基于改进锁相环的单相光伏并网逆变器研制1

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。

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。

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]。

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L f 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

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

（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

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：TM4

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

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 de -lay ，two orthogonal voltage in stationary coordinate system are generated ，virtual d ，q coordinate transformation is em -ployed ，the phase and frequency of grid voltage is obtained and the computing speed of PLL is improved.For achiev -ing 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

图1

单相并网逆变器主电路及控制拓扑

第45卷第7期2011年7月

Vol.45，No.7July 2011

电力电子技术

Power Electronics

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，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G 1（s ）=

k p +k i /s ，G 2（s ）=k p +2k r ωc s /（s 2+2ωc s+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，先看两相静止坐标系下的标幺化电压：

u α=U s sin ωt ，u β=U s sin （

ωt-π/2）（1）

式中：U s 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50Hz 。

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]：T 2s/2r =

sin

θ

-cos θ

-cos

θ-sin θ

θθ

（2）

由此得到d ，q 坐标系下的分量为：

u d

u q θθ=

sin θ

-cos θ-cos θ-sin θθ

θu αu β

θθ=U s

cos （

θ-ωt ）sin （θ-ωt θθ

）（3）式（3）中，仅在ωt =θ，u d =U s ，u q =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

u α，

u β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U s ，亦即此时

所要求的电网相位和幅值。根据三角函数平方和特性，可推导出U s =u d 2+u q 2姨。在u q PI 调节器后，与314rad ·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。

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

为实现锁相，

对u q 进行PI 调节，使其逼近零，达到锁相目的。在u q ≠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u s 的当前相位角。

启动时u s 频率f s =49.5Hz ，在0.1s 时，f s =50Hz ，在0.15s 时电压跌落10%，由图3a 可见，在0.1s ，

f s 变化时，

在很短的时间内，即可锁定u s 的相位，在0.15s 时，u s 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，f s 瞬间波动不可能有0.5Hz 的情况，所以在实际中的影响会减小。

为验证锁相环抗谐波干扰的影响，在0.05s

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u s 如图4a 所示。经过锁相环后，瞬间即可得基波电压相位，从0.05s 时的相位关系可见，在u s 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f s 大小，f s 存在很小波动，基本维持在49.95～50.05Hz 之间，可以满足实际的需要

。

12

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3kW 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21A ，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。

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3kW

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265V ，峰值功率3.5kW ，交流侧滤波电感L f =2.5mH ，交流侧滤波器电容C f =30μF ，开关频率f s =10kHz ，变压器参数：P n =3.5kW ，U 1n /

U 2n =125V/230V ，直流侧稳压电容C =3300μF ，

采样频率为10kHz 。

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U dc 波形，可见U dc 在光照稳定情况下非常稳定。图6b 为u s 和i g 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。

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3kW 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。

参考文献

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沈玉梁，徐伟新．单输入单相SPWM 调制的光伏并网发电系统控制规律的研究[J]．太阳能学报，2004，25（6）：794-798．[3]董祖毅，陈国栋．新型单相软件锁相环的研究[J]．上海电器技术，2006，（4）：31-34．[4]庞

浩，俎云霄，王赞基．一种新型的全数字锁相环[J]．

中国电机工程学报，2003，23（2）：37-41．[5]

王兆安，杨

君，刘进军，等．谐波抑制和无功功率补

偿（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2005．

图4

电网电压含有谐波时的仿真波形

图5

控制系统仿真波形

图6

实验波形

基于改进锁相环的单相光伏并网逆变器研制

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