grid.Through a phase delay，two orthogonal voltage in stationary coordinate system are generated，virtual d，q coordinate transformation is employed，the phase and frequency of grid voltage is obtained and the computing speed of PLL is improved.For achieving zero steady state error of current inner loop，quasi-proportion resonant（PR）controller is applied，voltage outer loop employs proportion integeral（PI）controller.Finally，simulation analysis based on Matlab and construction of single-phase grid-connected inverter confirm the theory feasibility of the method. Keywords：inverter；photovoltaic grid-connected；software phase-locked-loop；unity power factor