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系统并网技术 单相逆变器 ★ 5.0

基于H∞鲁棒二阶广义积分器的单相逆变器锁相环电网同步方法

H_{\infty} Robust Second-Order Generalized Integrator Phase-Locked Loop for Grid Synchronization of Single-Phase Inverters

作者 Abdullahi Bamigbade · Ahmed Amr Saafan · Adeola Balogun · Abdullateef Bamigbade · Dajr Alfred · Umar Taiwo Salman
期刊 IEEE Transactions on Industry Applications
出版日期 2025年4月
技术分类 系统并网技术
技术标签 单相逆变器
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 锁相环 环路滤波器 H∞控制理论 二阶广义积分器 电网同步
语言:

中文摘要

本文提出了一种基于 $H_{\infty}$ 控制理论的新型设计框架,用于综合锁相环(PLL)的环路滤波器(LF)。以固定频率和频率自适应的二阶广义积分器(SOGI)锁相环为典型案例,在考虑 SOGI 模块对锁相环动态特性影响的情况下,从锁相环的压控振荡器角度对控制问题进行了建模。通过在 $H_{\infty}$ 控制问题中将加权函数指定为锁相环 settling 时间的函数,获得了最优的环路滤波器,以实现锁相环跟踪性能的鲁棒性。此外,借助 Hankel 奇异值近似,在不损失性能的前提下,降低了环路滤波器的实现难度和计算成本。在性能方面,通过实验研究表明,与现有的同类锁相环相比,所提出的 SOGI 锁相环能够对单相电压的频率和相角进行鲁棒估计。最后,将所提出的锁相环应用于单相逆变器的电网同步,与传统的基于比例 - 积分控制的锁相环相比,能够减少功率振荡。

English Abstract

This article proposes a new design framework based on H_ control theory to synthesize the loop filter (LF) of phase-locked loops (PLLs). Taking the frequency-fixed and frequency-adaptive second-order generalized integrator (SOGI) PLLs as representative cases, the control problem is formulated in terms of the PLL's voltage-controlled oscillator while considering the influence of the SOGI block on the PLL dynamics. By specifying the weighting function as a function of PLL settling time in the H_ control problem, optimal LFs are obtained to achieve robustness in the PLL's tracking performances. Furthermore, reduction of the LF's implementations and computational costs without loss in performance are achieved by means of Hankel singular value approximation. Performance-wise, the proposed SOGI PLLs provide robust estimations of a single-phase voltage's frequency and phase angle when compared with their existing pairs through experimental studies. Finally, employing the proposed PLLs for grid synchronization of a single-phase inverter demonstrates reduced power oscillation when compared to the conventional proportional-integral control-based PLLs.
S

SunView 深度解读

从阳光电源单相逆变器及储能系统的并网控制需求来看,这篇论文提出的H∞鲁棒二阶广义积分锁相环技术具有重要的应用价值。

**技术价值分析:**

锁相环是逆变器并网同步的核心技术,直接影响系统的电能质量和稳定性。该论文基于H∞控制理论优化环路滤波器设计,相比传统PI控制的锁相环,能在电网电压畸变、频率波动等复杂工况下实现更鲁棒的相位和频率跟踪。这对阳光电源在弱电网、微电网等应用场景中的产品性能提升具有直接意义,特别是户用光伏系统和分布式储能系统常面临电网质量不稳定的挑战。

**应用前景评估:**

论文通过Hankel奇异值近似降低了控制器实现复杂度和计算成本,这对嵌入式DSP/FPGA平台的工程化实现友好。实验验证显示该技术能显著降低单相逆变器的功率振荡,这将直接改善我司产品的并网性能指标,提升THD、功率因数等关键参数表现。技术成熟度方面,已完成实验验证,具备向产品转化的基础。

**技术挑战与机遇:**

主要挑战在于H∞控制器参数整定需要针对不同电网环境进行适配,以及如何与现有控制架构无缝集成。但这也为阳光电源提供了差异化竞争机会——通过自适应参数调整算法,可开发出适应全球不同电网标准的智能化锁相环方案,特别在欧洲、澳洲等电网规范严格的市场建立技术优势。建议研发团队跟进该技术,评估在SG系列单相逆变器及PowerStack储能系统中的应用可行性。