在環境污染嚴重以及能源日益緊缺的今天，開發和利用可再生綠色能源已經成為人類的迫切需要。太陽能作為比較清潔、比較易于大規模開發利用的可再生能源之一，在近些年來引起了世界各國政府和能源專家的高度重視，而光伏并網發電技術也已經成為新能源開發利用領域的研究熱點之一。

　　小功率光伏并網系統大都采用單相結構、電壓電流環控制，其中又分為雙級式系統和單級式系統。

　　交流信號的頻率和相位測量是光伏并網系統控制與分析中的一個重要內容。電網頻率不僅是電能質量的衡量指標，而且是安全穩定控制的重要狀態反饋量；電網的相位數據提供控制所需的同步信號。頻率和相位的高精度測量由過零檢測實現的全數字鎖相環可以實現，但數字鑒相器、脈沖序列濾波器和分頻器等諸多部件是邏輯電路，難以通過算法實現。采用等效震蕩方法實現的全數字鎖相環，與模擬鎖相環相比，面積小、穩定可靠，通過對采樣數據的相位進行補償方法實現鎖相，是一種對采樣數據進行同步化處理的方法，但運算量較大。光伏并網逆變器的控制算法目前通常采用以下幾種控制技術，如滯環電流無差拍控制等，以達到高質量電能并網的目的。但或多或少存在某些不足，如滯環電流控制對環寬的選擇要求較高、PI控制只能對直流信號進行無靜差跟蹤、無差拍控制對控制對象的數學模型要求較嚴格。針對雙級式非隔離型結構，本文提出一種小功率單相光伏并網逆變器的設計方案。鎖相環基于瞬時無功理論，使用二階廣義積分器產生正交電壓，該方法結構簡單、無濾波延遲、對頻率有自適應性；將比例諧振控制算法應用到并網逆變器控制中，對正弦信號具有零穩態誤差跟蹤能力，在消除靜態誤差方面更具有優勢。結果驗證了方案的有效性。

　　2光伏并網逆變器的系統結構與控制算法2.1單相光伏并網逆變器系統結構本文所設計的兩級式非隔離型單相光伏并網逆變器如所示。前級DC/DC部分采用的是升壓（Boost）電路，后級DC/AC部分采用的是單相全橋電路，濾波電路基于LC濾波器。

　　所示為光伏并網逆變器的控制流程：以TI公司生產的TMS320F2806型號的DSP芯片為核心的控制板控制前級用到的輸入信號有光伏板電壓信號、光伏板電流信號等，通過前級的Boost電路結構，控制輸出的脈寬調制（PWM）信號完成比較大功率點跟蹤（MPPT）功能和母線升壓功能；控制板控制后級用到的輸入信號包括市電電壓信號、逆變電流信號、母線電壓信號和電流信號等，通過后級單相全橋的電路結構，控制輸出PWM信號完成逆變并網和母線電壓穩定的功能。DC-AC逆變器通過鎖相環來實現逆變器輸出電流與電網電壓的同頻同相，控制算法采用比例諧振算法來得到高質量的輸出電流并維持穩定的直流側電壓。

　　2.2單相光伏并網逆變器的控制策略所示是光伏并網逆變器的控制方案，前級控制：采集光伏電壓Vpv和電流Ipv信號進行MPPT計算得到控制前級電路的PWM信號，實現光伏陣列的MPPT控制。后級控制：母線電壓Vbus與電壓Vref做差進行PI運算得電流幅值Ip，再乘以鎖相的sine得到并網逆變電流Iref，它再與并網逆變電流米樣Igrid做差得誤差量實現電流跟蹤控制，以達到母線電壓穩定和并網逆變控制。其中，特別要注意的是在穩定電壓時由于光伏I-U曲線的非線性特質，所以Vref取負號，Vbus取正號。這里的電流控制器選擇的是比例諧振（proportionalresonant，PR）控制器，因為它比傳統PI控制器更能實現零穩態誤差跟蹤。

　　2.2.1系統建模并網逆變器后級電路的電流控制框圖如所示。由于開關頻率（20kHz）遠遠高于電網頻率，為了便于分析，忽略開關動作對系統的影響，將逆變單元近似為一增益環節。中G（s）為系統控制器傳遞函數，R為電感L的串聯等效電阻，ug為電網電壓，Iref是和電網電壓同頻同相的并網電流信號，Il是逆變電流采樣。

　　根據系統模型可以推出并網逆變器輸出電流的傳遞函數如式（1）所示：二階廣義積分器傳遞函數如式（2）所示：2.2.2鎖相環算法一個鎖相環系統的主要目標是為逆變器的輸出電流提供一個干凈的正弦電流信號，通過使用鎖相環檢測市電電壓的參數，如市電電壓的幅度和頻率保證市電電壓在并網系統中發生常見的失真如：電網電壓的諧波，電網電壓幅值的波動，電網電壓頻率的變化和相位的跳變，依然能滿足正常的性能，安全運行。其實現的方法有很多種。

　　本文所使用的鎖相環實現框圖如所示，其中包括正交電壓系統的產生，PARK變換及市電角度的運算。

　　根據得到系統的閉環傳遞函數為：增益值越小濾波效果越好，但是系統的動態響應會變慢。為Hd（s）與Hq（s）傳遞函數的伯德圖。

　　在單相系統中一種簡單的產生正交電壓系統的方法是使用時變的延遲模塊，它提供了與輸入信號的基波頻率（市電電壓）偏移90度的相移。另一種相似的方法但更復雜是產生一個求積分信號用于希爾伯特變化。還有一個不同的產生正交電壓系統的方法是使用反PARK變換。所有的這些方法都有一些缺點如：頻率特性，復雜度高，非線性，沒有濾波作用。本文基于二階廣義積分器闡述了一種新的單相鎖相環系統。相比于已知的方法該方法在單相系統中，對于產生一個正交系統該方法具有更好的優勢。

　　本文使用產生正交系統的方法如所示，Vgrid作為輸入信號，比較終產生2個相差90的正弦信號V和Vp，其中Vp與Vgnd具有相同的相位和幅值，Va與Vp幅值相等且相位相差90從幅頻特性中我們看出對于Hd（s）只在諧振頻率處即50Hz處增益為0，對非諧振頻率有很大的衰減，可見只能通過頻率為50Hz附近的信號，即可有效的抑制電網中的高次諧波，從相頻特性圖中看出Hd（s）與Hq（s）的相角一直相差90，所以該系統相比于已知的產生正交電壓系統的方法（時變的延遲模塊，希爾伯特轉換，和反PARK（變化）有以下優點：結構簡單，對正交電壓系統進行無延遲濾波、該系統對頻率有自適應性。

　　2.2.3光伏逆變器電流環控制算法后級逆變采用單相全橋電路實現并網。其主電路拓撲如所示，其中，U是前級Boost變化器的輸出，經過逆變電路后變為交流信號，在通過濾波電路后連接電網。后級實現控制并網輸出電流功能。

　　在實際系統中，PR控制器的實現存在2個主要問題：①由于模擬系統元器件參數精度和數字系統精度的限制，PR控制器不易實現；②PR控制器在非基頻處增益非常小，當電網頻率偏移時，不能有效地抑制電網引起的諧波。因此，所以本文采用一種容易實現的準PR控制器，其傳遞函數如式（7）所示，隊為截止頻率，kp為比例常數，kr為諧振常數。

　　PI控制器傳遞函數如式（5），其中kp為比例常數，ki為積分常數：常數，kr為諧振常數，D0為諧振頻率：2krss2由式（1）可以看出，逆變器輸出電流與電流和電網電壓有關。對于PI控制，基波頻率D0處的控制器增益為kp+/Dof，是有限值，因此式（1）的第2.2.4控制策略的數字實現連續域離散化設計通常采用雙線性變換，變換公式如式（8），T為采樣周期，s為s域的復頻率，z為z域的復變量：將式（8）帶入式（7），可以得到控制器離散域傳遞函數如式（9）：一項可寫成dre/（s=即輸出電流小于電流，系統存在穩態誤差；同理，第2項不為0，即輸出電流受電網電壓影響。對于PR控制，控制器在基波頻率①。處的增益為以整體結果趨于無窮大，因此，式（1）的第1項基本等于Iref；同理，第2項趨于，此時，有Il=W.所以PR控制可以實現零穩態誤差和抗電網電壓干擾的能力。

　　為了驗證PR控制器特性，給出了PI和PR控制器的波特圖，兩個控制器kp值相同且為零，ki=kr=1.從圖中可以看出PR控制器在基波頻率處增益很大，高頻處兩個控制器特性相似。

　　PI和PR控制器的幅頻圖根據式（9）可以得到差分方程如式（10）：3數字仿真采用仿真軟件MATLAB對系統進行仿真。仿真參數如下：輸入電壓380V；電網電壓有效值220V；電網電壓頻率50Hz；濾波電感6mH；濾波電容4.7壚；給定電流有效值為2A；PI控制器參數為控制器參數為kp=60/1 1和3分別給出了在PI和PR控制策略下，并網逆變器的電流和電壓波形。從1中可以看出并網逆變器電流能夠跟隨給定電流，通過FFT頻譜分析，如2和4所示，采用PR控制策略為2.12%，而采用PI控制策略的THD=4.34%，可以發現采用PR控制策略明顯優于PI控制策略，驗證了理論分析。

　　在MATLAB中基于二階廣義積分器的仿真結果如所示，仿真中k=0.8.其中紅色信號為帶有高次諧波的正弦信號Vgnd，藍色信號為經過Hd（s）得到的vp信號，綠色為經過Hq（s）得到的va信號，從圖中我們可以明顯的看到系統對Vgnd進行了較好的濾波，得到的vp與Va較光滑且相位相差90，達到了滿意的效果。

　　0所示為市電電壓信號與經過鎖相環得到市電的電壓信號，從圖中看出經過鎖相環輸出的度數在一個周期內就完全追蹤上了市電的角度數，取得了滿意的根據以上理論分析，特研制一臺逆變器。，圖中通道2測量的是市電電壓信號（220V）；通道4測量的為并網電流波形（5A）。可以看到并網電流與市電電壓同頻同相，并且電流具有較好的輸出波形，滿足系統的設計要求。穩態時，并網電流有效值為5A，輸出功率為1100W，并網功率因數為0.99，并網電流THD值為4.8%，如7所示。

　　通過PR控制的實驗波形與仿真波形相比，兩者基本接近，并網波形穩定且畸變小。

　　4實驗5實驗樣機和控制板實物PR控制下的并網試驗波形7功率分析儀顯示并網參數5結論本文對單相光伏并網系統中逆變環節的鎖相環和電流環進行了研究，使用二階廣義積分器產生的正交電壓信號實現自適應濾波，并當市電有很大畸變，依然能夠輸出穩定的市電角度，為逆變器的控制提供相位基準，提高了整個系統的精準度與穩定性；將PR控制算法應用到并網逆變器控制中，與傳統網壓前饋PI控制器相比，在不影響動態性能的情況下，有效減少并網電流THD，消除了穩態誤差，提高了并網電流質量。結果驗證了有效性。