基于改進(jìn)型鎖相環(huán)的單相并網(wǎng)逆變器

羅耀華，凡紹桂，游江

哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

基于改進(jìn)型鎖相環(huán)的單相并網(wǎng)逆變器

羅耀華，凡紹桂，游江

哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

單相并網(wǎng)逆變器廣泛地應(yīng)用在新能源發(fā)電領(lǐng)域，它的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是對(duì)電網(wǎng)電壓的鎖相。分析了基于Park變換的鎖相環(huán)原理，并進(jìn)行了改進(jìn)。針對(duì)并網(wǎng)逆變器采用的LCL濾波器，采用了基于電容電流前饋的有源阻尼控制方案，推導(dǎo)了LCL濾波器的模型，在此基礎(chǔ)上加入電容電流前饋，推導(dǎo)出加入前饋后的數(shù)學(xué)模型，給出了不同前饋系數(shù)的bode圖，分析出不同前饋系數(shù)的變化趨勢(shì)。通過(guò)單相并網(wǎng)逆變器的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)型鎖相環(huán)和有源阻尼控制的正確性。搭建了硬件平臺(tái)，進(jìn)行了并網(wǎng)硬件實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了以上理論的正確性和可行性。

逆變器；并網(wǎng)；單相鎖相環(huán)；LCL濾波器；有源阻尼控制；仿真

單相并網(wǎng)逆變器需要采集電網(wǎng)電壓的相位信息才能完成并網(wǎng)。數(shù)字單相鎖相環(huán)可以實(shí)時(shí)地鎖相得到電網(wǎng)的相位和幅值信息。單相鎖相環(huán)的方法有很多種，例如文獻(xiàn)［1］中基于延時(shí)T／4的鎖相環(huán)，其對(duì)電壓頻率要求高，適合頻率固定的應(yīng)用；文獻(xiàn)［2］中基于Park變換的鎖相環(huán)對(duì)低通濾波器的要求非常高，且對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)比較敏感；文獻(xiàn)［3］中的改進(jìn)型鎖相環(huán)效果比較好，但是需要的計(jì)算量比較大。本文采用的是一種改進(jìn)型鎖相環(huán)，其計(jì)算簡(jiǎn)單，鎖相效果好。除此之外，本文逆變器輸出采用LCL濾波器。LCL型濾波器具有電感量小，低頻段增益大的優(yōu)點(diǎn)［4］。但是LCL型濾波器是三階欠阻尼的系統(tǒng)，存在諧振環(huán)節(jié)，易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。本文對(duì)并網(wǎng)LCL濾波器控制采用了有源阻尼諧振抑制控制技術(shù)，有效地抑制了LCL濾波器諧振頻率附近產(chǎn)生的諧振，使并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性增強(qiáng)。

1 單相并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

本文實(shí)驗(yàn)中用到的單相并網(wǎng)逆變器的控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

直流電經(jīng)過(guò)單相全橋逆變器橋臂輸出PWM調(diào)制后的方波，再經(jīng)過(guò)LCL濾波器后與電網(wǎng)相連，通過(guò)控制輸出側(cè)電流與電網(wǎng)電壓同相位實(shí)現(xiàn)電流并網(wǎng)。該逆變器廣泛地應(yīng)用于太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源發(fā)電領(lǐng)域。

下面介紹逆變器輸出側(cè)到網(wǎng)側(cè)電流的傳遞函數(shù)、LCL濾波器的結(jié)構(gòu)及變量標(biāo)注，如圖2所示。

圖1 單相并網(wǎng)逆變器的控制結(jié)構(gòu)

圖2 LCL濾波器的結(jié)構(gòu)

圖2中u為逆變器橋臂輸出電壓；e為電網(wǎng)電壓。由圖2可得LCL型濾波器網(wǎng)側(cè)電感電流和橋臂輸出電壓的傳遞函數(shù)為

根據(jù)式（1）可以看出，LCL濾波器是一個(gè)三階系統(tǒng)。LCL濾波器具有低頻段增益高，高頻段衰減明顯的優(yōu)勢(shì)，可有效地減小電感體積。但是濾波器存在一個(gè)諧振頻率點(diǎn)，易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)，需要在控制上采取措施。

2 改進(jìn)型單相鎖相環(huán)

2．1 改進(jìn)型單相鎖相環(huán)原理

傳統(tǒng)的基于Park反變換的鎖相環(huán)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該種基于瞬時(shí)無(wú)功理論的單相鎖相環(huán)，是在三相鎖相環(huán)的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的，傳統(tǒng)的三相鎖相環(huán)是把三相電壓ua、ub、uc變換到兩相靜止αβ坐標(biāo)系下得到電壓vα、vβ，然后再變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下得到電壓vd、vq，然后再對(duì)vd軸進(jìn)行處理就可以得到三相電壓的相角［5］。但是單相電壓無(wú)法形成互相垂直的αβ軸分量vα、vβ，所以只能采用虛擬的方法。如圖3所示單相電壓輸入作為vα分量，以預(yù)估的θ角經(jīng)Park反變換虛擬出的電壓作為vβ分量，然后再以預(yù)估的θ角作為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的量vd、vq，之后就可以對(duì)q軸分量進(jìn)行處理得到鎖相的相角θ′。經(jīng)分析得，當(dāng)鎖相環(huán)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，q軸輸出為零，d軸輸出為被鎖電壓幅值。但是這種方法對(duì)低通濾波器的要求比較高，且對(duì)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)比較敏感。為此本在該方法的基礎(chǔ)上做了如下改進(jìn)。

由于穩(wěn)態(tài)后d軸輸出為被鎖電壓幅值［6］，所以可以用d軸輸出電壓vq與預(yù)估角的cosθ相乘得到vβ，即vβ＝vdcosθ。在使用vd之前需要對(duì)其做低通濾波，這樣得到的效果比較好，如圖4所示。

圖3 基于反Park變換的鎖相環(huán)

圖4 改進(jìn)型鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)

2．2 改進(jìn)型單相鎖相環(huán)仿真

筆者通過(guò)MATLAB仿真驗(yàn)證了改進(jìn)型鎖相環(huán)的正確性。仿真結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。仿真中用到的坐標(biāo)變換如下：

圖5 改進(jìn)型單相鎖相環(huán)仿真結(jié)構(gòu)

式中：uα＝usinθ為輸入，uβ＝－udcosθ為虛擬出的β軸分量。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，θ角就是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度，ud＝u為輸入電壓的幅值。

仿真實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。實(shí)驗(yàn)中先測(cè)電網(wǎng)在不加入諧波情況，可以看出鎖相環(huán)相位和電網(wǎng)相位重合，頻率穩(wěn)定在50 Hz。在此基礎(chǔ)上加入5%的3次諧波和5%的5次諧波疊加，可以看出注入后電壓波形畸變比較嚴(yán)重，鎖相環(huán)能夠緊跟電網(wǎng)基波相位，輸出頻率在50 Hz上下波動(dòng)。

圖6 仿真波形

3 LCL濾波器有源阻尼控制

并網(wǎng)逆變器橋臂輸出至電網(wǎng)側(cè)的濾波器非常的重要，一方面電網(wǎng)濾波器呈現(xiàn)出感性，使并網(wǎng)逆變器表現(xiàn)出與同步電機(jī)和輸電線路相同的特性。另一方面電壓源型逆變器會(huì)產(chǎn)生PWM載波和邊帶電壓諧波，這些諧波將引起相應(yīng)的電流饋入電網(wǎng)。LCL三階低通濾波器［7］能夠?qū)WM載波和邊帶電壓諧波每10倍頻衰減60dB。所以用LCL濾波器即便電感器和電容器取值很小也能得到不錯(cuò)的效果。

LCL濾波器發(fā)生諧振時(shí)產(chǎn)生的零阻抗可能會(huì)導(dǎo)致電流控制回路失穩(wěn)［8］。可以通過(guò)無(wú)緣阻尼和有緣阻尼的方法得到合適的阻尼［9］。本文采用的是基于電容電流反饋的有緣阻尼方案，其控制結(jié)構(gòu)圖7所示。圖7的控制結(jié)構(gòu)可以做如圖8的等效。

圖7 電容電流內(nèi)環(huán)有源阻尼控制框圖

圖8 電容電流內(nèi)環(huán)有源阻尼控制等效框圖

根據(jù)等效后的控制系統(tǒng)框圖8，可以得到增加電容電流反饋后，網(wǎng)側(cè)電感電流的傳遞函數(shù)［10］：

在Li＝0．7 mH，C＝100 μF，Lg＝0．3 mH時(shí)作出式（2）的波特圖如圖9所示。

圖9 網(wǎng)側(cè)電流傳遞函數(shù)波特圖

由式（2）可以看出，加入電容電流反饋后，濾波器的阻尼系數(shù)增加了，且隨著反饋系數(shù)的增加而增大。由圖9可知增加電容電流反饋后，諧振峰值得到了很好地抑制，并且諧振峰值隨著反饋系數(shù)的增大而降低。

為了驗(yàn)證理論的正確性，本文做了MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)。仿真參數(shù)是直流電壓150 V，交流電網(wǎng)電壓100 V，電網(wǎng)頻率為50 Hz，電流給定幅值20 A，LCL濾波器參數(shù)為L(zhǎng)i＝0．7 mH，C＝100 μF，Lg＝0．3 mH，開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz，電流前饋系數(shù)kic＝10。仿真的結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 基于改進(jìn)型鎖相環(huán)的逆變器仿真

仿真實(shí)驗(yàn)分別做了沒(méi)有電流前饋的電流波形圖11（a）和加電流前饋的電流波形圖11（b）。

圖11 基于改進(jìn)型鎖相環(huán)的逆變器仿真

從仿真結(jié)果可以看出在不加電容電流前饋的時(shí)候系統(tǒng)的電流發(fā)散，系統(tǒng)不穩(wěn)定；當(dāng)加入電容電流前饋后系統(tǒng)變?yōu)榭煽氐模娏飨辔缓碗娋W(wǎng)相位相同，電流幅值穩(wěn)定在給定幅值20 A，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了LCL濾波器電容電流前饋有源阻尼控制策略正確性。

4 單相并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)

在做了以上的理論研究后，做了硬件實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證理論的實(shí)際可行性。實(shí)驗(yàn)中LCL濾波器的參數(shù)為L(zhǎng)i＝0．7 mH，C＝100 μF，Lg＝0．3 mH，開(kāi)關(guān)頻率為4 kHz，電網(wǎng)電壓從調(diào)壓器取出為100 V，控制輸出電流為5 A，鎖相環(huán)采用本文中所述的改進(jìn)型鎖相環(huán)。測(cè)得的實(shí)際波形如圖12、13所示。

圖12 電壓相位波形

從圖12中可以看到鎖相環(huán)輸出為50 Hz，電網(wǎng)電壓為50 Hz。所以改進(jìn)型鎖相環(huán)可以很好地跟隨電網(wǎng)相位，可以應(yīng)用在并網(wǎng)逆變器。

圖13 電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電流波形

從圖13中可以看出，并網(wǎng)逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位，并網(wǎng)逆變器輸出電流5．09 A，與給定5 A基本相同，而且波形的正弦度很好，達(dá)到了并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了以上理論的正確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用的改進(jìn)型鎖相環(huán)得到的仿真和實(shí)驗(yàn)效果良好可用于并網(wǎng)逆變器。LCL濾波器濾波效果好，且采用基于電容電流反饋的有緣阻尼控制方法可使LCL濾波器達(dá)到很好的控制效果。實(shí)際并網(wǎng)中的并網(wǎng)瞬間電流比較大，需要采用一些方法抑制，而且LCL濾波器的設(shè)計(jì)非常的重要，參數(shù)的選擇直接影響到逆變器的控制，這些問(wèn)題在以后還需要深入研究。

［1］TEODORESCU R．光伏與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)變換器［M］．周克亮，等譯．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：58-59．

［2］陶興華，李永東．一種基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的單相鎖相環(huán)新算法［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（6）：147-152．

［3］楊恢宏，沈定坤．基于改進(jìn)鎖相環(huán)的單相光伏并網(wǎng)逆變器研制［J］．電力電子技術(shù)，2011，45（7）：11-13．

［4］許鐵巖．永磁直驅(qū)潮流發(fā)電變流器控制技術(shù)研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013：40-45．

［5］吉正華，韋芬卿，楊海英．基于dq變換的三相軟件鎖相環(huán)設(shè)計(jì)［J］．電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31（4）：2-3．

［6］KAURA V，BLASKO V．Operation of a phase locked loop sys-tem under distorted utility conditions［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，1997，33（1）：58-63．

［7］李亞西，蔣曉春，朱曉光，等．基于LCL結(jié)構(gòu)的直接雙并聯(lián)變換器及控制［J］．電力電子技術(shù)，2010，44（2）：29-31．

［8］鮑陳磊，阮新波，王學(xué)華，等．基于PI調(diào)節(jié)器和電容電流反饋有源阻尼的LCL型并網(wǎng)逆變器閉環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（25）：133-141．

［9］王劍斌．小功率非隔離光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)研究［D］．北京：北京交通大學(xué)，2012：33-35．

［10］王斯然，呂征宇．LCL型并網(wǎng)逆變器中重復(fù)控制方法研究［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（27）：69-76．

Single-phase grid-connected inverter based on improved phase-locked-loop

LUO Yaohua，F(xiàn)AN Shaogui，YOU Jiang
College of Automation，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

Single-phase grid-connected inverter is widely used in the field of new energy power generation，one of its key technologies is phase locked loop of the power grid voltage．The principle of the phase-locked loop based on Park transform was analyzed，and some improvements were made on the basis of this method．For the LCL filter used in the grid-connected inverter，the active damping control scheme based on capacitive current feed-forward was adopted．First the LCL filter model was deduced，on the base of this model the capacitor current feed-forward was added．On the basis of this model the bode diagram was built at different feed-forward coefficient and the change trend at different feed-forward coefficient was analyzed．Then the simulation experiment of single phase grid-connected inverter was made and the hardware platform of it was set up，which verified the correctness of the im-proved phase-locked loop and the active damping control．

inverter；grid-connected；single-phase phase-locked loop；LCL filter；active damping control；simulation

TM464

A

1009-671X（2014）03-0046-05

10．3969／j．issn．1009-671X．201307019

2013-7-23．

國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目（GHME2010GC02）．

羅耀華（1956-），男，教授；

凡紹桂（1989-），男，碩士研究生．

凡紹桂，E-mail：fanshaogui2008＠163．com．