光伏并网逆变器的电流锁相改进方案及实现

摘要：基于光伏发电并网逆变器控制中电流锁相的重要性和复杂性，提出了带预锁相和遗忘算法的电流锁相方案，该方案可采用硬件锁相和软件锁相两种方式实现。建立了以MC56F8345型DSF为控制核心的PWM逆变器数字化并网实验平台，对改进后的电流锁相方案进行验证。实验结果表明，该方案很好地实现了逆变器输出电流与电网电压的同步锁相控制，且输出电流的幅值、相位、频率均符合控制要求，可稳定、可靠地并网发电，并能实现网侧单位功率因数。
关键词：光伏发电；并网逆变器；电流锁相

1 引言
在光伏发电系统中，并网逆变器输出电流的控制十分重要。有效控制逆变器输出电流可实现网侧功率因数可调。控制电流时，电流锁相十分关键，必须对电网电压的频率和相位进行实时检测，并以此控制逆变器输出电流与电网电压保持同频同相，即同步锁相。若不能稳定、可靠地锁相，则在逆变器与电网连接(并网)过程中会产生很大的环流，对设备造成冲击，缩短设备使用寿命，严重时还会损坏设备。因此，研究光伏发电并网逆变器电流锁相改进方案及数字化实现具有现实意义。

2 光伏并网逆变器电流矢量控制策略
光伏发电并网系统结构框图如图1所示。图中上半部分为系统主电路，下半部分为系统控制电路。控制过程如下：根据PV的输出电压、电流，由MPPT算法获得Ud参考值，与Ud实际值比较后经电压调节器得到有功电流(d轴电流)参考值。φ*为给定功率因数角，为无功电流(q轴电流)参考值。若要求单位功率因数，则φ*=0，=0。

电流闭环控制通常采用电流矢量控制。图2示出电流矢量控制的矢量关系图。

u，i．e分别为逆变器输出电压、输出电流和电网电压的空间矢量。旋转坐标系d轴与e重合，q轴超前d轴90°，其旋转速度ω=2πf(f为电网频率)。φ为功率因数角，θ为d轴与三相静止坐标系a轴夹角，是旋转坐标变换必需的参数。三相PWM逆变器在d，q坐标系下的数学模型为：

式中：ud，uq为u在d，q轴的分量；ed，eq为e在d，q轴的分量，ed=e，eq=0；L，R为网侧回路的电感和电阻。
由式(1)可得图1中电流闭环控制部分。其中ACDR和ACQR均为PI调节器，分别调节id，iq。
电流矢量控制的优点是可实现逆变器输出电流有功、无功分量的独立控制，控制精度较高，稳态和动态性能较好。

3 带预锁相和遗忘算法的电流锁相方案
3．1 锁相角初始值的确定
逆变器电流矢量控制中，电流锁相极为重要，其实质是实时、准确地计算出锁相角，即图1，2中的θ，这是顺利实现整个系统电流矢量控制策略的基本保证。确定锁相角初始值θ0是锁相算法的第一步，θ0可选择在网侧相电压或线电压过零时确定，此时无论θ为任意值都要强制令θ=θ0。设ea，b，c为余弦函数。若通过电网相电压确定θ0，则相电压ea由正到负过零时，e(d轴)超前a轴90°，即θ0=90°；同理ea由负到正过零时，θ0=270°。若通过电网线电压确定θ0，则线电压eab由正到负过零时，θ0=60°；eab由负到正过零时，θ0=240°。此处选择eab由负到正过零时开始锁相，所以取θ0=240°。