袁朋生

摘要：可再生能源發(fā)電的背景下，光伏太陽(yáng)能將成為世界上最大的清潔能源來(lái)源之一。要將光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能連接到電網(wǎng)，要求輸出電壓在振幅、相位和頻率上與電網(wǎng)同步。其中，正是鎖相環(huán)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的同步工作。文章比較了同步參考系鎖相環(huán)、二階廣義積分器鎖相環(huán)、增強(qiáng)型鎖相環(huán)和正交鎖相環(huán)4種鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，并對(duì)各鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的諧波抑制能力進(jìn)行了評(píng)估。

關(guān)鍵詞：SRF-PLL；SOGI-PLL；EPLL；QPLL

中圖分類號(hào)：TM464? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能可以以兩種方式使用，連接電網(wǎng)或不連接電網(wǎng)。第一種是將光伏系統(tǒng)通過(guò)逆變器接入電網(wǎng)。它們可以以單、雙或三相形式接入，如太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)。第二種形式用于偏遠(yuǎn)山區(qū)等，直接使用太陽(yáng)能發(fā)電板產(chǎn)生的電能［1］。在第一種方式中，一種稱為鎖相環(huán)（Phase-Locked Loop，PLL）的控制系統(tǒng)被廣泛用于確保光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出信號(hào)與電網(wǎng)的同步，即振幅、相位和頻率相同。幾種基于鎖相環(huán)的拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了這一功能，例如同步參考系鎖相環(huán)（Synchronous Reference Frame PLL，SRF-PLL）、二階廣義積分器鎖相環(huán)（Second-Order Generalized Integrator PLL，SOGI-PLL）、增強(qiáng)鎖相環(huán)（Enhanced PLL，EPLL）和正交鎖相環(huán)（Quadrature PLL，QPLL）。

1 鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)和原理對(duì)比

三相鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)一般有3個(gè)主要模塊，一個(gè)鑒相器（PD），一個(gè)環(huán)路濾波器（LF）或稱為控制器以及一個(gè)壓控振蕩器（VCO），如圖1所示。

首先在PD階段，輸入信號(hào)與VCO輸出信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)。其次，低通濾波器去除信號(hào)、噪聲和干擾。最后，利用輸入?yún)⒖夹盘?hào)的特性，由壓控振蕩器生成正弦信號(hào)。鎖相環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的區(qū)別主要在于PD塊結(jié)構(gòu)。本文研究了SRF-PLL，SOGI-PLL，EPLL和QPLL 4種結(jié)構(gòu)。

1.1 SRF-PLL

SRF-PLL結(jié)構(gòu)也被稱為直接四方鎖相環(huán)（DQPLL），如圖2所示，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單具有較強(qiáng)的魯棒性，是信號(hào)同步最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一［2］。其原理是利用Park變換將輸入的三相信號(hào)轉(zhuǎn)換為dq軸上的兩個(gè)分量vd和vq。由壓控振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)反饋調(diào)節(jié)變換的角度位置。vq分量輸入的低通濾波器的是一個(gè)比例積分（PI）控制器，確保相位跳變和頻率變化的相位誤差為零。當(dāng)輸入電壓經(jīng)過(guò)濾波和平衡后，SRF-PLL可以實(shí)現(xiàn)高帶寬和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。當(dāng)輸入不平衡或失真時(shí)，有必要減小帶寬以提高抑制干擾的能力。

1.2 SOGI-PLL

SOGI-PLL也是一種廣泛用于與電網(wǎng)連接的系統(tǒng)同步的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。

將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為v＇和qv＇的兩個(gè)信號(hào)，其中第一個(gè)分量v＇與輸入信號(hào)v同相位，第二個(gè)分量滯后于v＇ 90°，傳遞函數(shù)可以寫成：

Hd（s）=v′v=Kωs2+Kωs+ω2

Hq（s）=qv′v=Kωss2+Kωs+ω2（1）

其中，K為調(diào)節(jié)系統(tǒng)過(guò)濾容量的參數(shù)。K值越小，過(guò)濾器的帶寬越窄，然而，它使動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢［3］。在三相系統(tǒng)中，2個(gè)SOGI塊可以組成1個(gè)對(duì)偶結(jié)構(gòu)，雙SOGI （DSOGI）結(jié)構(gòu)提供了三相信號(hào)的正序列。Park變換將輸入的三相信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)dq軸分量。每個(gè)分量進(jìn)入一個(gè)SOGI塊，它將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為相差90°的其他兩個(gè)分量，如將vα轉(zhuǎn)化為v＇α和qv＇α，將vβ轉(zhuǎn)化為v＇β和qv＇β。為了使輸出信號(hào)具有正序列，需要執(zhí)行式（2）中描述的操作。

v+αβ=121-q

q1vα

vβ（2）

然后，利用Clarke變換將新的α和β分量轉(zhuǎn)換為dq分量。下面的結(jié)構(gòu)LF和VCO與其他鎖相環(huán)拓?fù)湎嗤?/p>

1.3 EPLL

EPLL是一種改進(jìn)PD級(jí)性能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。與傳統(tǒng)模型不同的是，除了估計(jì)相位和頻率外，EPLL已經(jīng)在其控制回路中提供了信號(hào)幅度信息。該結(jié)構(gòu)提供輸入信號(hào)的幅度和輸入信號(hào)的濾波版本，并消除波紋［4］。

EPLL的工作原理是鑒相環(huán)節(jié)相當(dāng)于輸入濾波器。式（3）中給出的一組方程，給出了頻率ω（t）、相位角θ（t）、振幅A（t）、基本分量y（t）和誤差信號(hào)e（t）。

θ·（t）=ω（t）=ωref+Δω（t）

A·（t）=K·e（t）·sin（θ（t））

y（t）=A（t）·sin（θ（t））

e（t）=vin（t）-y（t）（3）

其中，K為幅值收斂速度。對(duì)于三相系統(tǒng)，每個(gè)相都使用一個(gè)單相EPLL。

1.4 QPLL

QPLL是一種估計(jì)輸入信號(hào)相位和頻率的方法，也估計(jì)相位幅值和正交幅值。由于相位檢測(cè)過(guò)程避免了對(duì)誤差信號(hào)的非線性依賴，QPLL提供了優(yōu)于常規(guī)鎖相環(huán)的性能。QPLL具有高魯棒性的結(jié)構(gòu)，并且其性能不受噪聲和失真的影響，如圖5所示。

QPLL能夠跟隨寬和突然的頻率變化與高速可控。公式（4）中給出了正交振幅Ks（t）和Kc（t），頻率變化量Δω（t），相位角θ（t），基本分量y（t），誤差信號(hào)e（t）。

K·s（t）=2μs·e（t）·sin（θ（t））

K·c（t）=2μc·e（t）·cos（θ（t））

θ·（t）=ω（t）=ωref+Δω（t）

y（t）=ks·sin（θ（t））+kc·cos（θ（t））

e（t）=vin（t）-y（t）（4）

PD級(jí)考慮輸出幅值為同相幅值和正交幅值之和y（t），誤差信號(hào)為輸入信號(hào)與輸出信號(hào)幅值之差e（t）。誤差信號(hào)用于估計(jì)相位和正交振幅，也用于估計(jì)信號(hào)相位。此外，利用相位角的導(dǎo)數(shù)來(lái)估計(jì)頻率。QPLL由以下內(nèi)部參數(shù)控制：μs，μc控制同相和正交振幅收斂。對(duì)于三相系統(tǒng)，每個(gè)相使用一個(gè)單相QPLL。

2 不同鎖相環(huán)對(duì)諧波抑制能力的研究

本文采用Ziegler-Nichols （ZN）、Chien-Hrones-Reswick （CHR）和時(shí)間加權(quán)絕對(duì)誤差積分（ITAE） 3種常用方法對(duì)4種三相鎖相環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較分析。仿真采用MATLAB計(jì)算環(huán)境，固定步長(zhǎng)為1e-4，諧波濾波測(cè)試輸入電壓有3，5，7階諧波，幅值均為0.09? V，總失真諧波（THD）為12.72%。各拓?fù)漭敵鎏幍闹C波失真率如表1所示。SRF-PLL和SOGI-PLL對(duì)這3種調(diào)優(yōu)方法給出了相同的結(jié)果。CHR方法在EPLL和QPLL拓?fù)渲斜憩F(xiàn)出較好的性能。筆者觀察到EPLL和QPLL拓?fù)渚哂休^高的濾波能力。雙SOGI-PLL在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有外部濾波，并在諧波水平上有相當(dāng)大的降低，大約減半。然而，SRF-PLL的性能最差，因?yàn)樗x擇的經(jīng)典拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不具有濾波能力，因此需要包括一個(gè)外部濾波器來(lái)清洗輸出信號(hào)。值得注意的是，諧波出現(xiàn)在abc/dq0變換的零分量中。

3 結(jié)語(yǔ)

本文先對(duì)4種鎖相環(huán)的原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，總結(jié)了4種鎖相環(huán)的特點(diǎn)，然后使用3種著名的調(diào)優(yōu)控制方法對(duì)4種鎖相環(huán)的濾波能力進(jìn)行了比較，以驗(yàn)證哪一種控制方法和鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)具有更好的性能。SRF-PLL結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，魯棒性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高帶寬和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，然而這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不能濾除諧波。SOGI-PLL能夠在電網(wǎng)不平衡時(shí)分離電網(wǎng)電壓正、負(fù)序分量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將系統(tǒng)輸出中的諧波電平大約降低了一半。QPLL具有高魯棒性的結(jié)構(gòu)，并且其性能不受噪聲和失真的影響，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示出很強(qiáng)的過(guò)濾諧波的能力，使諧波率低于5%。EPLL結(jié)構(gòu)提能供輸入信號(hào)的幅度和輸入信號(hào)的濾波版本，并消除波紋，被證明是濾波諧波的最佳結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

［1］王松.太陽(yáng)能光伏發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用［J］.電子技術(shù)，2022（4）：204-205.

［2］薛慧杰，文曉燕，王曉輝，等.基于改進(jìn)SRF-PLL的微網(wǎng)電壓同步技術(shù)研究［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2017（9）：2412-2417.

［3］荊世博，辛超山，薛靜杰，等.基于二階帶通濾波器的單相鎖相環(huán)技術(shù)研究［J］.四川電力技術(shù)，2021（2）：54-57，69.

［4］何來(lái)沛，鄭壽森，祁新梅，等.增強(qiáng)型鎖相環(huán)的啟動(dòng)優(yōu)化和相頻解耦改進(jìn)算法［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020（4）：64-73.

（編輯 王雪芬）

Comparative study of phase locked loop in photovoltaic grid-connected inverters

Yuan? Pengsheng

（Jiangsu Guangshi Electric Co.， Ltd.， Xuzhou 221000， China）

Abstract：? In the context of renewable energy generation， photovoltaic solar energy will become one of the largest sources of clean energy in the world. Connecting the electricity generated by a photovoltaic system to the grid requires that the output voltage be synchronized with the grid in amplitude， phase and frequency. The Phase-Locked Loop （PLL） is responsible for synchronizing the system. This paper compares Synchronous Reference Frame PLL （SRF-PLL） with Second-Order Generalized Integrator PLL（SOGI-PLL）， Enhanced PLL （EPLL） and Quadrature PLL （QPLL） were evaluated for their harmonic suppression capabilities.

Key words： SRF-PLL; SOGI-PLL; EPLL; QPLL