罗耀华，凡绍桂，游江

哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001

基于改进型锁相环的单相并网逆变器

罗耀华，凡绍桂，游江

哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001

单相并网逆变器广泛地应用在新能源发电领域，它的一个关键技术就是对电网电压的锁相。分析了基于Park变换的锁相环原理，并进行了改进。针对并网逆变器采用的LCL滤波器，采用了基于电容电流前馈的有源阻尼控制方案，推导了LCL滤波器的模型，在此基础上加入电容电流前馈，推导出加入前馈后的数学模型，给出了不同前馈系数的bode图，分析出不同前馈系数的变化趋势。通过单相并网逆变器的仿真实验，验证了改进型锁相环和有源阻尼控制的正确性。搭建了硬件平台，进行了并网硬件实验，验证了以上理论的正确性和可行性。

逆变器；并网；单相锁相环；LCL滤波器；有源阻尼控制；仿真

单相并网逆变器需要采集电网电压的相位信息才能完成并网。数字单相锁相环可以实时地锁相得到电网的相位和幅值信息。单相锁相环的方法有很多种，例如文献［1］中基于延时T／4的锁相环，其对电压频率要求高，适合频率固定的应用；文献［2］中基于Park变换的锁相环对低通滤波器的要求非常高，且对调节器的参数比较敏感；文献［3］中的改进型锁相环效果比较好，但是需要的计算量比较大。本文采用的是一种改进型锁相环，其计算简单，锁相效果好。除此之外，本文逆变器输出采用LCL滤波器。LCL型滤波器具有电感量小，低频段增益大的优点［4］。但是LCL型滤波器是三阶欠阻尼的系统，存在谐振环节，易造成系统的不稳定。本文对并网LCL滤波器控制采用了有源阻尼谐振抑制控制技术，有效地抑制了LCL滤波器谐振频率附近产生的谐振，使并网逆变器稳定性增强。

1 单相并网逆变器结构及数学模型

本文实验中用到的单相并网逆变器的控制结构如图1所示。

直流电经过单相全桥逆变器桥臂输出PWM调制后的方波，再经过LCL滤波器后与电网相连，通过控制输出侧电流与电网电压同相位实现电流并网。该逆变器广泛地应用于太阳能、风能等新能源发电领域。

下面介绍逆变器输出侧到网侧电流的传递函数、LCL滤波器的结构及变量标注，如图2所示。

图1 单相并网逆变器的控制结构

图2 LCL滤波器的结构

图2中u为逆变器桥臂输出电压；e为电网电压。由图2可得LCL型滤波器网侧电感电流和桥臂输出电压的传递函数为

根据式（1）可以看出，LCL滤波器是一个三阶系统。LCL滤波器具有低频段增益高，高频段衰减明显的优势，可有效地减小电感体积。但是滤波器存在一个谐振频率点，易造成系统的不稳，需要在控制上采取措施。

2 改进型单相锁相环

2．1 改进型单相锁相环原理

传统的基于Park反变换的锁相环，其结构如图3所示。该种基于瞬时无功理论的单相锁相环，是在三相锁相环的基础上改进得到的，传统的三相锁相环是把三相电压ua、ub、uc变换到两相静止αβ坐标系下得到电压vα、vβ，然后再变换到两相旋转坐标系下得到电压vd、vq，然后再对vd轴进行处理就可以得到三相电压的相角［5］。但是单相电压无法形成互相垂直的αβ轴分量vα、vβ，所以只能采用虚拟的方法。如图3所示单相电压输入作为vα分量，以预估的θ角经Park反变换虚拟出的电压作为vβ分量，然后再以预估的θ角作为同步旋转坐标系的旋转角度得到两相旋转坐标系下的量vd、vq，之后就可以对q轴分量进行处理得到锁相的相角θ′。经分析得，当锁相环进入稳态时，q轴输出为零，d轴输出为被锁电压幅值。但是这种方法对低通滤波器的要求比较高，且对PI调节器的参数比较敏感。为此本在该方法的基础上做了如下改进。

由于稳态后d轴输出为被锁电压幅值［6］，所以可以用d轴输出电压vq与预估角的cosθ相乘得到vβ，即vβ＝vdcosθ。在使用vd之前需要对其做低通滤波，这样得到的效果比较好，如图4所示。

图3 基于反Park变换的锁相环

图4 改进型锁相环的结构

2．2 改进型单相锁相环仿真

笔者通过MATLAB仿真验证了改进型锁相环的正确性。仿真结构图如图5所示。仿真中用到的坐标变换如下：

图5 改进型单相锁相环仿真结构

式中：uα＝usinθ为输入，uβ＝－udcosθ为虚拟出的β轴分量。当系统达到稳态时，θ角就是旋转坐标系的旋转角度，ud＝u为输入电压的幅值。

仿真实验波形如图6所示。实验中先测电网在不加入谐波情况，可以看出锁相环相位和电网相位重合，频率稳定在50 Hz。在此基础上加入5%的3次谐波和5%的5次谐波叠加，可以看出注入后电压波形畸变比较严重，锁相环能够紧跟电网基波相位，输出频率在50 Hz上下波动。

图6 仿真波形

3 LCL滤波器有源阻尼控制

并网逆变器桥臂输出至电网侧的滤波器非常的重要，一方面电网滤波器呈现出感性，使并网逆变器表现出与同步电机和输电线路相同的特性。另一方面电压源型逆变器会产生PWM载波和边带电压谐波，这些谐波将引起相应的电流馈入电网。LCL三阶低通滤波器［7］能够对PWM载波和边带电压谐波每10倍频衰减60dB。所以用LCL滤波器即便电感器和电容器取值很小也能得到不错的效果。

LCL滤波器发生谐振时产生的零阻抗可能会导致电流控制回路失稳［8］。可以通过无缘阻尼和有缘阻尼的方法得到合适的阻尼［9］。本文采用的是基于电容电流反馈的有缘阻尼方案，其控制结构图7所示。图7的控制结构可以做如图8的等效。

图7 电容电流内环有源阻尼控制框图

图8 电容电流内环有源阻尼控制等效框图

根据等效后的控制系统框图8，可以得到增加电容电流反馈后，网侧电感电流的传递函数［10］：

在Li＝0．7 mH，C＝100 μF，Lg＝0．3 mH时作出式（2）的波特图如图9所示。

图9 网侧电流传递函数波特图

由式（2）可以看出，加入电容电流反馈后，滤波器的阻尼系数增加了，且随着反馈系数的增加而增大。由图9可知增加电容电流反馈后，谐振峰值得到了很好地抑制，并且谐振峰值随着反馈系数的增大而降低。

为了验证理论的正确性，本文做了MATLAB仿真实验。仿真参数是直流电压150 V，交流电网电压100 V，电网频率为50 Hz，电流给定幅值20 A，LCL滤波器参数为Li＝0．7 mH，C＝100 μF，Lg＝0．3 mH，开关频率为20 kHz，电流前馈系数kic＝10。仿真的结构如图10所示。

图10 基于改进型锁相环的逆变器仿真

仿真实验分别做了没有电流前馈的电流波形图11（a）和加电流前馈的电流波形图11（b）。

图11 基于改进型锁相环的逆变器仿真

从仿真结果可以看出在不加电容电流前馈的时候系统的电流发散，系统不稳定；当加入电容电流前馈后系统变为可控的，电流相位和电网相位相同，电流幅值稳定在给定幅值20 A，仿真实验验证了LCL滤波器电容电流前馈有源阻尼控制策略正确性。

4 单相并网逆变器实验

在做了以上的理论研究后，做了硬件实验，以验证理论的实际可行性。实验中LCL滤波器的参数为Li＝0．7 mH，C＝100 μF，Lg＝0．3 mH，开关频率为4 kHz，电网电压从调压器取出为100 V，控制输出电流为5 A，锁相环采用本文中所述的改进型锁相环。测得的实际波形如图12、13所示。

图12 电压相位波形

从图12中可以看到锁相环输出为50 Hz，电网电压为50 Hz。所以改进型锁相环可以很好地跟随电网相位，可以应用在并网逆变器。

图13 电网电压和逆变器输出电流波形

从图13中可以看出，并网逆变器输出电流与电网电压同相位，并网逆变器输出电流5．09 A，与给定5 A基本相同，而且波形的正弦度很好，达到了并网逆变器的并网要求。实验结果验证了以上理论的正确性。

5 结束语

本文采用的改进型锁相环得到的仿真和实验效果良好可用于并网逆变器。LCL滤波器滤波效果好，且采用基于电容电流反馈的有缘阻尼控制方法可使LCL滤波器达到很好的控制效果。实际并网中的并网瞬间电流比较大，需要采用一些方法抑制，而且LCL滤波器的设计非常的重要，参数的选择直接影响到逆变器的控制，这些问题在以后还需要深入研究。

［1］TEODORESCU R．光伏与风力发电系统并网变换器［M］．周克亮，等译．北京：机械工业出版社，2012：58-59．

［2］陶兴华，李永东．一种基于同步旋转坐标变换的单相锁相环新算法［J］．电工技术学报，2012，27（6）：147-152．

［3］杨恢宏，沈定坤．基于改进锁相环的单相光伏并网逆变器研制［J］．电力电子技术，2011，45（7）：11-13．

［4］许铁岩．永磁直驱潮流发电变流器控制技术研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013：40-45．

［5］吉正华，韦芬卿，杨海英．基于dq变换的三相软件锁相环设计［J］．电力自动化设备，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］李亚西，蒋晓春，朱晓光，等．基于LCL结构的直接双并联变换器及控制［J］．电力电子技术，2010，44（2）：29-31．

［8］鲍陈磊，阮新波，王学华，等．基于PI调节器和电容电流反馈有源阻尼的LCL型并网逆变器闭环参数设计［J］．中国电机工程学报，2012，32（25）：133-141．

［9］王剑斌．小功率非隔离光伏并网逆变器技术研究［D］．北京：北京交通大学，2012：33-35．

［10］王斯然，吕征宇．LCL型并网逆变器中重复控制方法研究［J］．中国电机工程学报，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．

国家“863”计划资助项目（GHME2010GC02）．

罗耀华（1956-），男，教授；

凡绍桂（1989-），男，硕士研究生．

凡绍桂，E-mail：fanshaogui2008＠163．com．