基于改進型鎖相環的單相并網逆變器

羅耀華，凡紹桂，游江

哈爾濱工程大學自動化學院，黑龍江哈爾濱 150001

基于改進型鎖相環的單相并網逆變器

羅耀華，凡紹桂，游江

哈爾濱工程大學自動化學院，黑龍江哈爾濱 150001

單相并網逆變器廣泛地應用在新能源發電領域，它的一個關鍵技術就是對電網電壓的鎖相。分析了基于Park變換的鎖相環原理，并進行了改進。針對并網逆變器采用的LCL濾波器，采用了基于電容電流前饋的有源阻尼控制方案，推導了LCL濾波器的模型，在此基礎上加入電容電流前饋，推導出加入前饋后的數學模型，給出了不同前饋系數的bode圖，分析出不同前饋系數的變化趨勢。通過單相并網逆變器的仿真實驗，驗證了改進型鎖相環和有源阻尼控制的正確性。搭建了硬件平臺，進行了并網硬件實驗，驗證了以上理論的正確性和可行性。

逆變器；并網；單相鎖相環；LCL濾波器；有源阻尼控制；仿真

單相并網逆變器需要采集電網電壓的相位信息才能完成并網。數字單相鎖相環可以實時地鎖相得到電網的相位和幅值信息。單相鎖相環的方法有很多種，例如文獻［1］中基于延時T／4的鎖相環，其對電壓頻率要求高，適合頻率固定的應用；文獻［2］中基于Park變換的鎖相環對低通濾波器的要求非常高，且對調節器的參數比較敏感；文獻［3］中的改進型鎖相環效果比較好，但是需要的計算量比較大。本文采用的是一種改進型鎖相環，其計算簡單，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，低頻段增益大的優點［4］。但是LCL型濾波器是三階欠阻尼的系統，存在諧振環節，易造成系統的不穩定。本文對并網LCL濾波器控制采用了有源阻尼諧振抑制控制技術，有效地抑制了LCL濾波器諧振頻率附近產生的諧振，使并網逆變器穩定性增強。

1 單相并網逆變器結構及數學模型

本文實驗中用到的單相并網逆變器的控制結構如圖1所示。

直流電經過單相全橋逆變器橋臂輸出PWM調制后的方波，再經過LCL濾波器后與電網相連，通過控制輸出側電流與電網電壓同相位實現電流并網。該逆變器廣泛地應用于太陽能、風能等新能源發電領域。

下面介紹逆變器輸出側到網側電流的傳遞函數、LCL濾波器的結構及變量標注，如圖2所示。

圖1 單相并網逆變器的控制結構

圖2 LCL濾波器的結構

圖2中u為逆變器橋臂輸出電壓；e為電網電壓。由圖2可得LCL型濾波器網側電感電流和橋臂輸出電壓的傳遞函數為

根據式（1）可以看出，LCL濾波器是一個三階系統。LCL濾波器具有低頻段增益高，高頻段衰減明顯的優勢，可有效地減小電感體積。但是濾波器存在一個諧振頻率點，易造成系統的不穩，需要在控制上采取措施。

2 改進型單相鎖相環

2．1 改進型單相鎖相環原理

傳統的基于Park反變換的鎖相環，其結構如圖3所示。該種基于瞬時無功理論的單相鎖相環，是在三相鎖相環的基礎上改進得到的，傳統的三相鎖相環是把三相電壓ua、ub、uc變換到兩相靜止αβ坐標系下得到電壓vα、vβ，然后再變換到兩相旋轉坐標系下得到電壓vd、vq，然后再對vd軸進行處理就可以得到三相電壓的相角［5］。但是單相電壓無法形成互相垂直的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，以預估的θ角經Park反變換虛擬出的電壓作為vβ分量，然后再以預估的θ角作為同步旋轉坐標系的旋轉角度得到兩相旋轉坐標系下的量vd、vq，之后就可以對q軸分量進行處理得到鎖相的相角θ′。經分析得，當鎖相環進入穩態時，q軸輸出為零，d軸輸出為被鎖電壓幅值。但是這種方法對低通濾波器的要求比較高，且對PI調節器的參數比較敏感。為此本在該方法的基礎上做了如下改進。

由于穩態后d軸輸出為被鎖電壓幅值［6］，所以可以用d軸輸出電壓vq與預估角的cosθ相乘得到vβ，即vβ＝vdcosθ。在使用vd之前需要對其做低通濾波，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

圖4 改進型鎖相環的結構

2．2 改進型單相鎖相環仿真

筆者通過MATLAB仿真驗證了改進型鎖相環的正確性。仿真結構圖如圖5所示。仿真中用到的坐標變換如下：

圖5 改進型單相鎖相環仿真結構

式中：uα＝usinθ為輸入，uβ＝－udcosθ為虛擬出的β軸分量。當系統達到穩態時，θ角就是旋轉坐標系的旋轉角度，ud＝u為輸入電壓的幅值。

仿真實驗波形如圖6所示。實驗中先測電網在不加入諧波情況，可以看出鎖相環相位和電網相位重合，頻率穩定在50 Hz。在此基礎上加入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重，鎖相環能夠緊跟電網基波相位，輸出頻率在50 Hz上下波動。

圖6 仿真波形

3 LCL濾波器有源阻尼控制

并網逆變器橋臂輸出至電網側的濾波器非常的重要，一方面電網濾波器呈現出感性，使并網逆變器表現出與同步電機和輸電線路相同的特性。另一方面電壓源型逆變器會產生PWM載波和邊帶電壓諧波，這些諧波將引起相應的電流饋入電網。LCL三階低通濾波器［7］能夠對PWM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的效果。

LCL濾波器發生諧振時產生的零阻抗可能會導致電流控制回路失穩［8］。可以通過無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，其控制結構圖7所示。圖7的控制結構可以做如圖8的等效。

圖7 電容電流內環有源阻尼控制框圖

圖8 電容電流內環有源阻尼控制等效框圖

根據等效后的控制系統框圖8，可以得到增加電容電流反饋后，網側電感電流的傳遞函數［10］：

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

圖9 網側電流傳遞函數波特圖

由式（2）可以看出，加入電容電流反饋后，濾波器的阻尼系數增加了，且隨著反饋系數的增加而增大。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的增大而降低。

為了驗證理論的正確性，本文做了MATLAB仿真實驗。仿真參數是直流電壓150 V，交流電網電壓100 V，電網頻率為50 Hz，電流給定幅值20 A，LCL濾波器參數為Li＝0．7 mH，C＝100 μF，Lg＝0．3 mH，開關頻率為20 kHz，電流前饋系數kic＝10。仿真的結構如圖10所示。

圖10 基于改進型鎖相環的逆變器仿真

仿真實驗分別做了沒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 基于改進型鎖相環的逆變器仿真

從仿真結果可以看出在不加電容電流前饋的時候系統的電流發散，系統不穩定；當加入電容電流前饋后系統變為可控的，電流相位和電網相位相同，電流幅值穩定在給定幅值20 A，仿真實驗驗證了LCL濾波器電容電流前饋有源阻尼控制策略正確性。

4 單相并網逆變器實驗

在做了以上的理論研究后，做了硬件實驗，以驗證理論的實際可行性。實驗中LCL濾波器的參數為Li＝0．7 mH，C＝100 μF，Lg＝0．3 mH，開關頻率為4 kHz，電網電壓從調壓器取出為100 V，控制輸出電流為5 A，鎖相環采用本文中所述的改進型鎖相環。測得的實際波形如圖12、13所示。

圖12 電壓相位波形

從圖12中可以看到鎖相環輸出為50 Hz，電網電壓為50 Hz。所以改進型鎖相環可以很好地跟隨電網相位，可以應用在并網逆變器。

圖13 電網電壓和逆變器輸出電流波形

從圖13中可以看出，并網逆變器輸出電流與電網電壓同相位，并網逆變器輸出電流5．09 A，與給定5 A基本相同，而且波形的正弦度很好，達到了并網逆變器的并網要求。實驗結果驗證了以上理論的正確性。

5 結束語

本文采用的改進型鎖相環得到的仿真和實驗效果良好可用于并網逆變器。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濾波器達到很好的控制效果。實際并網中的并網瞬間電流比較大，需要采用一些方法抑制，而且LCL濾波器的設計非常的重要，參數的選擇直接影響到逆變器的控制，這些問題在以后還需要深入研究。

［1］TEODORESCU R．光伏與風力發電系統并網變換器［M］．周克亮，等譯．北京：機械工業出版社，2012：58-59．

［2］陶興華，李永東．一種基于同步旋轉坐標變換的單相鎖相環新算法［J］．電工技術學報，2012，27（6）：147-152．

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

［4］許鐵巖．永磁直驅潮流發電變流器控制技術研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學，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設計［J］．電力自動化設備，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結構的直接雙并聯變換器及控制［J］．電力電子技術，2010，44（2）：29-31．

［8］鮑陳磊，阮新波，王學華，等．基于PI調節器和電容電流反饋有源阻尼的LCL型并網逆變器閉環參數設計［J］．中國電機工程學報，2012，32（25）：133-141．

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

［10］王斯然，呂征宇．LCL型并網逆變器中重復控制方法研究［J］．中國電機工程學報，2010，30（27）：69-76．

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

LUO Yaohua，FAN 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．

國家“863”計劃資助項目（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．