弱电网环境下光伏并网逆变器锁相环研究

的环境下，由于DSOGI对频率的依赖性较强，会导致锁相误差较大，系统不稳定。此处对DSOGI-锁相环(PLL)

进行了改进，利用谐波消除模块(HCM)消除电网电压中的谐波分量，有效地降低了谐波对输出相角的影响。仿 真和实验结果表明：改进后的PLL能够有效减小弱电网环境下的锁相误差。关键词：双二阶广义积分器；谐波消除模块；锁相环中图分类号:TP321+.2 文献标识码：A 文章编号:1000-100X(2019)07-0095-03Research on Phase-locked Loop of Photovoltaic

Grid-connection Inverter in Weak GridLI Sheng-min12, XIAO Ya-min12, LIANG Ji-ning12, MENG Lin' 2(1 .Xif an University of Technology, Xi * an 710048 , China)Abstract: Dual second-order generalized interger (DSOGI) can accurately extract the grid voltage phase-locked angle

in the case of grid voltage imbalance. However, in the environment with high harmonic , due to the dependence of the

DSOGI on the frequency which leads to large phase-locked error and unstable system.DSOGI-phase-locked loop (PLL) is improved.The harmonic cancellation module (HCM) is used to eliminate the harmonic components in the grid volt­

age which effectively reduces the influence of harmonics on the output phase angle.Simulation and experimental re­sults show that the improved PLL can effectively reduce the phase-locking error in the weak grid environment.

Keywords: dual second-order generalized integrator ； harmonic cancellation module ； phase-locked loop Foundation Project:Supported by National Natural Science Foundation of China(No.51177056)1引言快速准确地获取电网电压相位信息对并网逆

与电网电压之间的相角误差。文献［5］提出了釆用

谐振器提取并滤除电网电压中的高频谐波，结合 自适应陷波器与正、负序消除环路完成电压正、负

变器的稳态、动态性能具有重要意义。如何提高弱 电网环境下光伏并网逆变器PLL的快速性和准确

序分离的方法，准确地提取电网正序电压的同步 信息。文献［6］提出了一种改进型SOGI滤波环节，

性是一个重要的研究课题。文献［1］提出了一种电网电压过零点精确锁相

并与滑动平均滤波器串联形成新的混合滤波器， 该混合滤波器可以同时滤除输入三相电压中的基

方法，但该方法仅适用于电网电压稳定或发生暂 变的场合，不适用于电网电压不平衡和存在谐波 的情况。文献［2］采用基于DSOGI的锁频环电网同

波电压负序分量，直流偏移电压分量及各次谐波 电压分量。步方法，但是仅适用于单相系统。文献［3］提出了 基于瞬时无功理论的单相锁相技术，并将该技术

此处在DSOGI-PLL的基础上，提出了一种新 的改进型 DSOGI-PLL (MSOGI-PLL)，该 PLL 在进

应用于单相并网系统，可快速精准地锁相，但是未 考虑弱电网的影响。文献［4］提出一种改进的前馈

行正、负序分量计算(PNSC)前构造了 HCM消除

DSOGI输出的谐波电压分量，在电网电压含有多

次谐波的情况下可以准确地提取电压锁相角。控制方法，但未给出加入控制算法前后输出电流基金项目：国家自然科学基金(51177056)定稿日期：2018-12-04作者简介：李生民(1962-),男，陕西合阳人，博士，副教 授，研究方向为智能化电器与工业综合自动化系统等。

2双二阶广义积分器技术基于SOGI的正交信号发生器可以实现输入

信号的偏移得到两相正交信号內。SOGI的结构如 图1所示。95第53卷第7期电力电子技术2019年7月Power ElectronicsVol.53, No.7July 2019不对称且含有谐波的电网电压经过坐标变换 到两相静止坐标系下的表达式为：图1 SOGI结构图

+如一+*如=如式中：*二呦丁二〃如 Zu』

m= 1(6)Fig. 1 SOGI structure diagram[cos(3(/+e)* sin(如+其传递函数为：D(s)=u,/u=ka)^/(s2+k(i)(^+a)o>) Q(s)=qu,/u=ka)Q/(52+ia>o$4-6>02)

式中：矶为谐振角频率丛为增益系数;g为90。移相算子，[馮~ 呦丁二 U+[cos ( 一3& +0 ) sin ( -60(/+0 ) ]T ； u^n=[uan 站]T=

Un[cos(na)(/+(pn>) sin (呦/+0)卩。将含有正、负序和谐波分量的电压信号作为

DSOGI的输入，产生的输出信号可以表示为：(二, q%'=町-11『+11『血

(亍)*[up=u^+Up~+Up, qup=-ua+4-Ua~-uan7n 式中:| D |

由式(1)可得正交信号发生器的幅频特性和

相频特性为：乙 D)；u『二 | D | Unsin(na)(/-Hpn+Z.D) oIDI =ka)^/ V (kajfP)) 2+ (a)2-a)^)2 ( )根据式(刀及PNSC计算得到电网电压基波 的正序分量为：(Ua -Up )/2=ua++ (1 + 1/n)Ua\"72Z. Z)=arctan[ (/3)|D| , 厶 Q=厶 D-FI2 (3)

PNSC运算公式如式(4)：(up+qua )/2=吋+(1+ l/zi)呦\"72(o )

=(Ua'-gu/)/2,*% Up=(ua'+qup')/2 (4)由式(8)可知，得到的基波正序分量中含有

由式(2)可知当谐振频率设定为电网电压基

“次谐波分量，因此可以在计算正、负序分量前，先 消除卩次谐波的影响。将式(7)中前两式与后两式

波频率时，u'与u具有相同相位和幅值。由式(3) 可知，gu，比/滞后90。，即两相输出信号成正交关

进行比较可以发现将怎'乘以1/“再与g琳相加就 可以消除n次谐波。同理，将幽'乘以1/“再与gu系。DSOGI-PLL的结构框图见图2O利用SOGI的

输出正交特性实现对输入电压的正交分相，再通 过PNSC运算就可以实现正、负序变量分离，同步 旋转坐标系(SRF)-PLL将正序电压分量通过Park

相减就可以消除n次谐波。两相静止坐标系下的 电压可表示为：Ua'=ua'/n+qup' = ( 1/n-l )%+(* l + l/n)ua\"(卯

逆变换到SRF下，通过闭环控制将u,控制为零。Up=Ufiln-qUa={ 1/n-l )u/+( l + l/n)w/HCM如图3所示。图4为基于HCM级联的

MSOGI-PLL的结构图。>|SOGl ~~■I SOGI

~~仏图2基于DSOGI的锁相环设计图3谐波消除模块Fig. 2 Design of PLL based on DSOGIFig. 3 Harmonic elimination module3改进的双二阶广义积分器锁相环技术当电网电压不对称时,DSOGI-PLL能有效提 取电网电压中的谐波信息，但当电网电压含有多

次谐波时，锁相误差较大，系统不稳定。为了降低 谐波对锁相角的影响，提出了 MSOGI-PLL。图4基于HCM级联的MSOGI-PLL的结构图Fig. 4 Structure diagram of MSOGI-PLL based on HCM cascade发生故障的三相电压表达式为：8PLL首先利用HCM滤除三相电压中的谐波

分量，再通过PNSC模块分解电网电压中的正、负

(211/3)很]+ 丫 〃\"cos[呦(/+0-(21173)A：J

m= 1(5)序分量。由于HCM在消除谐波的同时给基波正序

分量乘以系数1/n-l,因此PNSC模块得到电压基 波正、负序分量后还要除以一个修正系数ko%=口(1/\"一1)

式中：U+,U-,U”分别为电网电压正序、负序和第n次谐波

分量的幅值；0,旷,0分别为电网电压正、负序和第n次 谐波分量的初相角,n=6m±l ,m=l ,2,3 ,…。(10)n=l96弱电网环境下光伏并网逆变器锁相环研究4仿真验证在Matlab/Simulink环境下搭建了三相并网逆

变器的仿真模型，对电网电压不对称和畸变情况 进行了仿真。电网电压不平衡条件:b相电压增大

15%,c相电压减小10%；电网电压谐波条件：5次

谐波10%,7次谐波10%,11次谐波5%0图5a(上)为电网电压不平衡时采用DSOGI-

PLL输出的相角误差波形，可见在启动瞬间锁相

误差较大,0.15 s后锁相误差趋于零；图5b(下)为 电网电压存在谐波时采用DSOGI-PLL输出的相

角误差波形，可见锁相误差出现等幅振荡，且波动 幅值较大。因此该方法对电压不平衡的情况有效，

对电压存在谐波的情况无效。图5 DSOGI-PLL输出波形Fig. 5 DSOGI-PLL output waveforms图6a(上)为网压不平衡时采用MSOGI-PLL输

出的锁相误差波形，可见启动时存在较大锁相误

差,0.12s后锁相误差趋于零；图6b(下)为谐波条 件下采用MSOGI-PLL输出的锁相误差波形，可见

输出锁相误差呈现小幅振荡。因此该方法对网压

不平衡和存在谐波的情况均有效。150> 15050 3-50 >A50 50 -150 -150% 2 W 2

上400 20 > 602 20主- 20

0

0.05 0.1 0.15 0.2 0.250 0.05 0」0.15 0.2 0.25t/st/s(a)电网电压不平衡时(b)电网电压存在谐波时图6 MSOGI-PLL输出波形Fig. 6 MSOGI-PLL output waveforms5 实验验证搭建了小功率三相光伏并网逆变系统实验平

台，由于条件限制，实验中没有配备光伏板，采用 调压器和整流桥模块代替太阳能电池板作为能量

的输入端。采用可编程交流电源模拟弱电网，电网 电压不平衡(b相电压幅值增加10%,C相电压幅值

减小10%)和谐波(5次谐波10%,7次谐波10%,

11次谐波5%)情况。图7为电网电压不平衡和谐

波条件下采用MSOGI-PLL输出的相角波形，三角 波为PLL输出的相位角0,变化范围为0~2f,按

比例缩小到0~3 V,便于端口输出，由图可知，锁 相误差较小，输出相位基本准确。疼( 嬰(

AZ

A c

S

s

〃(10 ms/格)\"(10 ms/格)(a)电网电压不平衡时(b)电网电压存在谐波时图7基于MSOGI-PLL的输出波形Fig. 7 The output waveforms of MSOGI-PLL6结论针对电网电压含多次谐波的情况下,DSOGI-

PLL锁相误差较大，提出了 MSOGI-PLL，构建了级

联谐波消除模块，在计算正负序分量之前先消除 电网电压中的各次谐波，仿真和实验结果表明：在

电网电压含有较多次谐波时,MSOGI-PLL降低锁

相误差的效果更好，能够快速准确地获取电压正 序分量的相位信息。参考文献［1］ 陈增禄，赵乾坤，史强强，等.一种电网电压过零点精

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