基于DSP的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統數字鎖相技術(shù)

　　引言

　　在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統中，需要實(shí)時(shí)檢測電網(wǎng)電壓的相位和頻率以控制并網(wǎng)逆變器，使其輸出電流與電網(wǎng)電壓相位及頻率保持同步，即同步鎖相。同步鎖相是光伏并網(wǎng)系統一項關(guān)鍵的技術(shù)，其控制精確度直接影響到系統的并網(wǎng)運行件能。倘若鎖相環(huán)電路不可靠，在逆變器與電網(wǎng)并網(wǎng)工作切換過(guò)群中會(huì )產(chǎn)生逆變器與電網(wǎng)之間的環(huán)流，對沒(méi)備造成沖擊，這樣會(huì )縮短設備使用壽命，嚴重時(shí)還會(huì )造成設備的損壞。

　　TI公司生產(chǎn)的高速數字信號處理器TMS320C2000系列，不僅體積小、功耗小、可靠性高，而且內部集成了12路PWM發(fā)生器、6路CAPTURE單元電路等外設電路，非常適合于PWM信號的控制及鎖相環(huán)的數寧實(shí)現。本文采用了一種基于DSP芯片TMS320C2407A實(shí)現光伏并網(wǎng)系統數字鎖相的與法，并給出了實(shí)驗結果。

　　1 鎖相的原理

　　鎖相環(huán)是一個(gè)閉環(huán)的相位控制系統，能夠自動(dòng)跟蹤輸入信號的頻率和相位。利用鎖相環(huán)技術(shù)可以產(chǎn)生同步于輸入信號的整數倍頻或分數倍頻的輸出控制信號。鎖相環(huán)的基本結構是由簽相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VC0)和倍頻器(MF)等組成，如圖l所示。

　　倍頻器實(shí)現對輸出信號Uo進(jìn)行整數或分數倍頻。鑒相器是用來(lái)比較輸入信號Ui與倍頻器輸出的鎖相信號Ub之間的相位差，并把該相位差轉化為電壓信號Ue。環(huán)路濾波器通常具有低通特性，作用是濾除電壓信號Ue中高頻分量與其它噪聲信號，產(chǎn)生穩定的電壓控制信號Ue。壓控振蕩器的振蕩頻率受電壓控制信號Ue的控制，完成電壓-頻率的變換作用，從而實(shí)現鎖相。特殊情況，當倍頓器的倍頻數為1時(shí)，即Ub=Uo，這時(shí)實(shí)際上實(shí)現了輸出信號Uo與輸入信號Ui之間的直接鎖相。

　　一般來(lái)說(shuō)，鎖相可分為模擬鎖相和數字鎖相兩種。衡量鎖相性能的三個(gè)技術(shù)指標是鎖相范圍、鎖相速度和穩定性。傳統的模擬鎖相電路復雜，器件參數需要調整，存在溫度漂移，精度不高。而采用數字鎖相方法，可有效消除模擬方法的缺點(diǎn)，同時(shí)具有控制靈活，裝置升級方便，可在線(xiàn)修改與調試，可靠性高，維護便利等優(yōu)點(diǎn)，是PLL技術(shù)發(fā)展的趨勢。

　　2 數字鎖相的設計與實(shí)現

　　本文數字鎖相的設計方案是：首先運用2路CAPTURE單元分別捕獲計算電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電流的頻率和相位，根據計算結果調節相應SPWM載波頻率和初始相位，從而實(shí)現光伏逆變系統輸出電流對電網(wǎng)電壓的頻率及相位的跟蹤。

　　2.1 同步信號的檢測與捕獲

　　同步信號的檢測分為電網(wǎng)電壓與逆變輸出電流的檢測。電網(wǎng)電壓頻率和相位的檢測如圖2所示。

　　電網(wǎng)電壓先經(jīng)過(guò)采樣變壓器采樣，冉把采樣電壓送到過(guò)零比較器進(jìn)行過(guò)零檢測，得到與電網(wǎng)電壓同頻同相的方波信號，然后進(jìn)行光耦隔離，并限壓在33V以下，濾去高頻干擾，最后送給DSP的CAP4端口。電網(wǎng)電壓和輸入到CAP4中的電網(wǎng)過(guò)零信號如圖3所示。逆變電流的檢測與電網(wǎng)電壓采樣相同，逆變電流信號送給DSP的CAP5端口。

　　DSP捕獲單元的作用是捕獲引腳上電平的變化，并記錄電平發(fā)生變化的時(shí)刻。本文中，CAP4和CAP5均設置為檢測到上升沿有效。由于CAP輸入信號是方波信號，因此兩個(gè)相鄰上升沿之間的間隔恰好是一個(gè)周期，同時(shí)上升沿發(fā)生的時(shí)刻就是采樣信號從負到正的過(guò)零點(diǎn)，從而實(shí)現對電網(wǎng)電壓和輸出電流頻率和相位的檢測。

　　2.2 SPWM波的產(chǎn)生機理

　　SPWM波是用正弦波與三角載波相互比較而產(chǎn)生的脈沖寬度與正弦波幅值成正比的方波信號，通常的硬件方法是直接將正弦與三角這兩種波輸入到一個(gè)由運放所構成的比較器電路進(jìn)行比較而實(shí)現的。采用DSP芯片TMS320LF2407A，用軟件方法產(chǎn)生SPWM波的機理與傳統的硬件方法不同。

　　在DSP芯片中，PWM信號的產(chǎn)生主要通過(guò)通用定時(shí)器的周期寄存器和相關(guān)比較寄存器的匹配來(lái)實(shí)現的。周期寄存器裝載著(zhù)給定三角波周期相應的計數值，比較寄存器裝載著(zhù)正弦波離散化后的各個(gè)比較點(diǎn)的幅值。設定定時(shí)器為連續增/減計數模式，當定時(shí)器的計數值與比較寄存器中的值相等時(shí)發(fā)生比較匹配，這樣在一個(gè)三角載波周期中會(huì )發(fā)生兩次匹配。在上述兩次匹配時(shí)，相應引腳的輸出電平發(fā)生翻轉。從而得到寬度不等的PWM波。

　　2.3 數字鎖相與軟件流程圖

　　數字鎖相的目標是使輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，也即讓逆變電流去跟蹤電網(wǎng)電壓的變化。輸出電流頻率是通過(guò)調整產(chǎn)生SPWM的三角載波頻率而實(shí)現的，若電流頻率小于電網(wǎng)頻率，則應減小發(fā)生SPWM信號的相關(guān)定時(shí)器周期寄存器的值，從而通過(guò)提高三角載波頻率來(lái)實(shí)現輸出電流領(lǐng)率與電網(wǎng)電壓頻率相同，反之亦然。輸出電流相位是通過(guò)調整產(chǎn)生SPWM信號正弦波離散值中的第一個(gè)點(diǎn)發(fā)生的時(shí)刻而實(shí)現的，當捕獲到電網(wǎng)電壓的過(guò)零點(diǎn)時(shí)，立即調整相應比較寄存器中正弦波離散值的指針，并作一定的時(shí)間補償。

　　頻率調整的軟件流程框圖如圖4所示。

　　頻率調整的過(guò)程是，當捕獲到上升沿產(chǎn)生中斷時(shí)，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，先保護現場(chǎng)，再判斷中斷源是CAP4還是CAP5。若是CAP4，則說(shuō)明產(chǎn)生中斷的時(shí)刻是電網(wǎng)電壓的過(guò)零點(diǎn)。將捕獲值存入Uzero寄存器，再減去上一次的捕獲值，兩者的差值正好是電網(wǎng)電壓的周期。然后拿該周期與當前逆變電流周期作比較，倘若兩者無(wú)差值，則返回;若有誤差，則對周期寄存器作相應的調整。

　　相位調整的軟件流程框圖如圖5所示。相位調整的過(guò)程是，將當前電網(wǎng)電壓與逆變電流兩者捕獲的過(guò)零值作比較，得到相位差。若相位差小于等于允許值，則說(shuō)明兩者已同相;若相位差大于允許值，則作PI調節，然后再判正弦計數值有無(wú)大于限制值，若無(wú)，則直接把相鄰兩次的差值作為調整量;若大于限制值，則只凋整限制值，在下一中斷時(shí)，再作進(jìn)一步的調整。

　　本文采用載波比N=400的SPWM同步調制技術(shù)，DSP芯片的CLOCK為40MHz(即周期25ns)，三角載波最小計數單位為l，基波頻率為50Hz(即周期20ms)，因而正弦波的最小相位差為：400×2×25ns=20μs，(20μs/20ms)×360°=0.36°。即數字鎖相精度為：O.36°/360°=0.1% 。鎖相過(guò)程實(shí)驗波形如圖6所示。

　　3 實(shí)驗結果

　　光伏并網(wǎng)發(fā)電實(shí)驗裝置中Boost升壓(55V/168V)電路、全橋逆變器和升壓變壓器(95V/220V)組成,光伏最大功率點(diǎn)工作電壓為55V,負載為電阻負載。數字鎖相系統主要通過(guò)對DSP芯片的編程來(lái)實(shí)現。圖6為鎖相過(guò)程的實(shí)驗波形圖，從圖中可看出，光伏逆變器輸出電流經(jīng)調整后與電網(wǎng)電壓同頻同相，數字鎖相環(huán)正常正作。

　　4 結語(yǔ)

　　本文所研究的基于DSP的光伏逆變系統數字鎖相技術(shù)，鎖相精度高，易于實(shí)現，不但能很好地滿(mǎn)足光伏系統并網(wǎng)的要求，而且實(shí)現了輸出端的功率因數校正控制。實(shí)驗結果驗證了本方法的可行性和有效性。