光伏并网逆变器的电流锁相改进方案及实现

摘要：基于光伏发电并网逆变器控制中电流锁相的重要性和复杂性，提出了带预锁相和遗忘算法的电流锁相方案，该方案可采用硬件锁相和软件锁相两种方式实现。建立了以MC56F8345型DSF为控制核心的PWM逆变器数字化并网实验平台，对改进后的电流锁相方案进行验证。实验结果表明，该方案很好地实现了逆变器输出电流与电网电压的同步锁相控制，且输出电流的幅值、相位、频率均符合控制要求，可稳定、可靠地并网发电，并能实现网侧单位功率因数。
关键词：光伏发电；并网逆变器；电流锁相

1 引言
在光伏发电系统中，并网逆变器输出电流的控制十分重要。有效控制逆变器输出电流可实现网侧功率因数可调。控制电流时，电流锁相十分关键，必须对电网电压的频率和相位进行实时检测，并以此控制逆变器输出电流与电网电压保持同频同相，即同步锁相。若不能稳定、可靠地锁相，则在逆变器与电网连接(并网)过程中会产生很大的环流，对设备造成冲击，缩短设备使用寿命，严重时还会损坏设备。因此，研究光伏发电并网逆变器电流锁相改进方案及数字化实现具有现实意义。

2 光伏并网逆变器电流矢量控制策略
光伏发电并网系统结构框图如图1所示。图中上半部分为系统主电路，下半部分为系统控制电路。控制过程如下：根据PV的输出电压、电流，由MPPT算法获得Ud参考值，与Ud实际值比较后经电压调节器得到有功电流(d轴电流)参考值。φ*为给定功率因数角，为无功电流(q轴电流)参考值。若要求单位功率因数，则φ*=0，=0。

电流闭环控制通常采用电流矢量控制。图2示出电流矢量控制的矢量关系图。

u，i．e分别为逆变器输出电压、输出电流和电网电压的空间矢量。旋转坐标系d轴与e重合，q轴超前d轴90°，其旋转速度ω=2πf(f为电网频率)。φ为功率因数角，θ为d轴与三相静止坐标系a轴夹角，是旋转坐标变换必需的参数。三相PWM逆变器在d，q坐标系下的数学模型为：

式中：ud，uq为u在d，q轴的分量；ed，eq为e在d，q轴的分量，ed=e，eq=0；L，R为网侧回路的电感和电阻。
由式(1)可得图1中电流闭环控制部分。其中ACDR和ACQR均为PI调节器，分别调节id，iq。
电流矢量控制的优点是可实现逆变器输出电流有功、无功分量的独立控制，控制精度较高，稳态和动态性能较好。

3 带预锁相和遗忘算法的电流锁相方案
3．1 锁相角初始值的确定
逆变器电流矢量控制中，电流锁相极为重要，其实质是实时、准确地计算出锁相角，即图1，2中的θ，这是顺利实现整个系统电流矢量控制策略的基本保证。确定锁相角初始值θ0是锁相算法的第一步，θ0可选择在网侧相电压或线电压过零时确定，此时无论θ为任意值都要强制令θ=θ0。设ea，b，c为余弦函数。若通过电网相电压确定θ0，则相电压ea由正到负过零时，e(d轴)超前a轴90°，即θ0=90°；同理ea由负到正过零时，θ0=270°。若通过电网线电压确定θ0，则线电压eab由正到负过零时，θ0=60°；eab由负到正过零时，θ0=240°。此处选择eab由负到正过零时开始锁相，所以取θ0=240°。[p]
3．2 锁相算法
锁相算法需在电网电压每次过零时执行一次，图3示出锁相算法流程图。在确定θ0后需算出每个PWM周期的角度增量△θ，而△θ由每个正弦波周期内的PWM脉冲个数n决定，△θ=360°／n。由于PWM周期(由开关频率决定)是固定值，当f恒定时(50 Hz)，n也为定值。但f波动或现实中各种干扰会引起PWM脉冲假跳变，所以n值是波动的。因此锁相算法的核心是根据前一个(或前面多个)正弦波周期内的n值来调整后一周期的△θ，从而准确算出任意时刻的θ。如果不加调整或调整不当，均会导致锁相失败。

为保证锁相稳定可靠，要进行初次锁相和预锁相，此时算出的θ不参与电流控制程序，即不发控制脉冲。直至预锁相100次时才认为可正常锁相，θ才可用于控制。可见预锁相具有均值滤波的效果。
此处采用带遗忘的累加算法来根据前次周期的n值计算后次周期的n值。遗忘算法公式为：
n=0．9nlast+0．1npl，nlast=n (2)
式中：n，npl，nlast分别为该周期用于计算、该周期实际计数得到、上周期用于计算的PWM脉冲个数。
由式(2)可见，前面周期确定了的n值对后面周期的n值影响很大，很好地起到了滤除干扰的作用。而随着时间的推移，越往前的周期对后面周期的影响越来越小(即产生“遗忘”)，这与实际情况相符。之所以有权重的差别是因为前一次的值已经经过多次滤波，所以更真实，而此次的值极可能有干扰，而常规的加权平均算法没有考虑权重，只是简单地求两次的平均值。相比之下，显然遗忘算法有优良的自适应性，甚至具有PI调节的效果，可有效抑制运行时的突变状况。

4 电流控制系统的数字化实现
4．1 系统硬件电路设计
图4示出电流控制系统硬件电路结构框图。在主电路中，阻感负载采用三相电抗器串联可调变阻器。由于仅讨论电流环的设计，此处用单相二极管整流桥代替光伏极板及DC／DC电路，作为逆变器的输入直流电压源。继电器K1，K2用来控制系统上电：K1吸合，K2断开，充电电阻(可抑制充电电流)串入电路，直流电容稳定充电。当直流电压稳定后吸合K2，短路充电电阻，以减小电路损耗。DSP检测到K1，K2都吸合的信号后控制接触器吸合，使逆变器并网。逆变器与电网断开时，K2通过放电电阻给它提供放电回路。控制电路以MC56F8345 DSP为核心，驱动电路采用M57962L。若采用硬件锁相，则图4中交流电压采样电路后端还应加入比较电路，共同组成电网电压过零信号检测电路，以得到与电网电压同步的方波信号。

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4．2 系统软件设计
图5示出主程序及PWM重载中断、GPIO中断(外中断)、A／D结束中断等子程序流程图。

幅；②网侧实现单位功率因数。系统上电后很快吸合继电器，逆变器并网，电流幅值快速增加至稳定值，并网成功。实验波形如图6所示。

图6a为电网电压过零检测电路输出的同步方波信号iPLL与eab的关系。eab由负到正过零时iPLL产生下降沿。图6b，c为采用硬件、软件锁相方式时，逆变器输出线电压uab，eab和逆变器c相输出电流ic的波形。可见，ic幅值约为5 A，达到了给定值，基本为正弦信号，谐波小于5％，且相位超前eab约90°，表明稳态时电压ec与ic的相位差很小，几乎为零。多个正弦周期均如此，没有累积误差。综上所述，稳态时实现了ic与ec同频同相，锁相成功，达到了网侧单位功率因数的控制目的。

6 结论
为改善光伏并网发电脉宽调制逆变器电流控制，保证电流锁相质量，提出了带预锁相和遗忘算法的电流锁相改进方案。设计了数字化控制系统，搭建了实验平台。实验波形与理论分析基本一致，较好地实现了逆变器输出电流与电网电压的同步锁相控制，达到了网侧单位功率因数的目的。