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2007 年8 月 电 工 技 术 学 报 Vol 22 No 8 第 22 卷第 8 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Aug 2007 基于输出电流控制的光伏并网逆变电源 张承慧 叶 颖 陈阿莲 杜春水 山东大学控制科学与工程学院 济南 250061 摘要 光伏逆变电源并网运行时本质上为电流源 其输出电流滤波不但会对电网产生严重的 谐波污染 同时其输出电流锁相不精确会降低系统的转化效率 针对以上问题 采用电流瞬时值 和电流有效值双闭环控制策略实现对输出电流波形的控制 研制一种具有尖峰抑制作用的 LCL 滤 波器 通过对其数学模型的幅频分析说明了其良好的滤波特性 设计了一种软件锁相环 并在此 基础上通过 角的修正实现了精确可靠地锁相 实验结果验证了设计的合理性和正确性 实现了 单位功率因数输出正弦波电流 关键词 光伏逆变电源 尖峰抑制 LCL 滤波器 软件锁相环 中图分类号 TM464 Research on Grid Connected Photovoltaic Inverter Based on Output Current Control Zhang Chenghui Ye Ying Chen Alian Du Chunshui Shandong University Jinan 250061 China Abstract The photovoltaic inverter is a current source in essence when it works in grid connected mode Its output current will produce serious harmonic pollution and if without using a precise PLL its transformation efficiency will be decreased To solve the problems a dual loop control strategy is used based on instantaneous current and current RMS to realize the control of the current waveform in this paper A peak restrained LCL filter is designed By analyzing the amplitude frequency characteristic the LCL filter has its good filter performance also a kind of software phase locked is developed and through amendment it can realige high accuracy and reliability The experimental results show the rationality and correctness of the design and can achieve the output sinusoidal current at unity power factor Keywords Photovoltaic inverter peak restrained LCL filter software phase locked loop 1 引言 随着光伏事业的迅猛发展 光伏电源正在由独 立运行向并网发电的方向发展 1 光伏电源并网运 行时本质上为电流源 如何有效地控制其输出电流 在尽量减少输出电流对电网谐波污染的前提下 又 能满足其与电网电压同频同相是光伏电源并网运行 的两大难点和关键点 为了抑制谐波污染 一般的方法是采用 LC 滤 波器 虽然其结构和参数选取简单 但无法平抑输 出电流的高频纹波 容易因电网阻抗的不确定性而 影响滤波效果 2 本文在 LC 滤波器的基础上 增 加了一个网侧电感 构成了 LCL 滤波器 提出了 LCL 滤波器的设计过程 并采用合理的方式选取阻尼电 阻有效地抑制了 LCL 滤波器的谐振尖锋 避免了系 统的不稳定 为了满足逆变电源输出电流与电网电压同频同 相的要求 就必须采用锁相环 倘若锁相过程不可 靠 容易产生逆变电源和电网之间的环流 对设备 造成严重的冲击 3 传统的锁相环主要靠硬件来实 现锁相功能 有着较为复杂的硬件电路 还存在直 流零点漂移 器件饱和等硬件电路难以克服的问题 4 本文采用 TMS320LF2407 作为主控制器 并与简单 的同步信号发生电路相结合构成了软件锁相环 通 过 角的在线修正 实现了对电网电压的频率跟踪 和相位校正 与硬件锁相环相比 该方法灵活 可 山东省光伏发电重大科技项目资助 收稿日期 2007 03 10 改稿日期 2007 06 05 42 电 工 技 术 学 报 2007 年 8 月 靠 精度高 并且控制过程易于实现 2 总体控制方案 逆变电源的主电路及控制方案如图 1 所示 并 网运行时逆变器在锁相环的协调下将直流电逆变成 交流电 经过 LCL 低通滤波器后与电网相连 此时 的控制目标为控制逆变电路输出的交流电流为稳定 的 高品质的正弦波 且与电网电压同频同相 系 统采用电压控制电流的双闭环方式 外环为电流有 效值 RMS 闭环 通过对输出电压的控制来调节 并网电流的大小 内环为电流瞬时值闭环 通过实 时的电流反馈 修正电流的输出波形 有效值和瞬 时值构成的双闭环控制系统保证了对输出电流幅值 和波形的要求 并且具有控制的物理意义明确 易 于用软件实现 动态响应快等优点 图 1 光伏逆变器主电路及控制方案 1 输出电流有效值给定 2 有效值计算 3 PI 控制器 4 锁相环 5 正弦波发生器 6 三角波载波信号 7 SPWM 比较器及驱动 Fig 1 Main circuit and control scheme of PV inverter 3 带尖峰抑制的 LCL 滤波器设计 逆变电源并网运行时为电流源 要求输出电流 的纹波在一定的范围之内 由图 2 虚线部分以导 线代替 可得 LCL 滤波器输出电流 I2和输入电压 Uin之间的传递函数为 5 2 3 in 1 212 1 Is G s UsL L CsLLs 1 图 2 LCL 输出滤波器 Fig 2 LCL output filter 滤波电感 L1主要由输出的电流纹波 Imax决定 电流纹波一般取 15 25 的额定电流 本文按 20 设计 逆变器独立运行时额定输出功率为 P 额定 输出电压为 U 逆变器效率为 可得 max 20 P I U 2 对于 PWM 控制的逆变电源输出电感与纹波有 如下关系 6 dc 1 maxPWM 4 U L If 3 式中 Udc 逆变电源直流输入电压 fPWM 开关频率 电容 C 的选取要折中考虑其所产生的无功功率 和电感 L1的大小 电容值越大 产生的无功就越多 通过 L1和开关管的电流就越大 因此会造成逆变器 效率降低 电容值亦不能太小 否则需要更大的电 感来满足衰减的需要 这里取电容 C 所产生的无功 功率为 15 的额定功率 由文献 7 可得 C 15 2 S 2 P f U 4 式中 fS 基波频率 LCL 滤波器在低频部分以 20dB decade 衰减 高于谐振频率的部分以 60dB decade 衰减 为抑制 高次谐波 避免输出电流畸变 一般取谐振频率为 10 25 倍的基波频率 本文取 17 5 倍的基波频率 进行分析 由 LCL 滤波器的传递函数式 1 推导 其谐振点计算公式为 12 r 1 2 2 LL f L L C 5 式中 fr 谐振频率 设计光伏逆变电源样机输出为 220V 1kVA 逆 变器效率为 97 Udc 500V fPWM 20kHz fS 50Hz 将参数带入式 2 式 5 可得 L1 6 64mH C 9 87 F L2 6 61mH 取 L1 L2 7mH C 10 F 带入传递函数式 1 得传递函数为式 6 其相 应的幅频特性如图 3 虚线所示 2 1032 in 1 4 9 101 4 10 Is G s Usss 6 从滤波器的幅频特性曲线可以看出 在谐振频 率处都有一个很高的谐振尖峰 会引起输出波形的 畸变 容易造成系统的不稳定 为此需要加入尖峰 抑制措施 对于小功率系统 往往采用增加无源阻 尼的方式 7 如图 2 所示 此时的传递函数变为 5 2 in Is G s Us f 32 1 212f12 1 R Cs L L CsLLR CsLLs 7 这种方法简单灵活 虽然增加了一定的电阻损 耗 但能获得良好的抑制尖峰效果 在谐振频率处 的电容阻抗为 ZC 1 2 frC 18 2 根据文献 8 阻尼电阻应该取 Rf ZC 3 6 将各参数带入式 第 22 卷第 8 期 张承慧等 基于输出电流控制的光伏并网逆变电源 43 7 可得传递函数为式 8 其相应的幅频特性 如图 3 实线所示 可见谐振尖峰得到了很好的抑制 2 in Is G s Us 5 103722 6 101 4 9 108 4 101 4 10 s sss 8 图 3 输出滤波器幅频特性 Fig 3 The amplitude frequency characteristic of output filter 4 软件锁相环设计 如前所述 光伏发电系统并网运行时 要求系 统输出的正弦波电流与电网电压频率一致 而且为 保证回馈功率因数为 1 回馈电流的相位必须与电网 电压的相位一致 锁相环是一个能够自动追踪输入 信号频率和相位的闭环控制系统 在并网系统中起 到了关键的作用 4 1 软件锁相环原理 典型的锁相电路基本结构如图 4 所示 它是由 鉴相器 PD 环路滤波器 LF 和压控振荡器 VCO 组成的相位闭环系统 9 图 4 典型的锁相电路基本结构 Fig 4 Basic structure of a typical PLL circuit 软件锁相环则是将典型的锁相电路中由硬件来 实现的功能改用软件编程的方式来实现 如果输出 信号的相位和频率可以通过软件来精确控制 那么 相位闭环调节过程可以由精确的软件控制来替代 软件锁相的过程可以进一步得到简化 其实现思路 是先将输入信号经过简单的过零比较电路 产生与 输入信号过零点相对应的方波信号 通过捕获单元 检测该方波信号的上升沿或下降沿来确定输入信号 的频率 因为频率和相位之间满足简单的积分关系 所以可以根据输入信号的频率 通过软件来控制输 出信号 使其与输入信号同频同相 4 2 同步信号检测电路设计 在进行输出电流和电网电压同步的过程中 DSP 需 要 采 集 电 网 电 压 信 号 的 相 位 由 于 TMS320LF2407A 芯片只能采集 TTL 电平信号 所 以需要辅助硬件电路将电网的正弦波电压信号转换 成幅值为 3 3 的方波信号 该方波信号和正弦波 电压信号具有相同的过零点 即在电网电压上升过 零点处 方波信号变为高电平 本文采用的相应硬 件电路如图 5 所示 图 5 电网电压同步信号产生电路 Fig 5 Synchronization signal detect circuit 图 5 中的电压传感器将电网电压变成为同相位 的弱电信号 该信号再经过比较器 LM339 即可得 到与电网电压同相位的方波信号 如图 6 所示 得 到的方波信号经过光电隔离和电平转换后 将幅值 为 3 3V的方波信号送到 DSP芯片的捕获引脚 CAP4 上 捕获单元在检测到上升沿时触发中断 进行锁 相 图 6 电网电压同步方波信号 Fig 6 The synchronization square signal of the grid voltage 4 3 频率跟踪的软件实现 锁相的过程分为频率跟踪和相位同步两部分 对于频率跟踪来讲 在本文中通过软件设置捕获单 元 CAP4的计数时基为定时器 T4 设定 T4的时基为 0 625MHz 64 分频 设定定时器 T3的时基为 40MHz 用于产生三角载波信号 可得 4CNT 6 641 40 10 T f 9 3PR 6 11 2 40 10 T f 10 式中 4CNT 定时器 T4的计数值 44 电 工 技 术 学 报 2007 年 8 月 T3PR 定时器 T3的周期计数值 f 电网频率 正常情况电网频率 f 50Hz 可得 T4CNT 12500 相对应的 T3CNT 2000 考虑电网频率变化范围 50 1 Hz 这样每次中断时计数器 T4CNT的值会在 12279 12755 之间变动 根据 T4CNT的值查表 1 就 能获得高精度的频率值 用这个频率值来改变三角 载波的周期 即周期寄存器 T3PR值 以改变输出并 网电流的周期 从而实现频率跟踪的目标 表 1 不同频率对应的 T4CNT T3PR的值 Tab 1 The value of T4CNT and T3PR at different frequency 电网频率 Hz T4CNT 对应 T3PR 电网频率 Hz T4CNT 对应 T3PR 49 0 12755 2040 50 0 12500 2000 49 1 12729 2036 50 1 12475 1996 49 2 12703 2032 50 2 12450 1992 49 3 12678 2028 50 3 12425 1988 49 4 12651 2024 50 4 12400 1984 49 5 12625 2020 50 5 12376 1980 49 6 12600 2016 50 6 12352 1976 49 7 12575 2012 50 7 12327 1972 49 8 12550 2008 50 8 12303 1968 49 9 12525 2004 50 9 12279 1964 4 4 相位同步的软件实现 相位同步就是在电网电压过零时 根据电路参 数相应地调整正弦表指针的起始位置 以实现并网 电流与电网电压的同相 在实际应用中 由于模拟 数字电路的延迟 由 LM339 比较电路得到的电压同 步信号与实际的电网电压相比 会有相位滞后 如 果直接按照硬件电路产生的方波信号进行相位跟 踪 不进行相位的调节 会使输出电压滞后电网电 压 本文采用基于修正 角的相位同步算法 即在 正弦波的每个周期进行正弦表的修正 正弦表指针 不是从零开始 而是有一个相角的超前 图 7 和图 8 分别为 角修正和 5 修正后的 电网电压和逆变电源输出电压的波形 可见软硬件 的相互配合能很好地解决锁相问题 为实现光伏逆 图 7 无 角修正的电网电压与输出电压 Fig 7 The grid voltage and the output voltage without amending 变电源的并网运行做好了准备 图 8 角修正后电网电压与输出电压 Fig 8 The grid voltage and the output voltage with amendeing 6 实验结果 研制一台 1kVA 实验样机 控制电路采用 DSP 芯片 TMS320LF2407A 图 9 为样机实物图 取滤 波器参数为 L1 L2 7mH C 10 F Rf 6 输入电 压 Udc 420V 开关频率 fPWM 20kHz 进行并网实 验 图 9 样机实物图 Fig 9 The picture of prototype 实验采用 Tektronix 公司的 TPS2014 示波器测 量输出波形 当输出电流为 2 3A 时的电网电压与逆 变器输出电流波形如图 10 所示 从图 10 可以看出 电网电压与逆变电源输出电流近似的保持同频同 相 这是由于实验室电网电压的畸变 影响了锁相 环节和输出电流的波形 图 10 电网电压与输出电流波形 Fig 10 The waveforms of grid voltage and output current 第 22 卷第 8 期 张承慧等 基于输出电流控制的光伏并网逆变电源 45 7 结论 本文从三个方面对光伏逆变器输出电流加以控 制 首先 从逆变电源的控制策略上 采用以电流 有效值为外环 瞬时值为内环的双闭环控制 从滤 波的角度 设计了带尖峰抑制的 LCL 滤波器 对输 出电流的高频纹波进行抑制 改善了电流波形 减 少了对电网的污染 最后 设计了实用的电网同步 信号检测电路 采用了软件锁相环技术 实现了输 出电流与电网电压同频同相 通过研制的实验样机 进行并网实验 实验结果表明通过这三方面的协调 控制 能够对逆变电源输出电流进行很好的控制 实现了以单位功率因数输出正弦波电流 参考文献 1 王斯成 余世杰 等 3kW 可调度型并网逆变器的 研制 J 太阳能学报 2001 22 1 17 20 Wang Sicheng Yu Shijie et al Development of a 3W dispatching grid connected inverter J Acta Energiae Solaris Sinica 2001 22 1 17 20 2 武健 徐殿国 并联有源滤波器输出 LCL 滤波器研 究 J 电力自动化设备 2007 27 1 17 20 Wu Jian Xu Dianguo Research on output LCL filter for shunt active filter J Electric Power Automation Equipment 2007 27 1 17 20 3 蒋燕君 张超 基于 DSP 的光伏并网发电系统数字 锁相技术 J 电源技术应用 2007 10 2 29 32 Jiang Yanjun Zhang Chao et al Research on digital PLL of the grid connected PV power generation system based on DSP J Power Supply Technologies and Applications 2007 10 2 29 32 4 赵为 太阳能光伏并网发电系统的研究 D 合肥 合肥工业大学 2003 5 张宪平 林资旭 等 LCL 滤波的 PWM 整流器新 型控制策略 J 电工技术学报 2007 22 2 74 77 Zhang Xiangping Lin Zixu et al A novel control strategy for PWM rectifier with LCL fi