0引言

在可再生能源不斷減少的今天，太陽(yáng)能的研究利用顯得日益重要，其中太陽(yáng)能光伏利用受到世界各國(guó)的普遍關(guān)注，而太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽(yáng)能光伏利用的主要發(fā)展趨勢(shì)，必將得到快速的發(fā)展。光伏并網(wǎng)發(fā)電的效率高低就是看光伏并網(wǎng)發(fā)電的電流是否和電網(wǎng)電壓同頻同相，鎖相環(huán)技術(shù)就是使光伏并網(wǎng)發(fā)電的電流和電網(wǎng)電壓同頻同相的技術(shù)。本文基于單相兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)一種新型數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)［1］進(jìn)行了研究。

1光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

光伏并網(wǎng)逆變器按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大體可分為單級(jí)隔離型、兩級(jí)非隔離型和多級(jí)隔離型。單級(jí)隔離型由于輸出端要加一個(gè)工頻的隔離變壓器，從而使系統(tǒng)體積大、成本高和噪音大;多級(jí)隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，使控制復(fù)雜，而且能量變換級(jí)數(shù)多，使系統(tǒng)整體效率不高。綜合以上分析，該實(shí)驗(yàn)儀采用兩級(jí)非隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［2］。整個(gè)主電路的拓?fù)浞绞讲捎脙杉?jí)級(jí)聯(lián)，前級(jí)DC/DC變換器和后級(jí)DC/AC逆變器。圖1為逆變主電路的原理圖。前級(jí)的DC/DC升壓電路采用Boost電路，該電路不僅要實(shí)現(xiàn)前端太陽(yáng)能電池陣列的最大功率輸出，而且還要保持直流母線電壓的穩(wěn)定［3］;后級(jí)DC/AC電路不僅要按前端的最大功率輸出電流，而且要使輸出電流和電網(wǎng)電壓同頻同相。

2新型數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

新型數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)是在傳統(tǒng)鎖相環(huán)的基礎(chǔ)上，采用更為先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)控制器芯片(DSP)，結(jié)合主動(dòng)相位調(diào)整技術(shù)的控制算法的一種鎖相環(huán)技術(shù)。相比傳統(tǒng)的鎖相環(huán)技術(shù)，它具有控制精度更高、控制效果更好等優(yōu)點(diǎn)［4］。

2．1傳統(tǒng)鎖相環(huán)

鎖相環(huán)電路是一種反饋控制電路(簡(jiǎn)稱鎖相環(huán)，PLL)，它可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤。傳統(tǒng)的數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)就是通過(guò)電壓、電路檢測(cè)電網(wǎng)電壓的相位，然后在每個(gè)電網(wǎng)電壓的相位為零時(shí)，調(diào)整輸出電流的相位從零輸出以達(dá)到同相的目的［5］。其優(yōu)點(diǎn)是算法和控制簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是由于輸出電感的存在使得并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓之間有固定的相差，使得并網(wǎng)功率因數(shù)不高［6］。

2．2電網(wǎng)電壓的過(guò)零捕獲電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的檢測(cè)電路如圖2所示。電網(wǎng)電壓經(jīng)由R1、R2、R3、R4、U1B組成的差分電路轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入由運(yùn)放U1A構(gòu)成的過(guò)零比較電路。放大器的反向端接地，即反向端電位始終為零，當(dāng)同相端電位＞0時(shí)，即同相端電位比反相端高時(shí)，放大器輸出最大正電壓;當(dāng)同相端電位比反相端低時(shí)，放大器輸出最小負(fù)電壓。這樣就把電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)化為與其有相同過(guò)零點(diǎn)的TTL信號(hào)，即電網(wǎng)電壓上升過(guò)零點(diǎn)處脈沖信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑鐖D2所示［7］。考慮到該過(guò)零比較電路是直接連接到數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的捕獲端口上，而捕獲端口要求加載在上面的電壓值不能超過(guò)TMS320LF2407A型芯片的供電電壓值3．3V，而且該信號(hào)不能干擾DSP芯片的正常工作。因此在實(shí)驗(yàn)電路中，加入光耦TLP521-2對(duì)其進(jìn)行隔離限壓［8］。電網(wǎng)電壓過(guò)零點(diǎn)，通過(guò)該捕獲電路后得到的波形如圖3所示。可以看到，經(jīng)過(guò)該捕獲電路后，就得到與電網(wǎng)電壓同相位的方波信號(hào)了。

2．3主控單元

DSP是近年來(lái)發(fā)展的高速數(shù)字信號(hào)處理器，它以處理速度快、精度高及外設(shè)功能強(qiáng)的特點(diǎn)在信息處理、實(shí)時(shí)控制等方面得到了廣泛應(yīng)用。其中，為了滿足電力電子控制設(shè)計(jì)的需求，TI公司專門(mén)為此設(shè)計(jì)了DSP芯片TMS320LF2407A。該芯片采用高性能的CM0S技術(shù)，供電電壓降為3．3V，大大減小了控制器的功耗，處理速度大為提高，使得指令周期縮短至25ns，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力［9］。它具有2個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB(每個(gè)模塊均包括2個(gè)16位通用定時(shí)器、8個(gè)16位的PWM通道和3個(gè)捕獲單元等資源)、16通道輸入的10位ADC轉(zhuǎn)換器，強(qiáng)大而豐富的內(nèi)外設(shè)功能為其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜和高精度的控制提供了有力保證。該款芯片使系統(tǒng)的硬件電路顯得格外的簡(jiǎn)單，但同時(shí)具有更強(qiáng)的功能［10］。整個(gè)系統(tǒng)的控制部分由TMS320F2407完成，工作原理如圖4所示。

2．4新型數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)

數(shù)字鎖相環(huán)的過(guò)程分為頻率跟蹤和相位同步兩部分［11］。(1)頻率跟蹤的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。根據(jù)電網(wǎng)電壓頻率的允許波動(dòng)范圍(50±1)Hz，由于通用定時(shí)器1設(shè)為遞增計(jì)數(shù)模式，64分頻。50Hz對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器T1CNT的值為12500，則(50±1)Hz對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器的變化范圍是12279～12755。當(dāng)電網(wǎng)電壓上升沿捕獲中斷時(shí)，讀取CAP2FIFO的值，通過(guò)相應(yīng)轉(zhuǎn)換得到當(dāng)前電網(wǎng)電壓的頻率，用這個(gè)頻率值來(lái)改變等腰三角載波的周期，即周期寄存器T3PR，以改變輸出并網(wǎng)電流的周期，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤的目的［12］。(2)相位同步的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。在對(duì)應(yīng)的中斷中，讀取CAP2FIFO的值得到電網(wǎng)電壓的頻率，讀取CAP1FIFO的值得到并網(wǎng)電流的頻率，通過(guò)計(jì)算兩者的數(shù)值差得到兩者的相位差，用該值去調(diào)整輸出正弦表指針的起始值，從而實(shí)現(xiàn)相位同步［13-14］。

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由主程序和中斷服務(wù)子程序構(gòu)成。其中中斷服務(wù)程序適用于處理實(shí)時(shí)性要求較高的功能，如數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計(jì)、SPWM模式發(fā)生及脈沖輸出等。數(shù)字鎖相環(huán)是在CAP捕獲中斷子程序中實(shí)現(xiàn)的，其目的是提高系統(tǒng)處理的實(shí)時(shí)性，使系統(tǒng)更加快速、高效。新型數(shù)字鎖相環(huán)流程圖如圖5所示。4兩種鎖相技術(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果首先采用傳統(tǒng)的鎖相環(huán)技術(shù)做了單相光伏逆變并網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)，所得到的并網(wǎng)波形如圖6所示。從圖中可以看出，傳統(tǒng)的數(shù)字鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓的相位為零時(shí)，調(diào)整輸出電流的相位從零輸出，但由于有輸出濾波電感的影響，使得并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓存在一定的相位差［15］。采用新型數(shù)字鎖相技術(shù)后進(jìn)行逆變并網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)波形見(jiàn)圖7。從實(shí)驗(yàn)波形可以看出，采用新型數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)后并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓之間的相位差幾乎為零，達(dá)到了同頻同相輸出。

5結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由于采用DSP2000系列中的LF2407A作為主控單元，提出了一種新型的數(shù)字鎖相技術(shù)，不僅能根據(jù)電網(wǎng)電壓的頻率變化實(shí)現(xiàn)變頻輸出，還能根據(jù)并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的相位偏差進(jìn)行主動(dòng)的相位調(diào)整，使輸出電流和電網(wǎng)電壓同相。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該鎖相技術(shù)的可行性。