第４６卷第５期 ２０１２年５月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｏｎｉｒｃｓ Ｖｏ１．４６，Ｎｏ．５ Ｍａｖ ２０１２ 弱电网条件下单相光伏并网逆变器的控制研究 鲁 力，刘 芳，张 兴，朱德斌 （合肥工业大学，安徽合肥２３０００９） 摘要：单相全桥逆变器单极性正弦脉宽调制（ＳＰＷＭ）相对于双极性调制损耗低，电磁干扰少，更适用于逆变控 制，但该调制方式存在一个过零点振荡。在弱电网条件下，由于电网波形畸变，对电网电压的过零点处理尤为 关键。针对过零点问题，在并网条件下，采用基于二阶广义积分器（ＳＯＧＩ）的单相锁相环检测电网电压过零点， 与传统的过零鉴相相比，具有良好的效果，并在一台４ ｋＷ的单相光伏并网逆变器上得到了验证。 关键词：逆变器：单极性；过零点振荡；弱电网 中图分类号：ＴＭ４６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１２）０５—００３６—０３ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ Ｓｉｎｇｌｅ・－ｐｈａｓｅ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｇｒｉｄ—－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｉｎ ａ Ｗｅａｋ Ｇｒｉｄ ＬＵ Ｌｉ，ＬＩＵ Ｆａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉｎｇ，ＺＨＵ Ｄｅ—ｂｉｎ （Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｏｎｏｐｏｌｅ ＳＰＷＭ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｈａｓ ｍｅｒｉｔｓ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ｌｏｓｓ，ｌｏｗｅｒ ＥＭＩ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｂｉｐｏｌａｒ ＳＰＷＭ ｉｎｖｅｒｔｅｒ． Ｉｔ’Ｓ ｆｉｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ＳＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈａｎ ｏｔｈｅｒｓ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｂｕｔ ｔｈｅ ｍｏｎｏｐｏｌｅ ＳＰＷＭ ｓｔｉｌｌ ｈａｓ ｉｔｓ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ，ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｐｏｉｎｔ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ．Ｉｎ ａ ｗｅａｋ ｇｒｉｄ，ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｇｒｉｄ ａｂｅｙａｎｃｅ，ｉｔ’Ｓ ｋｅｙ ｏｆ ｄｅａｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｐｏｉｎｔ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｐｏｉｎｔ，ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｉｎ ａ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｇｒｉｄ，ａｄｏｐｔｉｎｇ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ—ｌｏｃｋｅｄ—ｌｏｏｐ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｅｃｏｎｄ ｏｒｄｅｒ ｇｅｎｅｒａｌ－ ｉｚｅｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ（ＳＯＧＩ）ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｐｏｉｎｔ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｌ１ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｃａｐｔｕｒｅ，ｉｔ ｈａｓ ａ ｗｅｌｌ ｅｆｆｅｃｔ．Ｔｈｅ ｍｏｔｈｅｄ ｉｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｎ ａ ４ ｋＷ ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｍｏｎｏｐｏｌｅ；ｚｅｒｏ ｐｏｉｎｔ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ；ｗｅａｋ ｇｒｉｄ ｝ ｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ． １ 引 言 全桥逆变器单极性控制仅采用一对高频开 关，相对于双极性控制具有损耗低、电磁干扰小、 无开关频率级谐波等优点．正在取代双极性逆变 控制方式。但由于控制环路的延时作用，特别是弱 ２并网逆变器系统原理 ２．１ 弱电网 传统的变换器是将电网视为理想的电压源， 或者看作输出阻抗可以忽略的光伏发电机。但如 果考虑分布式发电系统的并网模型，理想的电网 模型不再适用。在偏远的农村地区，光伏变换器将 电能从长输电线路输送过来，电网阻抗不可忽略， 电网和光伏发电系统联系比较弱。即所谓的弱电 网【”．弱电网阻抗可能造成变换器控制环不稳定，电 电网条件下，电网波形畸变，如果电网电压过零点 检测不准确，单极性控制方式的逆变器会出现明 显的过零点振荡，从而引起电网振荡。 在弱电网条件下，针对过零点鉴相存在的缺 陷，可采用基于ＳＯＧＩ的软件锁相技术，以快速精 确地获取电网电压频率、幅值及相位信息，实现并 网逆变器的单位功率因数运行．避免了过零点振 网电压畸变是弱电网的特征之一。弱电网的等效 模型如图１所示。 荡。在此分析了弱电网产生的机理及其对过零点 检测的影响、并网逆变器的结构和模型．以及基于 为理想电网电压；“ 为弱电网电压；ｉ 为并网电流。 ＳＯＧＩ的单相锁相环控制。在弱电网条件下，与过 零鉴相相比，基于ＳＯＧＩ的单相锁相环能精确地检 测电网过零点，避免过零点振荡。 图１ 弱电网等效模型 Ｆｉｇ．１ Ｗｅａｋ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｍｏｄｅｌ Ｕｇ ｒ＝ｆ ｇ＋ｆｇＲｇ＋ｌｆｇ 定稿日期：２０１１一ｌ１—０２ ， （１） 阻抗值大小反映了分布式电源与电网 作者简介：鲁 力（１９８６一），男，湖北浠水人，硕士研究生 研究方向为光伏发电技术。 ３６ 联系的紧密程度，模型简单，适合于研究非理想电 网引起的干扰对控制系统的影响【 。 弱电网条件下单相光伏并网逆变器的控制研究 ２．２系统结构 并网逆变器系统结构如图２所示．系统直流 侧由太阳能光伏阵列经ＤＣ／ＤＣ升压电路获得。逆 变桥输出经过ＬＣＬ滤波器连接到电网上，ＶＴ，，ＶＴ２ 是工频调制，ＶＴ３，ＶＴ４是高频调制。由于开关频率 （１６ ｋＨｚ）远高于电网频率，因此，为便于分析，忽 略开关动作对系统的影响．将ＰＷＭ逆变单元近似 为一增益环节Ｋ一，忽略滤波电感和电容的寄生电 阻。逆变器输出电流反馈控制是采用逆变器输出 电流 作为反馈控制量来实现对ｉ 的间接控制， 图３示出控制框图。 ｃ ． ｌ 接入点Ｉ公共 ： — 皇 卜＿ 堇刍鲨 图２并网逆变器原理图 Ｆｉｇ．２ Ｇｒｉｄ・ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ 图３逆变器并网电流反馈控制框图 Ｆｉｇ．３ Ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ 令Ｌ＝Ｌ２＋ ，Ｇ（ｓ）＝ ＋Ｊ｝ｉ／ｓ，贝０有： Ｄ ，１ ５）＝孚ｉＡ ｌｌ＊ｓ）＋旱 Ａ （２） 式中：Ａ＝ＬＩＬＣｓ ＋［ＬｌＣＲｇ＋ Ｇ ｓ）ＳＩ ＋ ｌ＋ ＋Ｒｇ Ｐ Ｇ ｓ）Ｉｓ＋ Ｒｇ＋ Ｇ（ｓ）；Ｂ＝Ｌｃ ： ｌＧ（ｓ）ｓ ＋Ｒｇ Ｇ ｓ） ＋ ｒｐ帅Ｇ（５）；ｃ＝ （ Ｃ ＋ＲｇＣｓ＋１） ｇ—ｕｇ 。 图３所示系统的并网电流传递函数如式（２）， 由于弱电网电压前馈ｕ 检测等原因，使不能完全抵 消ｕ 的扰动。由式（２）可见，输出并网电流的传递 函数存在电网电压误差的一项Ｃ／Ａ．该误差项使 桥臂侧ｉ 波动，进而影响网侧ｉ 的波动，造成ｕ 的畸变，而单极性ＳＰＷＭ需要精确检测 的过零 点，因此在弱电网条件下．准确检测电网电压的过 零点，避免过零点振荡，是单极性ＳＰＷＭ的关键。 ２．３ 基于ＳＯＧＩ的单相锁相环技术分析 锁相环能在非理想电网环境下（相位突变、电 压跌落或骤升、频率变化、谐波污染）快速而精确 获取电网电压的信息。特别在弱电网条件下，传统 的过零鉴相锁相能力差，抗干扰能力有限，而基于 ＳＯＧＩ的单相锁相技术能快速准确地获取电网的 频率、幅值和相位信息，实现单位功率因数运行， 并能避免单极性调制过程中出现的过零点振荡。 针对单相并网系统．为了采用同步旋转坐标方法。 实现两相直角坐标系的数字锁相控制。必须构造 一个正交信号发生器产生两相的正交信号。 文献［２］采用反Ｐａｒｋ变换、希尔伯特变换、传 输延迟的方法。在构建正交信号发生器的环节上 存在滤波延时与动态性能较差等问题。在弱电网 的条件下。不能实现精确的锁相控制。从而避免过 零点振荡。图４示出基于ＳＯＧＩ的单相锁相环，主 要是由输入信号 通过基于ＳＯＧＩ的正交信号发 生器构造出两相静止坐标系下的正交信号 ． ｑ ，如图５所示。 图４基于ＳＯＧＩ的单相锁相环 Ｆｉｇ．４ Ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＯＧＩ 二为谐振角频率；ｋ为闭环系统带宽影响因子。 图５基于ＳＯＧＩ的正交信号发生器 Ｆｉｇ．５ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＯＧＩ 图５所示的正交信号发生器『３１能快速准确地 产生两相正交信号Ｖ ，ｑ 。由图５可知： ＪＤ（ｓ）＝ ） ｓ）＝ｋｔｏｓ／（ｓ ＋．ｊ｝ ＋∞ ） ， 【Ｑ（ｓ）＝ｑｖ （ｓ）／ｖ（ｓ）＝ｋｔｏ ／（ｓ２＋ｋｔｏｓ＋ｍ ） 该正交信号发生器实现单相锁相环技术有以 下优点【４】：①产生一个正交信号：②对正交信号的 滤波不产生延时：③频率能够自适应。该正交信号 发生器闭环传递函数Ｄ（ｓ）的波特图和阶跃响应 如图６所示。由图可见，Ｄ（ｓ）是一个带通滤波器， 其带宽由比例系数ｋ决定．与锁相环的中心频率 无关．通过合理调整ｋ值可以很好地解决响应速 度与滤波延时之间的矛盾，并且，在谐振频率处， 增益无衰减。 ∞２ 逵～２ …：毪籍穿嚏豢 ：辩爹 ： ：馨一６ ： ｉ：￣ｋ ＝Ｏ：：，３１０ —９ ４ 萎二 ｜＝： ／ｒａｄ・Ｓ－Ｉ ｌ／ｍｓ （ａ）波特图 【ｂ）阶跃响应 图６波特图和阶跃响应图 Ｆｉｇ．６ Ｂｏｄｅ ｄｉａｇｒａｍ ａｎｄ ｓｔｅｐ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ３７ 第４６卷第５期 ２０１２年５月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４６，Ｎｏ．５ Ｍａｖ ２０１２ ３实验验证研制了以ＤＳＰ ２８３３５为控制器的单相并网逆 变器，实验参数为：直流侧电压４００ Ｖ；开关频率 １６ ｋＨｚ；功率４ ｋＷ；输出电压２２０ Ｖ；采样频率为 １６ ｋＨｚ；桥臂电感 １＝３ ｍＨ；滤波电容Ｃ＝５ ｉｘＦ；网 侧电感 ：＝Ｏ．７ ｍＨ；并网电流ｉｇ＝１８．１８ Ａ；直流侧 稳压电容４５０ Ｆ。图７示出基于过零鉴相方法和 ４结论 与传统的过零鉴相相比，基于二阶广义积分 器的单相锁相环技术能在弱电网条件下准确检测 电网电压的过零点，避免单极性调制过程中出现 的过零点振荡，实现单位功率因数运行。实验结果 证明了该方法的有效性。 ＳＯＧＩ检测电网过零点的并网电压和电流波形。 ≥ 参考文献 【１】李晟婷，戴训江．弱电网对光伏并网逆变器电流滞环 控制的影响分析［Ｊ］．低压电器，２０１０，５６（２０）：８－１３． 【２］Ｓ Ｍ Ｓｉｌｖａ，Ｌ Ｎ Ａｒｒｕｄａ，Ｂ Ｊ Ｃ Ｆｉｌｈｏ，ｅｔ ａ１．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｅｖａ－ ｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＬＬ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ Ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ Ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ 墨 三 堙 堙 ≥ ８ 晕 蛙 宝 垦 ． Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ａ】．Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，３９ｔｈ ＩＡＳ ｆ／（１０ ｓ／格） ｆｂ）基于ＳＯＧＩ的单相锁相环 Ａｎｎｕａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ［Ｃ］．２００４：２２５９－２２６３． ［３】Ｐ Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ，Ａ Ｌｕｎａ，Ｉ Ｃａｎｄｅｌａ，ｅｔ ａ１．Ｇｒｉｄ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａ— ｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｎｅｒｓ ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ｏｒｄｅｒ 图７实验结果 Ｆｉｇ．７ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ 实验结果表明，在弱电网条件下，采用传统的 过零鉴相捕获电网电压的过零点时．电网电压和 Ｇｅｎｅｒｌａｉｚｅｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒｓ［Ａ］．Ｉｎｄｕｓｔｉｒｌａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．３４ｔｈ Ａｎ－ ｎｕａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ＩＥＥＥ［Ｃ］．２００８：７５５—７６０． 并网电流在过零点处出现振荡：而基于ＳＯＧＩ的单 相锁相环技术能够避免过零点振荡．保证了系统 单位功率因数运行。 （上接第１３页）限制，若在最大回馈电流情况下直 【４】Ｃｉｏｂｏｔａｒｕ Ｍ，Ｔｅｏｄｏｒｅｓｃｕ Ｒ，Ｂｌａａｂｊｅｒｇ Ｆ．Ａ Ｎｅｗ Ｓｉｎｇｌｅ— ｐｈａｓｅ ＰＬＬ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ Ｓｅｃｏｎｄ Ｏｒｄｅｒ Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ［Ａ］．Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｐｅｃｉｌａｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，３７ｔｈ ＩＥＥＥ［Ｃ］．２００６：１—６． ６ 结 论 通过对双Ｈ桥电压胞的控制策略进行分析． 并在此基础上完成了基于ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ的设计．对 ａ相进行实验验证。实验表明了变换器可以完成 近似单位功率因数运行．整流和能量回馈都可以 保证电容两端直流母线电压稳定，具有很高的效 率，该变换器为级联多电平逆变器的四象限运行 奠定了基础，具有一定的实际意义。 流母线电压仍然上升．则由控制单元发出停机指 令，整个系统停止工作。以保护系统不被毁坏。 ５ 实 验 在实验室制作１０ ｋＶＡ样机．对ａ相进行实 验，ＤＳＰ采用Ｆ２８１２，ＦＰＧＡ采用ＥＰ２Ｃ５芯片，ＤＳＰ 与ＦＰＧＡ之间采用数据总线通信，外部地址空间 位于ＺＯＮＥ６．直接利用ＸＺＣＳ６ＡＮＤ７作为片选信 号。输入电压为２２０ Ｖ，经变压器变换为３６ Ｖ，级 联数为３。逆变输出２２０ Ｖ电压，以ａ相为例进行 了实验。整流器开关频率为６．２ ｋＨｚ．逆变器开关 参考文献 【１】Ｐｅｎｇ Ｆ Ｚ，Ｌａｉ Ｊ Ｓ，Ｊｏｈｎ Ｗ Ｍ．Ａ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｏｕｒｃｅ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｗｉｔｈ Ｓｅｐａｒａｔｅ ＤＣ Ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｇｅｎ— 频率为２．２ ｋＨｚ．实验完成了电动和能量回馈运行 方式。图６示出实验波形。 连 《 ｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９６， ３２（５）：１１３０—１１３７． 【２】张崇巍，张兴．ＰＷＭ整流器及其控ＳｔＪ［Ｍ］．北京：机械 忆，等．恒频电流跟踪控制的三 ２ 毒 注 ＞ 工业出版社．２００３． 【３】屈莉莉，杨兆华，秦３６（４）：１２—１４． ｔ／（１０ｍｓ／格） （ｂ）级联逆变器输出电压 相ＰＷＭ可逆变流器的研制［Ｊ］．电力电子技术，２００２， ［４］王长永，金陶涛，张仲超．电流型组合变换器相移ＳＰＷＭ 技术的数学分析［Ｊ］．电工技术学报，２００１，３０（１）：１８—２２． 【５】 刘风君．多电平逆变技术及其应用［Ｍ】．北京：机械工 业出版社．２００７． 禺 ｔ／（１０ｍｓ／格）（ａ）能最回馈时输入电 和电流 图６实验结果 Ｆｉｇ．６ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ３８
