基于输出电流控制的光伏并网逆变电源

1、2007年8 月 第22卷第8期电 工 技 术 学 报TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETYVol.22 No.8Aug. 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

2、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：TM464Research on Grid-Connected Photovoltaic Inverter Based onOutput Current ControlZhang Chenghui Ye Ying Chen Alian Du Chunshui （Shandong University Jinan 250061 China）Abstract The photovolt

3、aic 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 inst

4、antaneous-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 throug

5、h 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加了一个网侧电感，构

6、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1 引言随着光伏事

7、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 2007-06-0542电 工 技 术 学 报 2007年8月靠、精度高，并且控制过程易于实现。Imax=20%×2

8、 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。P（2） U对于PWM控制的逆变电源输出电感与纹波有如下关系6Udc（

9、3） L1=4ImaxfPWM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PC=15%× （4）2 fSU2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1025倍的基波频率，本文取17.5倍的基波频率进行

10、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2 fr=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 3PI控制器 4锁相环 5正弦波发生器 6三角波载波信号7SPWM比较器及驱动（5） Fig.1 Main circuit and control scheme of PV inverter3 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5G(s)=I2(s)1（1）=Uin(s)L1L2Cs3+(L1+L2)s式中 fr谐

11、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=9.87µF，L2=6.61mH，取L1=L2=7mH、C=10µF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。I(s)1G(s)=2= （6）Uin(s)4.9×1010s3+1.4×102s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

12、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5I(s)G(s)=2Uin(s)=RfCs+1L1L2Cs+(L1+L2)RfCs+(L1+L2)s3图2 LCL输出滤波器 Fig.2 LCL output filter（7）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/（2frC）=18.2，根据文献8，阻尼电阻应该取Rf =ZC /36，将各

13、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。I(s)G(s)=2Uin(s)=6×105s+14.9×10103s+8.4×10s+1.4×10s722（8）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

14、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3 输出滤波器幅频特性Fig.3 The amplitude frequency characteristicof output filter图5 电网电压同步信号产生电路 Fig.5 Synchronization signal detect circuit4 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

15、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4 典型的锁相电路基本结构 Fig.4 Basic structure of a typical PLL circuit图6 电网电压同步方波信号Fig.6 The synchronizat

16、ion square signal of the gridvoltage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。4.3 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

17、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641T4CNT×= （9） f40×102T3PR×140×10=1（10） f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

18、值会在1227912755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 /HzT4CNT对应 T3PR电网频率 /HzT4CNT对应 T3PR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 withamend

19、eing 49.0 12755 50.0 125002000 49.1 12729 50.1 12475 1996 49.2 12703 50.2 124501992 49.3 12678 50.3 12425 1988 49.4 12651 50.4 12400 1984 49.5 12625 50.5 12376 1980 49.6 12600 50.6 12352 1976 49.7 12575 50.7 12327 1972 49.8 12550 50.8 12303 1968 49.9 12525 50.9 12279 19646 实验结果研制一台1kVA实验样机，控制电路采用DSP

20、芯片TMS320LF2407A，图9为样机实物图。取滤波器参数为L1=L2=7mH，C=10µF，Rf=6，输入电压Udc=420V，开关频率fPWM=20kHz，进行并网实验。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，

21、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7 无 角修正的电网电压与输出电压 Fig.7 The grid voltag

22、e and the output voltage withoutamending 图10 电网电压与输出电流波形 Fig.10 The waveforms of grid voltage andoutput 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 454 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 controlstra

23、tegy for PWM rectifier with LCL filterJ. Transactions of China Electrotechnical Society, 2007, 22 (2): 74-77.6 Bruno Bolsens, Johan Driesen, Ronnie Belmans, et al.Model-based generation of low distortion currents in grid-coupled PWM-inverters using an LCL output filterJ. IEEE Trans. on Power Electro

24、nics, 2006, 21 (4): 1032-1040.7 Timothy C Y Wang, Zhihong Ye, Gautam Sinha, et al.Output filter design for a grid-interconnected three-phase inverterC. Power Electronics Specialist Conference, IEEE 34th Annual, 2003, 2: 779-784. 8 Liserre M, Blaabjerg F, et al. Design and control of anLCL-filter-bas

25、ed three-phase active rectifierJ. IEEE Trans. on Ind. App., 2005, 41(5): 1281-1291.9 Hilmy Awad, Jan Svensson, M J Bollen. Tuningsoftware phase-locked loop for series-connecter convertersJ. IEEE Trans on Power Electronics, 2005, 20 (1): 300-308.作者简介张承慧 男，1963年生，博士，教授，博士生导师，主要研究方向是工程优化控制、电力电子技术、电机与控制。叶 颖 男，1982年生，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。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