基于改進(jìn)鎖相環(huán)的單相光伏并網(wǎng)逆變器研制

1、定 稿 日 期 :2011-05-30作 者 簡 介 :楊 恢 宏 (1973-, 男 , 湖 南 人 , 碩 士 , 研 究 方 向 為 電 力 電 子 設(shè) 備 開 發(fā) 。1引 言 近年來, 在尋找克服世界能源危機的方法中,光伏發(fā)電系統(tǒng)引起越來越多的關(guān)注,其中光伏并 網(wǎng)逆變器尤其引人注目 。 一般情況下, 為提高有功 利用率, 實行功率因數(shù)為 1的控制策略 。 在整個控 制系統(tǒng)中, 電流控制方式最為關(guān)鍵, 常見電流控制 方法為 PI 控制 、 PR 控制 1, 為實現(xiàn)電流跟蹤零誤 差, 這里對電流實行 PR 控制 。 電壓和電流相位控 制的一個重要環(huán)節(jié)為鎖相環(huán),針對傳統(tǒng)過零捕獲 動態(tài)性能差

2、、 電壓畸變時鎖相效果差等缺點, 這里 利用一種虛擬坐標(biāo)變換的純軟件鎖相環(huán)得到電網(wǎng) 電壓的頻率和相位信息, 為逆變器并網(wǎng)提供基礎(chǔ), 最后通過 Matlab 仿真并搭建樣機平臺驗證了理 論的有效性 。2單相并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)建模2.1單相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)拓?fù)渑c控制結(jié)構(gòu)此處 介 紹的單 相 并網(wǎng)逆 變 器主電 路 及控 制 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1所示 2。直流側(cè)由光伏電池板供電,經(jīng)電容穩(wěn)壓后接到單相逆變橋,逆變橋輸出經(jīng)交流側(cè)濾波電感 L f 和升壓變壓器后, 經(jīng)過并網(wǎng)開關(guān)接到電網(wǎng) 。 其控制 回路采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)基于改進(jìn)鎖相環(huán)的單相光伏并網(wǎng)逆變器研制楊恢宏 , 沈定坤 , 蔣懷貞 ,

3、翟登輝(許繼電氣技術(shù)中心,河南 許昌461000摘 要 :介紹了一種應(yīng)用于單相光伏并網(wǎng)逆變器的改進(jìn)型軟件鎖相環(huán)算法, 可使逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同步 。 將電網(wǎng)電壓通過相位延遲, 得到靜止坐標(biāo)系下 2個正交電壓, 采用虛擬 d , q 坐標(biāo)變換, 經(jīng)過一系列處理后, 得到電網(wǎng)電壓的相位及頻率, 提高了鎖相速度, 消除了諧波干擾, 快速鎖定任意頻率和幅值電網(wǎng)電壓的相位和 頻率 。 利用準(zhǔn)比例諧振(PR 控制器對電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行跟蹤, 實現(xiàn)了無靜差調(diào)節(jié), 外環(huán)采用 PI 調(diào)節(jié)器 。 最后, 通過 Matlab 仿真及樣機實驗分別驗證了基于改進(jìn)軟件鎖相環(huán)的單相并網(wǎng)逆變器的可行性 。關(guān) 鍵 詞 :逆變器

4、;光伏并網(wǎng);軟件鎖相環(huán);單位功率因數(shù) 中圖分類號 :TM464文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A文章編號 :1000-100X (2011 07-0011-03Single -phase Photovoltaic Grid -connected Inverter Based on Improved Phase -locked -loopYANG Hui -hong , SHEN Ding -kun , JIANG Huai -zhen , ZHAI Deng -hui(XJ Electric Company , Xuchang 461000, China Abstract :This paper present

5、s 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 ,

6、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 inte

7、geral (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圖 1 單相并網(wǎng)逆變器主電路及控制拓?fù)涞?45卷第 7期

8、 2011年 7月電力電子技術(shù)Vol.45, No.7July 2011Power Electronics 構(gòu), 首先采樣光伏電池板電壓和電流, 對其進(jìn)行基 于擾動觀測的牛頓插值 MPPT 算法,再經(jīng)過外環(huán) 調(diào)節(jié),同時在交流側(cè)采樣電網(wǎng)電壓,對其進(jìn)行鎖 相, 經(jīng)過電流內(nèi)環(huán), 此處電流內(nèi)環(huán)的輸出和電網(wǎng)電 壓前饋合成調(diào)制波,送給 SPWM 模塊,生成控制 逆變器開關(guān)管開斷的脈沖 。 電網(wǎng)前饋的目的是使 電網(wǎng)電壓對輸出電流影響為零, 從而達(dá)到全補償, 另一方面, 也可減輕電流調(diào)節(jié)器的負(fù)擔(dān) 。 電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器分別為 G 1(s =k p +k i /s , G 2(s =k p +2k r

9、c s /(s 2+2c s+02, 雙閉環(huán)相互 配合, 構(gòu)成并網(wǎng)逆變器控制結(jié)構(gòu) 。 內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器是在 比例諧振的基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種稱為準(zhǔn)比例諧振的 調(diào)節(jié)器, 在基波頻率處增益為無窮大, 能完全消除 穩(wěn)態(tài)誤差 。 2.2單相軟件鎖相環(huán)原理及實現(xiàn)在逆變器的控制系統(tǒng)中,為實現(xiàn)對功率因數(shù) 的控制, 必須首先知道電網(wǎng)電壓的相位, 常用的鎖 相環(huán)一般采用過零檢測, 但其動態(tài)性能差, 且電網(wǎng) 電壓畸變時鎖相效果差 。文獻(xiàn) 3介紹了利用單相電壓信號構(gòu)造兩相正 交電壓信號,另一相信號采用對電壓直接相移 90°來構(gòu)造, 這種移相信號需預(yù)先知道電網(wǎng)電壓周 期, 在具體實現(xiàn)時存在問題, 不易實現(xiàn) 。 故對此鎖

10、 相環(huán)進(jìn)行了改進(jìn) 4,只需給定電網(wǎng)電壓大致的初 始幅值,先算出相對相位角,滯后 90°再乘以幅 值, 即可得兩個相互正交的交流電壓量, 至此可實 現(xiàn)對任意頻率下電網(wǎng)電壓的信號移相 90°,為說 明改進(jìn)軟件鎖相環(huán)的原理,先看兩相靜止坐標(biāo)系 下的標(biāo)幺化電壓:u =Us sin t , u =Us sin (t-/2(1式中:U s 為標(biāo)幺化電壓幅值; 為空間矢量同步旋轉(zhuǎn)角頻 率, =2f , f 一般取工頻 50Hz 。為求得電壓幅值,再將兩相靜止坐標(biāo)系下的 電壓變換到 d , q 坐標(biāo)系下,其變換矩陣為 5:T 2s/2r=sin-cos -cos-sin (2由此得到 d

11、, q 坐標(biāo)系下的分量為:u d u q =sin -cos -cos -sin u u =U scos (-t sin (-t (3 式(3 中, 僅在 t =, u d =U s , u q =0時, d , q 坐標(biāo)系的同步旋轉(zhuǎn)速度與兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓u , u 角頻率同步,鎖相到電網(wǎng)電壓, 得到的即為 單相靜止坐標(biāo)系下的電網(wǎng)角度 t 及 U s , 亦即此時 所要求的電網(wǎng)相位和幅值 。 根據(jù)三角函數(shù)平方和 特性, 可推導(dǎo)出 U s =d q 姨 。在 u q PI 調(diào)節(jié)器后, 與 314rad ·s -1合成, 得到 電網(wǎng)瞬時角頻率, 除以比例系數(shù) 1/2后, 用低通 濾

12、波器濾除諧波分量, 得到電網(wǎng)的瞬時頻率 。圖 2示出單相軟件鎖相環(huán)的實現(xiàn)框圖 。改進(jìn)的軟件鎖相環(huán)解決了采用延時環(huán)節(jié)在不 確定電網(wǎng)確切頻率下的延時 90°的問題,僅需在1/2個工頻周期內(nèi),就可完全鎖住電網(wǎng)的相位,電 網(wǎng)頻率也能隨之很快鎖定 。 2.3單相軟件鎖相環(huán)仿真結(jié)果為實現(xiàn)鎖相, 對 u q 進(jìn)行 PI 調(diào)節(jié), 使其逼近零,達(dá)到鎖相目的 。 在 u q 0時, PI 調(diào)節(jié)器得到 , 加 上電網(wǎng)一般角頻率 100, 即可得到電網(wǎng)實際角頻 率 , 再經(jīng)過一個積分, 加上初始相位后, 得到電 網(wǎng)電壓 u s 的當(dāng)前相位角 。啟動時 u s 頻率 f s =49.5Hz , 在 0.1s

13、時, f s =50Hz , 在 0.15s 時電壓跌落 10%, 由圖 3a 可見, 在 0.1s , f s 變化時, 在很短的時間內(nèi), 即可鎖定 u s 的相位, 在 0.15s 時, u s 發(fā)生 10%的跌落, 鎖相環(huán)的相位鎖 定不受影響 。 但在圖 3b 中, 鎖相環(huán)的輸出頻率稍微 波動, 主要是受初始頻率的影響, 實際情況下, f s 瞬 間波動不可能有 0.5Hz 的情況, 所以在實際中的 影響會減小 。為驗證鎖相環(huán)抗諧波干擾的影響,在 0.05s時電網(wǎng)中加入 20%的 3次諧波分量, 15%的 2次 諧波分量,畸變的 u s 如圖 4a 所示 。 經(jīng)過鎖相環(huán) 后, 瞬間即可得

14、基波電壓相位, 從 0.05s 時的相位 關(guān)系可見, 在 u s 含有諧波時, 對鎖相環(huán)相位影響 幾乎能忽略 。 圖 4b 為含有諧波時, 鎖定的 f s 大小, f s 存在很小波動,基本維持在 49.9550.05Hz 之 間, 可以滿足實際的需要。12通過仿真分析可知,改進(jìn)的純軟件鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓的頻率突變 、諧波干擾 、 幅值突變等情況 下, 均能鎖定基波相位和頻率, 具有很好的靜態(tài)和動態(tài)性能, 可得到電網(wǎng)電壓的相位和頻率, 只要在 軟件實現(xiàn)過程中經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚?完全可實現(xiàn)逆 變器的并網(wǎng)控制 。3并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)仿真和實驗3.1單相并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的仿真利 用 仿 真 軟 件 Ma

15、tlab/Simulink搭 建 了 3kW 單相并網(wǎng)逆變器平臺, 對控制系統(tǒng)的仿真進(jìn)行了驗 證 。 在光照穩(wěn)定時, 逆變器輸出電流幅值為 21A , 圖 5a 為電流內(nèi)環(huán)跟蹤效果 。 在一個工頻周期內(nèi), 逆變器輸出電流完全跟蹤給定電流,實現(xiàn)了電流 內(nèi)環(huán)的無靜差控制 。為提高并網(wǎng)逆變器的發(fā)電效率,一般讓逆變 器運行在功率因數(shù)為 1的狀態(tài)下, 圖 5b 為該情況 下電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流波形 。 由圖可見, 此時逆變 器輸出電流相位與電網(wǎng)電壓相位完全一致,達(dá)到 了預(yù)期效果 。3.2單相并網(wǎng)逆變器樣機實驗為進(jìn)一步驗證算法有效性, 制造了一臺 3kW并網(wǎng)逆變器, 并做了測試實驗 。 主要參數(shù)為:直流側(cè)

16、光伏組件的峰值電壓 265V , 峰值功率 3.5kW , 交流 側(cè)濾波電感 L f =2.5mH , 交流側(cè)濾波器電容 C f =30F , 開關(guān)頻率 f s =10kHz , 變壓器參數(shù):P n =3.5kW , U 1n /U 2n =125V/230V ,直流側(cè)穩(wěn)壓電容 C =3300F ,采 樣頻率為 10kHz 。按照上述參數(shù),得并網(wǎng)逆變器的樣機實驗波 形, 圖 6a 為逆變器直流母線電壓 U dc 波形, 可見 U dc 在光照穩(wěn)定情況下非常穩(wěn)定 。 圖 6b 為 u s 和 i g 的相位關(guān)系,圖中按電動機慣例定義逆變器電壓 電流的方向, 電壓和電流相位完全相反, 實現(xiàn)了功 率

17、因數(shù)為 -1的情況, 這與通常的功率因數(shù)為 1的狀 況一致, 只是定義有差別 。4結(jié) 論單相鎖相環(huán)采用虛擬的 d , q 坐標(biāo)變換方法, 取代了傳統(tǒng)過零捕獲硬件鎖相電路,實現(xiàn)了純軟 件的鎖相環(huán),可實現(xiàn)在電網(wǎng)頻率突變 、 電網(wǎng)含諧 波 、 電網(wǎng)電壓幅值跌落等各種情況下快速準(zhǔn)確鎖 相 、 鎖頻, 得到電網(wǎng)的當(dāng)前信息, 實現(xiàn)并網(wǎng)要求 。 對 電流內(nèi)環(huán)利用比例諧振控制器來實現(xiàn)給定電流和 逆變器輸出電流的無靜差跟蹤, 提高了電流內(nèi)環(huán) 的抗干擾能力, 加快了內(nèi)環(huán)動態(tài)性, 抑制了諧波, 提高了整個逆變器的控制效率; 通過 Matlab 仿真 軟件得到的仿真結(jié)果證明, 這里提出的一種軟件 鎖相環(huán)在單相光伏并網(wǎng)逆變器的應(yīng)用方法是可行 的 。 制作了 3kW 的樣機, 并對其進(jìn)行測試, 由結(jié) 果可見,此處軟件鎖相環(huán)在單相并網(wǎng)逆變器控制 中的應(yīng)用是有效的 。參考文獻(xiàn)1趙清林, 郭小強, 鄔偉揚 . 單相逆變器并網(wǎng)控制技術(shù)研 究 J. 中國電機工程學(xué)報, 2007, 27(16 :60-64. 2沈玉梁, 徐偉新 . 單輸入單相 SPWM 調(diào)制的光伏并網(wǎng) 發(fā)電系統(tǒng)控制規(guī)律的研