光伏逆变器三相锁相环技术与仿真

第１０卷第２８期２０１０年１０月１６７１—１８１５（２０１０）２８—７０１１－０３科学技术与工程ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｆｉｎｇＶｏＬ１０Ｎｏ．２８Ｏｃｔ．２０１０＠２０１０Ｓｅｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ．动力技术光伏逆变器三相锁相环技术与仿真张蕾赵玺（中船重Ｔ第７１３研究所，郑州４５００１５）摘要介绍了三相光伏逆变器锁相环的基本组成和原理，并针对同步旋转坐标的实现方法进行了详细的分析。根据锁相环的原理在ＭＡＴＬＡＢ＿ｓｉｍｕｌｉｎｋ上建立三相锁相环的模型，并进行了仿真实验。通过仿真实验结果验证了原理的正确性。关键词锁相环中图法分类号ＴＫ５１光伏逆变器１．８；ＭＡＴＬＡＢ仿真文献标志码Ａ能源是人类发展赖以生存的动力源泉，随着当今世界的迅猛发展，人类对能源需求的１３益增加，使得石油能源１３益枯竭，同时技术的发展对环境造成的影响也日益显著，所以找到一种绿色可再生能源已成为全球共同面临的问题。太阳能作为一种新型的绿色可再生资源越来越多地进入到我们生活的各个领域，其中太阳能发电成为太阳能利Ｈｊ的主要研究方向。光伏逆变器作为太阳能发电系统的主要组成部分，越来越多地受到人们的关注，从而锁相环、最大功率点跟踪等光伏逆变器的主要技术成为近年来的研究热点。控制压控振荡器，从而改变系统内部同步信号的频率和相位，使之与电网电压一致‘１’２］。图１锁相环结构图锁相环的实现方法主要包括：（１）采用硬件电路检测电网电压过零点求得相位差信号，然后用硬件或软件实现锁相１３Ｊ。（２）利用同步旋转坐标变换检测角频率和相位信息。对于三相电路，采用同步１锁相环的荩本组成及主要实现方法为了避免太阳所发电能并人电网后造成电网旋转坐标变换的方法实现锁相环具有更好的动静态特性和较高的准确性。污染，需要保证太阳能发电与电网电压保持同相位，这就要求系统获得电网电压相位角。锁相环就是通过对电网电压的监测与控制得到电网电压相位的技术。锁相环一般由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器及分频器组成，结构如图１所示。其基本工作原理：鉴相器将电网电压和控制系统内部同步信号的相位差信号转变成电压，经过环路滤波器滤波后去２三相锁相环同步旋转坐标变换基本原理与结构在三相锁相环中采用同步旋转坐标变换的方法主要是将在ａｂｃ三相静止坐标系下的电压矢量转化至两相旋转坐标系ｄ．ｑ中。首先将ａｂｃ坐标系转换至ａ田两相静止坐标系，其中ａ轴与三相静止坐标系的ａ轴相重合，当静止的ａ够坐标系开始以一定速度旋转时就形成了旋转ｄ－ｑ坐标系，此时，ｑ轴２０１０年６月７Ｅｔ收到与ａ轴夹角为０，与空间电压矢量口夹角为９”】，如图２所示。万方数据７０１２科学技术与工程１０卷当电网电压幅值，即电压合成矢量Ｕ的幅值不变时，口的ｄ轴分量‰反映了ｑ轴与电网电压的相位关系。Ｍ。＞０，ｑ轴滞后口，应增大同步信号频率；％＜０，ｑ轴超前口，应减小同步信号频率；Ｍ。＝０，ｄ轴与口同相。所以只要控制％＝０，就可以实现太阳能发电和电网电压同相∞Ｊ。６图２矢量相位差示意图坐标转换矩阵为：盱ｃｏｓ日ｃｏｓ（口一孕）ｃｏｓ（ｐ一竽）枷ｓｉｎ（口一竽）ｓｉｎ（口一竽）三相锁相环结构框图如图３所示。其中ａｂｃ／面和ｓｉｎ／ｃｏｓ共同构成鉴相器模块，将一个ＰＩ控制器作为环路滤波器模块，１／Ｓ构成压控振荡器。在系统中加入ｗｔ前馈能够增加系统的稳定性和准确性。图３三相锁相环结构框图通过对三相锁相环工作原理以及基本结构的分析，利用Ｍａｔｌａｂ—ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件对其进行仿真，仿真模型如图４所示。其中三相电网电压可以通过三万方数据个相位互差２∥３的正弦发生器模块构成，ｗｔ取电网标准频率５０Ｈｚ，通过调节控制参数乜、ｋｉ，控制Ｍ。＝０。此时的相位０就是电网电压的相位。图４三相锁相环仿真模型当设定电网电压Ａ相相位为初始∥２，ｋｐ＝０．６，ｋｉ＝０．１５时仿真结果如图５所示。ｂ蜥仿真曲线图５三相锁相环模型仿真曲线通过仿真图可以看出，产生的电压波形通过短时间的调整后和电网电压实现同步，同时，“。也逐３建模与仿真２８期张蕾，等：光伏逆变器＝三相锁相环技术与仿真７０１３渐逼近零。从而验证了通过坐标变换实现三相锁相环的正确性。参考文献ｌ琚兴宝，徐至新，邹建龙，等．基于ＤＳＰ的三相软件锁相环设计．４结论本文介绍了光伏逆变器锁相环技术的基本原理与结构，并针对三相逆变器同步旋转坐标变换的方法进行了详细的分析，利用Ｍａｔｌａｂ—ｓｉｍｕｌｉｎｋ对系统进行了建模与仿真。通过仿真实验验证了该方法在原理上的正确性，为下一步的研究与实验奠定了良好的理论基础。４通信电源技术，２００４；（１０）：ｌ－２２刘飞，徐鹏威，陈围强，等．基于ＬＣＬ滤波器的三相光伏并网控制系统研究．太阳能学报，２００８；（８）：９６７—９６９３赵为．太阳能光伏并网发电系统的研究．合肥：合肥工业大学博十研究生论文，２００３；（２）：５３—６７ＷＵＢｉｎ．大功率变频器及交流传动．卫三民，苏位峰，译．北京：机械丁业出版社。２００７；２３３—２３６５潘龙懿，李治．基于同步旋转坐标变换的单项锁相环设计．内蒙古石油化工，２００８；（２４）：８０—８ｌＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｂｏｕｔｔｈｅＳＰＬＬｏｆＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＩｎｖｅｒｔｅｒＺＨＡＮＧＬｅｉ，ＺＨＡＯＸｉ（７１３ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ。Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００１５，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ａｎｄｉｎｔｈｅｕｓｅＥｌｅｍｅｎｔｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｂｏｕｔｔｈｅＳＰＬＬａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，Ａｎａｌｙｓｅｄｔｈｅｗａｙｏｆｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ．ｏｆｍｏｄｕｌｅｓａｎｄｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｕｎｄｅｒｔｈｅＭＡＴＬＡＢ—．ｓｉｍｕｌｉｎｋ，ｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄａｎｄｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ＳＰＬＬｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃｉｎｖｅｒｔｅｒＭＡＴＬＡＢｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ万方数据光伏逆变器三相锁相环技术与仿真

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

张蕾， 赵玺， ZHANG Lei， ZHAO Xi中船重工第713研究所,郑州,450015科学技术与工程

SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING2010，10(28)0次

1.WU Bin;卫三民;苏位峰 大功率变频器及交流传动 2007

2.琚兴宝.徐至新.邹建龙 基于DSP的三相软件锁相环设计 2004(10)3.赵为 太阳能光伏并网发电系统的研究 2003

4.刘飞.徐鹏威.陈国强.陈昌松.段善旭 基于LCL滤波器的三相光伏并网控制系统研究 2008(8)5.刘飞;徐鹏威;陈国强 基于LCL滤波器的三相光伏并网控制系统研究[期刊论文]-太阳能学报 2008(08)6.赵为 太阳能光伏并网发电系统的研究 2003

7.琚兴宝;徐至新;邹建龙 基于DSP的三相软件锁相环设计[期刊论文]-通信电源技术 2004(10)8.WU Bin.卫三民.苏位峰 大功率变频器及交流传动 2007

9.潘龙懿;李治 基于同步旋转坐标变换的单项锁相环设计 2008(24)10.潘龙懿.李治 基于同步旋转坐标变换的单项锁相环设计 2008(24)

1.学位论文 张洪亮 并网型单相光伏逆变器的研究 2007

在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，新能源的开发与利用愈来愈受到重视，太阳能以其经济、清洁等优点倍受青睐，而逆变器又是系统中主要的能量变换装置，其性能的好坏，直接影响着太阳能利用效率的高低。本文针对既可独立运行又可并网运行的单相光伏逆变器，采用有效值外环、瞬时值内环的控制方法，既保证了逆变器输出的静态误差为零，又保证了逆变器的输出波形良好。为此，论文主要对系统的电路拓扑结构、控制方法以及并网过程中的数字锁相环和反孤岛保护等技术进行了分析研究。

首先，概述了太阳能利用的意义和广阔前景，给出本课题的主要研究内容，详细分析了逆变电源的主电路结构和工作原理，对控制电路的结构进行了简单的介绍，给出了同时满足独立和并网两种运行模式的输出滤波器结构和元件参数的计算过程，并通过仿真和实验验证了设计的合理性。

在分析主电路工作时序的基础上，阐述了并网型逆变器的控制目标，总结了并网运行时必须满足的条件，用结构框图的形式对当前比较流行的几种逆变电路的控制方法进行了对比分析。本文采用的基于SPWM控制的电压或电流输出控制的算法，具有开关频率固定、物理意义清晰、实现方便的优点，而且能够很方便的实现独立运行与并网运行之间的切换，并能保证输出波形良好，动态响应速度快。

随后，详细讨论了并网过程中的数字锁相环技术，对锁相环电路的组成、工作原理进行了研究，结合DSP控制芯片的捕获功能，针对电网电压同步信号采样电路存在滞后的特点，分析产生滞后的原因，采用超前α修正角的算法，并给出了程序的流程图，实验结果表明此方法可靠有效，能使逆变器输出电流与电网电压完全同相，达到功率因数为1的目的。

孤岛效应是光伏并网系统中必须解决的问题，本文对孤岛效应的含义及相关标准进行了说明，分析了产生孤岛效应的原因，说明了它的危害，证明了添加反孤岛效应保护的必要性，分别对孤岛效应的主动和被动检测法进行了介绍，并用MATLAB仿真工具对主动频率偏移法的反孤岛效应进行了仿真验证。

最后，采用TI公司的TMS320LF2407ADSP作为主控芯片，研制完成1kw实验样机，分别得出了独立运行和并网运行时的实验结果，结果表明，所采用的控制策略和设计的硬件电路能够满足设计要求，系统可安全、稳定运行。

2.学位论文 苗骞 可并网正弦波PWM高效光伏逆变器的研究（DC-AC部分） 2006

随着新能源的开发愈来愈受到重视，太阳能利用技术得以迅速发展，光伏发电成为一个重要的研究领域。本文针对可独立运行和并网运行的光伏发电逆变电源，分析了其DC-AC部分的拓扑结构，设计了相应的控制方法，并最终完成了试验样机。

首先，讨论了DC-AC逆变部分的电路拓扑结构，详细叙述了同时满足独立和并网两种运行模式的输出滤波器结构和元件参数的设计方法，并通过仿真验证了设计结果。

随后，阐述了逆变电源独立运行和并网运行时的控制思路，在控制器中引入波形反馈，不仅有效地降低谐波，改善了功率因数，还可以满足实时性要求，提高系统动态性能。介绍了输出反馈信号处理、正弦波信号发生与控制以及锁相环在数字控制中的实现方法，并采用PID参数自调整控制算法来抑制负载变化对逆变电源输出的影响。

根据光伏逆变电源的应用工况，对过流保护、直流偏磁、孤岛效应等特殊故障产生的原因做了分析，并依据逆变器的特点设计了相应的保护措施，完善逆变电源的功能。

最后，采用TI公司的TMS320LF2407ADSP实现了上述算法与保护措施在数字控制中的应用，阐述了DC-AC逆变部分软硬件设计的方法，与DC-DC部分合并完成了光伏逆变电源试验样机的设计，并讨论实际设计过程中遇到问题和解决方法，给出了实验结果，达到了设计要求。

3.期刊论文 戴训江.晁勤.DAI Xunjiang.CHAO Qin 一种新颖的并网逆变器A适应电流滞环控制策略 -电力自动化设备2009,29(9)

采用通过L滤波器滤波的单相单级光伏逆变器并网的拓扑结构和电流滞环跟踪控制,基于固定电流滞环宽度控制的数学模型,推导开关频率和滞环宽度的数学表达式,表明开关频率按照二倍频余弦调制变化,导致开关损耗,EMI增加和滤波器设计困难,提出一种能根据系统电气参数(如光伏阵列直流电压、开关频率、电网电压和参考电流斜率)动态调整滞环宽度的自适应滞环电流控制算法,能实现开关频率的固定化;为解决非线性负载光伏供电的电能质量问题,提出能实现谐波电流和无功电流分量补偿的参考电流计算器模型;提出将自适应电流滞环宽度算法,参考电流计算器、PLL锁相环技术以及最大功率跟

踪算法集成在统一的柔性控制器,基于Simcouoler和Matlab/simulink的仿真分析表明,该控制策略解决固定滞环电流控制开关频率瞬时变化的问题,使滞环宽度瞬时调制而开关频率保持不变,可使电网功率因数接近为1.

4.会议论文 龚宇雷.王辉.段玉兵.李庆民 基于DSP和傅立叶级数的相位快速跟踪算法 2009

本文提出了一种利用傅立叶级数和DSP特殊指令相结合的电压相位快速跟踪方法，克服了过零点比较方法和锁相环方法的一些缺点。经过在单相光伏逆变器上的成功应用，证明这种方法快速准确，具有一定的应用价值。

5.期刊论文 郑飞.费树岷.周杏鹏.王新.ZHENG Fei.FEI Shu-min.ZHOU Xing-peng.WANG Xin 基于FPGA数字锁相环的光伏并网控制 -电力电子技术2010,44(6)

针对光伏并网逆变器首先提出了一种基于FPGA芯片的数字锁相控制方法;采用电流瞬时值反馈与电网电压前馈相结合的复合控制策略,以及固定载波频率的正弦脉宽调制(SPWM)技术驱动光伏逆变器;最后研制了一台3 kW光伏并网逆变器样机,将光伏并网运行的整个控制系统全部集成于一个FPGA芯片内,使控制系统简单、可靠.并网运行实验表明,该FPGA控制系统能确保逆变器输出电流与电网电压同频、同相.

6.学位论文 马兆彪 太阳能光伏并网发电系统的分析与研究 2008

随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，开发利用清洁的可再生能源势在必行。太阳能是当前世界上最清洁、最现实、大规模开发利用最有前景的可再生能源之一。其中太阳能光伏利用受到世界各国的普遍关注，而太阳能光伏并网发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势，必将得到快速的发展。此外，高性能的数字信号处理芯片(DSP)的出现，使得一些先进的控制策略应用于光伏并网逆变器成为可能。本论文就是在此背景下，对太阳能并网发电系统中的核心器件并网逆变器进行了较为深入的研究，具有重要的现实意义。

太阳能光伏并网发电系统的两个核心部分是太阳能电池板的最大功率点跟踪(MPPT)控制和光伏并网逆变控制。 首先，本文对太阳能电池的工作原理及工作特性进行介绍，详细分析太阳能电池工作的等效电路和数学模型。

其次，本文对几种传统的最大功率点跟踪(MPPT)控制算法进行了研究、分析和比较，提出各自优缺点。基于最大功率跟踪过程的快速性和稳定性，设计采用改进的间歇扫描法来实现光伏发电系统中太阳能电池的最大功率输出，以提高系统的性能和最大功率点跟踪速度。

再次，针对既可独立运行又可并网运行的单相光伏逆变器，本文采用有效值外环、瞬时值内环的控制方法，既保证了逆变器输出的静态误差为零，又保证了逆变器良好的输出波形。给出了同时满足独立和并网两种运行模式的输出滤波器结构和元件参数的计算过程，并通过仿真和实验验证了设计的合理性。

随后，详细讨论了并网过程中的软件锁相环技术，对锁相环电路的组成、工作原理进行了研究，实验结果表明此方法可靠有效，能使逆变器输出电流与电网电压完全同相，达到功率因数为1的目的。

最后，采用TI公司的TMS320LF2407A作为主控芯片，研制完成1.5kW实验样机，分别得出了独立运行和并网运行时的实验结果，结果表明，所采用的控制策略和设计的硬件电路能够满足设计要求，系统可安全、稳定运行。

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