光伏并网逆变器中锁相环的比较研究

袁朋生

摘要：可再生能源发电的背景下，光伏太阳能将成为世界上最大的清洁能源来源之一。要将光伏系统产生的电能连接到电网，要求输出电压在振幅、相位和频率上与电网同步。其中，正是锁相环负责系统的同步工作。文章比较了同步参考系锁相环、二阶广义积分器锁相环、增强型锁相环和正交锁相环4种锁相环结构，并对各锁相环结构的谐波抑制能力进行了评估。

关键词：SRF-PLL；SOGI-PLL；EPLL；QPLL

中图分类号：TM464  文献标志码：A

0 引言

光伏系统产生的电能可以以两种方式使用，连接电网或不连接电网。第一种是将光伏系统通过逆变器接入电网。它们可以以单、双或三相形式接入，如太阳能发电场。第二种形式用于偏远山区等，直接使用太阳能发电板产生的电能［1］。在第一种方式中，一种称为锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）的控制系统被广泛用于确保光伏系统产生的输出信号与电网的同步，即振幅、相位和频率相同。几种基于锁相环的拓扑实现了这一功能，例如同步参考系锁相环（Synchronous Reference Frame PLL，SRF-PLL）、二阶广义积分器锁相环（Second-Order Generalized Integrator PLL，SOGI-PLL）、增强锁相环（Enhanced PLL，EPLL）和正交锁相环（Quadrature PLL，QPLL）。

1 锁相环的结构和原理对比

三相锁相环结构一般有3个主要模块，一个鉴相器（PD），一个环路滤波器（LF）或称为控制器以及一个压控振荡器（VCO），如图1所示。

首先在PD阶段，输入信号与VCO输出信号进行比较，产生误差信号。其次，低通滤波器去除信号、噪声和干扰。最后，利用输入参考信号的特性，由压控振荡器生成正弦信号。锁相环拓扑结构之间的区别主要在于PD块结构。本文研究了SRF-PLL，SOGI-PLL，EPLL和QPLL 4种结构。

1.1 SRF-PLL

SRF-PLL结构也被称为直接四方锁相环（DQPLL），如图2所示，由于其结构简单具有较强的鲁棒性，是信号同步最常用的拓扑结构之一［2］。其原理是利用Park变换将输入的三相信号转换为dq轴上的两个分量vd和vq。由压控振荡器产生的信号反馈调节变换的角度位置。vq分量输入的低通滤波器的是一个比例积分（PI）控制器，确保相位跳变和频率变化的相位误差为零。当输入电压经过滤波和平衡后，SRF-PLL可以实现高带宽和快速动态响应。当输入不平衡或失真时，有必要减小带宽以提高抑制干扰的能力。

1.2 SOGI-PLL

SOGI-PLL也是一种广泛用于与电网连接的系统同步的拓扑结构，如图3所示。

将输入信号转换为v＇和qv＇的两个信号，其中第一个分量v＇与输入信号v同相位，第二个分量滞后于v＇ 90°，传递函数可以写成：

Hd（s）=v′v=Kωs2+Kωs+ω2

Hq（s）=qv′v=Kωss2+Kωs+ω2（1）

其中，K为调节系统过滤容量的参数。K值越小，过滤器的带宽越窄，然而，它使动态响应变慢［3］。在三相系统中，2个SOGI块可以组成1个对偶结构，双SOGI （DSOGI）结构提供了三相信号的正序列。Park变换将输入的三相信号转换为两个dq轴分量。每个分量进入一个SOGI块，它将输入信号转换为相差90°的其他两个分量，如将vα转化为v＇α和qv＇α，将vβ转化为v＇β和qv＇β。为了使输出信号具有正序列，需要执行式（2）中描述的操作。

v+αβ=121-q

q1vα

vβ（2）

然后，利用Clarke變换将新的α和β分量转换为dq分量。下面的结构LF和VCO与其他锁相环拓扑相同。

1.3 EPLL

EPLL是一种改进PD级性能的拓扑结构，如图4所示。与传统模型不同的是，除了估计相位和频率外，EPLL已经在其控制回路中提供了信号幅度信息。该结构提供输入信号的幅度和输入信号的滤波版本，并消除波纹［4］。

EPLL的工作原理是鉴相环节相当于输入滤波器。式（3）中给出的一组方程，给出了频率ω（t）、相位角θ（t）、振幅A（t）、基本分量y（t）和误差信号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为幅值收敛速度。对于三相系统，每个相都使用一个单相EPLL。

1.4 QPLL

QPLL是一种估计输入信号相位和频率的方法，也估计相位幅值和正交幅值。由于相位检测过程避免了对误差信号的非线性依赖，QPLL提供了优于常规锁相环的性能。QPLL具有高鲁棒性的结构，并且其性能不受噪声和失真的影响，如图5所示。

QPLL能够跟随宽和突然的频率变化与高速可控。公式（4）中给出了正交振幅Ks（t）和Kc（t），频率变化量Δω（t），相位角θ（t），基本分量y（t），误差信号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级考虑输出幅值为同相幅值和正交幅值之和y（t），误差信号为输入信号与输出信号幅值之差e（t）。误差信号用于估计相位和正交振幅，也用于估计信号相位。此外，利用相位角的导数来估计频率。QPLL由以下内部参数控制：μs，μc控制同相和正交振幅收敛。对于三相系统，每个相使用一个单相QPLL。

2 不同鎖相环对谐波抑制能力的研究

本文采用Ziegler-Nichols （ZN）、Chien-Hrones-Reswick （CHR）和时间加权绝对误差积分（ITAE） 3种常用方法对4种三相锁相环拓扑结构进行了比较分析。仿真采用MATLAB计算环境，固定步长为1e-4，谐波滤波测试输入电压有3，5，7阶谐波，幅值均为0.09  V，总失真谐波（THD）为12.72%。各拓扑输出处的谐波失真率如表1所示。SRF-PLL和SOGI-PLL对这3种调优方法给出了相同的结果。CHR方法在EPLL和QPLL拓扑中表现出较好的性能。笔者观察到EPLL和QPLL拓扑具有较高的滤波能力。双SOGI-PLL在拓扑结构中有外部滤波，并在谐波水平上有相当大的降低，大约减半。然而，SRF-PLL的性能最差，因为所选择的经典拓扑结构不具有滤波能力，因此需要包括一个外部滤波器来清洗输出信号。值得注意的是，谐波出现在abc/dq0变换的零分量中。

3 结语

本文先对4种锁相环的原理结构进行了对比分析，总结了4种锁相环的特点，然后使用3种著名的调优控制方法对4种锁相环的滤波能力进行了比较，以验证哪一种控制方法和锁相环结构具有更好的性能。SRF-PLL结构简单，鲁棒性强，能够实现高带宽和快速动态响应，然而这种拓扑结构不能滤除谐波。SOGI-PLL能够在电网不平衡时分离电网电压正、负序分量，同时实现频率跟踪，这种拓扑结构将系统输出中的谐波电平大约降低了一半。QPLL具有高鲁棒性的结构，并且其性能不受噪声和失真的影响，该拓扑结构显示出很强的过滤谐波的能力，使谐波率低于5%。EPLL结构提能供输入信号的幅度和输入信号的滤波版本，并消除波纹，被证明是滤波谐波的最佳结构。

参考文献

［1］王松.太阳能光伏发电与并网技术的应用［J］.电子技术，2022（4）：204-205.

［2］薛慧杰，文晓燕，王晓辉，等.基于改进SRF-PLL的微网电压同步技术研究［J］.太阳能学报，2017（9）：2412-2417.

［3］荆世博，辛超山，薛静杰，等.基于二阶带通滤波器的单相锁相环技术研究［J］.四川电力技术，2021（2）：54-57，69.

［4］何来沛，郑寿森，祁新梅，等.增强型锁相环的启动优化和相频解耦改进算法［J］.中山大学学报（自然科学版），2020（4）：64-73.

（编辑 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