基于广义积分器的光伏并网锁相环改进方法

朱妍雯 姚景昆 刘毅

摘 要：随着国家对分布式发电的大力扶持，分布式光伏发电系统在我国的装机容量逐年增加，但对于光伏并网所带来的电能质量的干扰是研究的重点问题。因此对光伏发电的本质机理进行研究，分析光伏并网中的电网电压定向控制策略以及光伏并网中的锁相问题。针对常规锁相方法所存在相位误判和失步的问题，提出一种基于广义积分器的锁相环改进方法。仿真结果表明在低频下，该方法能够有效分析正负序，明显提高了锁相精度。

关键词：光伏并网；广义积分器；锁相环

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.161

1 引言

全球温室效应的加剧以及人类环保意识的逐步增加，使用可再生能源是当前社会发展的大势所趋。而光伏发电是目前较为代表性的可再生能源，光能是完全无污染的可再生能源，电能是各类能源系统转换的良好媒介。因此光伏发电在世界范围内得到蓬勃发展。

随着我国大力推进民用光伏系统的部署，小型光伏系统的并网更加容易受到电网扰动的影响，尤其是弱电网效应会对逆变系统造成不利影响。为了提高光伏系统的可靠性，本文从光伏系统的结构出发，分析了锁相控制的可靠性问题，对于光伏系统的应用和推广具有一定的工程价值。

2 光伏并网逆变器基本原理

三相光伏并网逆变器的等效拓扑电路图如图1所示，图中的Udc为光伏该光伏系统的前级输出电压，即光伏电池经过升压和稳压电路输出的直流电压。S1～S6为开关器件，在实际电路中是6个IGBT开关，Ua、Ub、Uc和Ia、Ib、Ic分别是逆变器的三相输出电压和三相输出电流，Lf是逆变器侧电感，Lg是网侧电感，Cf为滤波电容，Uga、Ugb、Ugc是三相电网电压。

根据上述电路拓扑结构，三相逆变系统可以通过坐标变换从不同角度建立系统的数学模型，减少变量，便于后续系统分析和控制器的数字化实现。因此，本文通过建立三相逆变系统的数学模型，对系统进行理论分析和控制方法研究。

则在三相静止坐标系下，三相并网逆变器的电流和电压的传递关系为：

式中，L为整个系统的总电感，由公式可知，该系统之间的变量关系复杂，不利于进行数字化控制。因此通过Clark和Park变换，可以得到并网逆变器在同步旋转坐标系下的状态方程为：

分析上式可知，在dq坐标系下，系统的函数关系明显得到了简化，且变量的数量也更少。但存在交叉耦合项ωLigq和ωLigd，因此在dq轴上的分量方程之间有耦合关系，难以同时实现双轴的精确控制，在实际控制中需要对该系统进一步的解耦，将两部分数学关系相互独立以提供可控性。

3 基于电网电压定向的电流控制策略

前文仔细分析了光伏并网逆变系统的数学关系，通过已经推理出的关系可知，在dq旋转坐标系下系统中的各个控制量均为直流量。根据dq轴下的各分量关系可以计算系统输出的瞬时有功功率和瞬时无功功率如下式所示：

式中的p表示瞬时有功功率，q表示瞬时无功功率。由于在理想状态下的电网系统是三相平衡且对称的系统，即Ugq=0。由此可将上式简化为：

由上式可知，通过控制dq电流分量可以分别独立的控制有功功率和无功功率。根据前文的推导，在dq旋转坐标系下系统的耦合度明显减弱，变量之间的关系也更少，但电流之间仍存在小的耦合项，则必须进行解耦以消除耦合性导致的dq轴参数之间的相互影响。使用经典PI控制法，则在dq坐标系下对电流进行解耦得到的电压分量的关系式为：

上式中的ud和uq分别为给定电压在dq轴上的分量大小，因此实现解耦关系的控制框图如下所示：

至此，完成了对dq轴电压和电流分量的单独控制，即两组分量之间不存在交叉耦合关系，在实际的数字控制系统中能够实现更高的控制精度。但是，当前只是解决了耦合问题，却没有解决光伏并网系统中的相位偏差问题，若要保障光伏并网后的电能质量，则必须要锁定逆变器输出的三相电压的相位，使相位与电网电压一致。

4 基于广义积分器的锁相环改进方法

光伏发电系统随着外部因素的变化，其对逆变器的控制要求也较高，当电网表现出弱电网特性时，传统的过零点检测、反正切函数锁相方法都会有一定的误差。因此本文提出一种基于广义积分器的锁相环控制方法。所提出的控制方法中的核心结构是二阶自适应滤波器，其本质上是一种对正弦信号的带通濾波器，同时产生相位相差90°的正交信号。在两相静止坐标系下，正负序电压分量经过相移运算得到，正交信号由广义积分器（SOGI）产生，其控制框图如下所示。

图中的输入信号为x，输出信号分别为y、z，从电网中采集的频率为ω，系统的谐振角频率为ω0，则可以推导出传递函数为：

以上两式中k为增益系数。谐振角频率通常为固定值ω0=100π rad/s，其频率特性与k值的选取有很大的关系，D（s）表现为带通滤波器，在ω=ω0处时，信号可以不衰减通过，其余频段信号都有衰减，k的值越小，带通滤波器的带宽越小，同时对其他信号的衰减程度越大，Q（s）表现为低通滤波器，在ω=ω0处时，信号开始衰减，衰减程度随着k值的增加而减小，同时输出信号相位滞后90°，呈现相移滤波特性。

因此，当三相电网电压输入信号变换到两相静止坐标系下，通过二阶广义积分器和经过适当运算就可以实现正负序变量分离：

根据以上公式，可以分离出电网电压的正序分量，并将其产生的信号作为输入信号，从而计算出正确的电网相位信息。

基于二阶广义积分器的锁相环在本质上是属于前置滤波器的同步旋转坐标系锁相环的范畴，但与加入低通滤波器的方法相比，其不同点在于它没有在dq坐标系以消除二倍频振荡为目的，笼统的设定截止频率，而是在αβ坐标系中，通过其本身具有的相移特性，再经计算实现正负序的分离，不仅可以在电网不平衡状态下得到相位信息，而且还可以有效抑制电网谐波对锁相环造成的影响，是在弱电网环境下保证锁相环精度的一种有效方法。

5 仿真结果分析

在Matlab/Simulink仿真软件中建立了基于广义积分器的光伏并网锁相环的仿真模型，同时采用了SOGI滤波器对正负序分量进行了分离。在仿真软件中分析了电网电压不平和时该方法的锁相能力，仿真结果如图4所示。图4（a）表明，当电网电压不平衡时，在启动的瞬间其测量的角度存在较大的误差，但是在一个周期后即进入稳定。图4（b）同样表明，当电网中存在较大的谐波时，通过广义积分器的方法可以有效进行锁相。两组不同的工况仿真结果表明了改进后的锁相环能够有效滤除负序和谐波分量，消除其对锁相造成的影响，提高了相角计算的精度。

此外，进一步的分析图4（b）可知，仿真给定的电网电压为非对称高谐波的电压信号，而锁相环依然可以精准计算出相角，可见该方法在复杂工况下依然具有很高的计算精度。

6 结论

本文首先分析了光伏系统的基本结构和三相全桥逆变系统的拓扑模型。针对逆变器的模型推理了在三相静止坐标系和同步旋转坐标系下的数学模型。在此基础上分析了光伏并网中存在的交叉耦合问题，推导了基于电网电压定向的dq轴解耦电流控制方法。文章重点分析了光伏并网锁相环的可靠性问题，研究了基于广义积分器的光伏并网锁相改进方法，仿真结果表明了该方法在电网电压不平衡以及含有较大谐波时都具有较高的可靠性。

参考文献：

[1]金曼，苏建徽.光伏并网逆变器中的单相数字锁相环研究[J].电力电子技术，2011，45（06）：6-8.

[2]楊国韬，孙志毅，刘立群.基于坐标系变换的并网锁相环性能分析[J].自动化仪表，2013，34（05）：60-65.

[3]罗劲松，王金梅，张小娥.基于dq锁相环的改进型光伏电站并网点电压跌落检测方法研究[J].电测与仪表，2014，51（05）：51-55.

[4]赵贵龙，祝龙记，曹玲玲等.基于光伏并网低电压穿越的改进锁相环设计[J].电器与能效管理技术，2014（06）：28-32.

[5]姬秋华，杜炜，陈灵奎等.光伏并网逆变器的锁相环设计及预同步控制[J].电力电子技术，2013，47（11）：25-26.

[6]赵贵龙，祝龙记，曹玲玲.光伏并网逆变系统低压穿越新型锁相环的设计[J].电力电子技术，2014，48（08）：8-10.

基金项目：河南省重点研发与推广专项（科技攻关）项目（No.182102210258）；河南省教育厅科学技术研究重点项目（编号：14A470003）

作者简介：朱妍雯（1990-），女，河南新乡人，硕士，助教，主要从事智能控制研究。