光伏并網逆變器中鎖相環的比較研究

袁朋生

摘要：可再生能源發電的背景下，光伏太陽能將成為世界上最大的清潔能源來源之一。要將光伏系統產生的電能連接到電網，要求輸出電壓在振幅、相位和頻率上與電網同步。其中，正是鎖相環負責系統的同步工作。文章比較了同步參考系鎖相環、二階廣義積分器鎖相環、增強型鎖相環和正交鎖相環4種鎖相環結構，并對各鎖相環結構的諧波抑制能力進行了評估。

關鍵詞：SRF-PLL；SOGI-PLL；EPLL；QPLL

中圖分類號：TM464? 文獻標志碼：A

0 引言

光伏系統產生的電能可以以兩種方式使用，連接電網或不連接電網。第一種是將光伏系統通過逆變器接入電網。它們可以以單、雙或三相形式接入，如太陽能發電場。第二種形式用于偏遠山區等，直接使用太陽能發電板產生的電能［1］。在第一種方式中，一種稱為鎖相環（Phase-Locked Loop，PLL）的控制系統被廣泛用于確保光伏系統產生的輸出信號與電網的同步，即振幅、相位和頻率相同。幾種基于鎖相環的拓撲實現了這一功能，例如同步參考系鎖相環（Synchronous Reference Frame PLL，SRF-PLL）、二階廣義積分器鎖相環（Second-Order Generalized Integrator PLL，SOGI-PLL）、增強鎖相環（Enhanced PLL，EPLL）和正交鎖相環（Quadrature PLL，QPLL）。

1 鎖相環的結構和原理對比

三相鎖相環結構一般有3個主要模塊，一個鑒相器（PD），一個環路濾波器（LF）或稱為控制器以及一個壓控振蕩器（VCO），如圖1所示。

首先在PD階段，輸入信號與VCO輸出信號進行比較，產生誤差信號。其次，低通濾波器去除信號、噪聲和干擾。最后，利用輸入參考信號的特性，由壓控振蕩器生成正弦信號。鎖相環拓撲結構之間的區別主要在于PD塊結構。本文研究了SRF-PLL，SOGI-PLL，EPLL和QPLL 4種結構。

1.1 SRF-PLL

SRF-PLL結構也被稱為直接四方鎖相環（DQPLL），如圖2所示，由于其結構簡單具有較強的魯棒性，是信號同步最常用的拓撲結構之一［2］。其原理是利用Park變換將輸入的三相信號轉換為dq軸上的兩個分量vd和vq。由壓控振蕩器產生的信號反饋調節變換的角度位置。vq分量輸入的低通濾波器的是一個比例積分（PI）控制器，確保相位跳變和頻率變化的相位誤差為零。當輸入電壓經過濾波和平衡后，SRF-PLL可以實現高帶寬和快速動態響應。當輸入不平衡或失真時，有必要減小帶寬以提高抑制干擾的能力。

1.2 SOGI-PLL

SOGI-PLL也是一種廣泛用于與電網連接的系統同步的拓撲結構，如圖3所示。

將輸入信號轉換為v＇和qv＇的兩個信號，其中第一個分量v＇與輸入信號v同相位，第二個分量滯后于v＇ 90°，傳遞函數可以寫成：

Hd（s）=v′v=Kωs2+Kωs+ω2

Hq（s）=qv′v=Kωss2+Kωs+ω2（1）

其中，K為調節系統過濾容量的參數。K值越小，過濾器的帶寬越窄，然而，它使動態響應變慢［3］。在三相系統中，2個SOGI塊可以組成1個對偶結構，雙SOGI （DSOGI）結構提供了三相信號的正序列。Park變換將輸入的三相信號轉換為兩個dq軸分量。每個分量進入一個SOGI塊，它將輸入信號轉換為相差90°的其他兩個分量，如將vα轉化為v＇α和qv＇α，將vβ轉化為v＇β和qv＇β。為了使輸出信號具有正序列，需要執行式（2）中描述的操作。

v+αβ=121-q

q1vα

vβ（2）

然后，利用Clarke變換將新的α和β分量轉換為dq分量。下面的結構LF和VCO與其他鎖相環拓撲相同。

1.3 EPLL

EPLL是一種改進PD級性能的拓撲結構，如圖4所示。與傳統模型不同的是，除了估計相位和頻率外，EPLL已經在其控制回路中提供了信號幅度信息。該結構提供輸入信號的幅度和輸入信號的濾波版本，并消除波紋［4］。

EPLL的工作原理是鑒相環節相當于輸入濾波器。式（3）中給出的一組方程，給出了頻率ω（t）、相位角θ（t）、振幅A（t）、基本分量y（t）和誤差信號e（t）。

θ·（t）=ω（t）=ωref+Δω（t）

A·（t）=K·e（t）·sin（θ（t））

y（t）=A（t）·sin（θ（t））

e（t）=vin（t）-y（t）（3）

其中，K為幅值收斂速度。對于三相系統，每個相都使用一個單相EPLL。

1.4 QPLL

QPLL是一種估計輸入信號相位和頻率的方法，也估計相位幅值和正交幅值。由于相位檢測過程避免了對誤差信號的非線性依賴，QPLL提供了優于常規鎖相環的性能。QPLL具有高魯棒性的結構，并且其性能不受噪聲和失真的影響，如圖5所示。

QPLL能夠跟隨寬和突然的頻率變化與高速可控。公式（4）中給出了正交振幅Ks（t）和Kc（t），頻率變化量Δω（t），相位角θ（t），基本分量y（t），誤差信號e（t）。

K·s（t）=2μs·e（t）·sin（θ（t））

K·c（t）=2μc·e（t）·cos（θ（t））

θ·（t）=ω（t）=ωref+Δω（t）

y（t）=ks·sin（θ（t））+kc·cos（θ（t））

e（t）=vin（t）-y（t）（4）

PD級考慮輸出幅值為同相幅值和正交幅值之和y（t），誤差信號為輸入信號與輸出信號幅值之差e（t）。誤差信號用于估計相位和正交振幅，也用于估計信號相位。此外，利用相位角的導數來估計頻率。QPLL由以下內部參數控制：μs，μc控制同相和正交振幅收斂。對于三相系統，每個相使用一個單相QPLL。

2 不同鎖相環對諧波抑制能力的研究

本文采用Ziegler-Nichols （ZN）、Chien-Hrones-Reswick （CHR）和時間加權絕對誤差積分（ITAE） 3種常用方法對4種三相鎖相環拓撲結構進行了比較分析。仿真采用MATLAB計算環境，固定步長為1e-4，諧波濾波測試輸入電壓有3，5，7階諧波，幅值均為0.09? V，總失真諧波（THD）為12.72%。各拓撲輸出處的諧波失真率如表1所示。SRF-PLL和SOGI-PLL對這3種調優方法給出了相同的結果。CHR方法在EPLL和QPLL拓撲中表現出較好的性能。筆者觀察到EPLL和QPLL拓撲具有較高的濾波能力。雙SOGI-PLL在拓撲結構中有外部濾波，并在諧波水平上有相當大的降低，大約減半。然而，SRF-PLL的性能最差，因為所選擇的經典拓撲結構不具有濾波能力，因此需要包括一個外部濾波器來清洗輸出信號。值得注意的是，諧波出現在abc/dq0變換的零分量中。

3 結語

本文先對4種鎖相環的原理結構進行了對比分析，總結了4種鎖相環的特點，然后使用3種著名的調優控制方法對4種鎖相環的濾波能力進行了比較，以驗證哪一種控制方法和鎖相環結構具有更好的性能。SRF-PLL結構簡單，魯棒性強，能夠實現高帶寬和快速動態響應，然而這種拓撲結構不能濾除諧波。SOGI-PLL能夠在電網不平衡時分離電網電壓正、負序分量，同時實現頻率跟蹤，這種拓撲結構將系統輸出中的諧波電平大約降低了一半。QPLL具有高魯棒性的結構，并且其性能不受噪聲和失真的影響，該拓撲結構顯示出很強的過濾諧波的能力，使諧波率低于5%。EPLL結構提能供輸入信號的幅度和輸入信號的濾波版本，并消除波紋，被證明是濾波諧波的最佳結構。

參考文獻

［1］王松.太陽能光伏發電與并網技術的應用［J］.電子技術，2022（4）：204-205.

［2］薛慧杰，文曉燕，王曉輝，等.基于改進SRF-PLL的微網電壓同步技術研究［J］.太陽能學報，2017（9）：2412-2417.

［3］荊世博，辛超山，薛靜杰，等.基于二階帶通濾波器的單相鎖相環技術研究［J］.四川電力技術，2021（2）：54-57，69.

［4］何來沛，鄭壽森，祁新梅，等.增強型鎖相環的啟動優化和相頻解耦改進算法［J］.中山大學學報（自然科學版），2020（4）：64-73.

（編輯 王雪芬）

Comparative study of phase locked loop in photovoltaic grid-connected inverters

Yuan? Pengsheng

（Jiangsu Guangshi Electric Co.， Ltd.， Xuzhou 221000， China）

Abstract：? In the context of renewable energy generation， photovoltaic solar energy will become one of the largest sources of clean energy in the world. Connecting the electricity generated by a photovoltaic system to the grid requires that the output voltage be synchronized with the grid in amplitude， phase and frequency. The Phase-Locked Loop （PLL） is responsible for synchronizing the system. This paper compares Synchronous Reference Frame PLL （SRF-PLL） with Second-Order Generalized Integrator PLL（SOGI-PLL）， Enhanced PLL （EPLL） and Quadrature PLL （QPLL） were evaluated for their harmonic suppression capabilities.

Key words： SRF-PLL; SOGI-PLL; EPLL; QPLL