基于光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器控制中電流鎖相的重要性和復(fù)雜性，提出了帶預(yù)鎖相和遺忘算法的電流鎖相方案,，該方案可采用硬件鎖相和軟件鎖相兩種方式實現(xiàn),。建立了以MC56F8345型DSF為控制核心的PWM逆變器數(shù)字化并網(wǎng)實驗平臺，對改進后的電流鎖相方案進行驗證,。實驗結(jié)果表明,，該方案很好地實現(xiàn)了逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓的同步鎖相控制，且輸出電流的幅值,、相位、頻率均符合控制要求,，可穩(wěn)定,、可靠地并網(wǎng)發(fā)電，并能實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù),。

1 引言

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,，并網(wǎng)逆變器輸出電流的控制十分重要。有效控制逆變器輸出電流可實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可調(diào),?？刂齐娏鲿r，電流鎖相十分關(guān)鍵,，必須對電網(wǎng)電壓的頻率和相位進行實時檢測,，并以此控制逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓保持同頻同相，即同步鎖相,。若不能穩(wěn)定,、可靠地鎖相，則在逆變器與電網(wǎng)連接(并網(wǎng))過程中會產(chǎn)生很大的環(huán)流,，對設(shè)備造成沖擊,，縮短設(shè)備使用壽命，嚴(yán)重時還會損壞設(shè)備,。因此,，研究光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器電流鎖相改進方案及數(shù)字化實現(xiàn)具有現(xiàn)實意義。

2 光伏并網(wǎng)逆變器電流矢量控制策略

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。圖中上半部分為系統(tǒng)主電路,，下半部分為系統(tǒng)控制電路?？刂七^程如下：根據(jù)PV的輸出電壓,、電流，由MPPT算法獲得Ud參考值，與Ud實際值比較后經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器得到有功電流(d軸電流)參考值,。φ*為給定功率因數(shù)角,，為無功電流(q軸電流)參考值。若要求單位功率因數(shù),，則φ*=0,，=0。

電流閉環(huán)控制通常采用電流矢量控制,。圖2示出電流矢量控制的矢量關(guān)系圖,。

u，i.e分別為逆變器輸出電壓,、輸出電流和電網(wǎng)電壓的空間矢量,。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸與e重合，q軸超前d軸90°,，其旋轉(zhuǎn)速度ω=2πf(f為電網(wǎng)頻率),。φ為功率因數(shù)角，θ為d軸與三相靜止坐標(biāo)系a軸夾角,，是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換必需的參數(shù),。三相PWM逆變器在d，q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

式中：ud,，uq為u在d,，q軸的分量;ed，eq為e在d,，q軸的分量,，ed=e，eq=0;L,，R為網(wǎng)側(cè)回路的電感和電阻,。

由式(1)可得圖1中電流閉環(huán)控制部分。其中ACDR和ACQR均為PI調(diào)節(jié)器,，分別調(diào)節(jié)id,，iq。

電流矢量控制的優(yōu)點是可實現(xiàn)逆變器輸出電流有功,、無功分量的獨立控制,，控制精度較高，穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能較好,。

3 帶預(yù)鎖相和遺忘算法的電流鎖相方案

3.1 鎖相角初始值的確定

逆變器電流矢量控制中,，電流鎖相極為重要，其實質(zhì)是實時,、準(zhǔn)確地計算出鎖相角,，即圖1，2中的θ，這是順利實現(xiàn)整個系統(tǒng)電流矢量控制策略的基本保證,。確定鎖相角初始值θ0是鎖相算法的第一步,，θ0可選擇在網(wǎng)側(cè)相電壓或線電壓過零時確定，此時無論θ為任意值都要強制令θ=θ0,。設(shè)ea,，b，c為余弦函數(shù),。若通過電網(wǎng)相電壓確定θ0,，則相電壓ea由正到負(fù)過零時，e(d軸)超前a軸90°,，即θ0=90°;同理ea由負(fù)到正過零時,，θ0=270°。若通過電網(wǎng)線電壓確定θ0,，則線電壓eab由正到負(fù)過零時,，θ0=60°;eab由負(fù)到正過零時，θ0=240°,。此處選擇eab由負(fù)到正過零時開始鎖相，所以取θ0=240°,。

3.2 鎖相算法

鎖相算法需在電網(wǎng)電壓每次過零時執(zhí)行一次,，圖3示出鎖相算法流程圖。在確定θ0后需算出每個PWM周期的角度增量△θ,，而△θ由每個正弦波周期內(nèi)的PWM脈沖個數(shù)n決定,，△θ=360°/n。由于PWM周期(由開關(guān)頻率決定)是固定值,，當(dāng)f恒定時(50 Hz),，n也為定值。但f波動或現(xiàn)實中各種干擾會引起PWM脈沖假跳變,，所以n值是波動的,。因此鎖相算法的核心是根據(jù)前一個(或前面多個)正弦波周期內(nèi)的n值來調(diào)整后一周期的△θ，從而準(zhǔn)確算出任意時刻的θ,。如果不加調(diào)整或調(diào)整不當(dāng),，均會導(dǎo)致鎖相失敗。

為保證鎖相穩(wěn)定可靠,，要進行初次鎖相和預(yù)鎖相,，此時算出的θ不參與電流控制程序，即不發(fā)控制脈沖,。直至預(yù)鎖相100次時才認(rèn)為可正常鎖相,，θ才可用于控制。可見預(yù)鎖相具有均值濾波的效果,。

此處采用帶遺忘的累加算法來根據(jù)前次周期的n值計算后次周期的n值,。遺忘算法公式為：

n=0.9nlast+0.1npl，nlast=n (2)

式中：n,，npl,，nlast分別為該周期用于計算、該周期實際計數(shù)得到,、上周期用于計算的PWM脈沖個數(shù),。

由式(2)可見，前面周期確定了的n值對后面周期的n值影響很大,，很好地起到了濾除干擾的作用,。而隨著時間的推移，越往前的周期對后面周期的影響越來越小(即產(chǎn)生“遺忘”),，這與實際情況相符,。之所以有權(quán)重的差別是因為前一次的值已經(jīng)經(jīng)過多次濾波，所以更真實,，而此次的值極可能有干擾,，而常規(guī)的加權(quán)平均算法沒有考慮權(quán)重，只是簡單地求兩次的平均值,。相比之下,，顯然遺忘算法有優(yōu)良的自適應(yīng)性，甚至具有PI調(diào)節(jié)的效果,，可有效抑制運行時的突變狀況,。

4 電流控制系統(tǒng)的數(shù)字化實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

圖4示出電流控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖。在主電路中,，阻感負(fù)載采用三相電抗器串聯(lián)可調(diào)變阻器,。由于僅討論電流環(huán)的設(shè)計，此處用單相二極管整流橋代替光伏極板及DC/DC電路,，作為逆變器的輸入直流電壓源,。繼電器K1，K2用來控制系統(tǒng)上電：K1吸合,，K2斷開,，充電電阻(可抑制充電電流)串入電路，直流電容穩(wěn)定充電,。當(dāng)直流電壓穩(wěn)定后吸合K2,，短路充電電阻，以減小電路損耗,。DSP檢測到K1,，K2都吸合的信號后控制接觸器吸合,，使逆變器并網(wǎng)。逆變器與電網(wǎng)斷開時,，K2通過放電電阻給它提供放電回路,。控制電路以MC56F8345 DSP為核心,，驅(qū)動電路采用M57962L,。若采用硬件鎖相，則圖4中交流電壓采樣電路后端還應(yīng)加入比較電路,，共同組成電網(wǎng)電壓過零信號檢測電路,，以得到與電網(wǎng)電壓同步的方波信號。

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖5示出主程序及PWM重載中斷,、GPIO中斷(外中斷),、A/D結(jié)束中斷等子程序流程圖。

此處系統(tǒng)也可采用軟件鎖相,，即在A/D結(jié)束中斷程序中判斷電網(wǎng)電壓的極性,，當(dāng)極性發(fā)生改變并滿足規(guī)定(如由正到負(fù)過零)時調(diào)用鎖相函數(shù)。由于硬件本身存在各種限制且易引入干擾,，因此好的軟件鎖相算法可取代純硬件鎖相電路,。

5 實驗

基于上述理論，搭建了基于PWM逆變器的光伏并網(wǎng)發(fā)電實驗平臺,。電抗器電感L=4 mH,，開關(guān)頻率fc=6 kHz。電流PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp=1,，積分系數(shù)Ki=500。規(guī)定eab由負(fù)到正過零時開始鎖相,?？刂颇繕?biāo)：①幅;②網(wǎng)側(cè)實現(xiàn)單位功率因數(shù)。系統(tǒng)上電后很快吸合繼電器,，逆變器并網(wǎng),，電流幅值快速增加至穩(wěn)定值，并網(wǎng)成功,。實驗波形如圖6所示,。

圖6a為電網(wǎng)電壓過零檢測電路輸出的同步方波信號iPLL與eab的關(guān)系。eab由負(fù)到正過零時iPLL產(chǎn)生下降沿,。圖6b,，c為采用硬件、軟件鎖相方式時,，逆變器輸出線電壓uab,，eab和逆變器c相輸出電流ic的波形,。可見,，ic幅值約為5 A,，達(dá)到了給定值，基本為正弦信號,，諧波小于5%,，且相位超前eab約90°，表明穩(wěn)態(tài)時電壓ec與ic的相位差很小,，幾乎為零,。多個正弦周期均如此，沒有累積誤差,。綜上所述,，穩(wěn)態(tài)時實現(xiàn)了ic與ec同頻同相，鎖相成功,，達(dá)到了網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)的控制目的,。

6 結(jié)論

為改善光伏并網(wǎng)發(fā)電脈寬調(diào)制逆變器電流控制，保證電流鎖相質(zhì)量,，提出了帶預(yù)鎖相和遺忘算法的電流鎖相改進方案,。設(shè)計了數(shù)字化控制系統(tǒng)，搭建了實驗平臺,。實驗波形與理論分析基本一致,，較好地實現(xiàn)了逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓的同步鎖相控制，達(dá)到了網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)的目的,。