楊思俊

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安710089）

光伏并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

楊思俊

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安710089）

通過性能穩(wěn)定的DSP控制器程序設(shè)計(jì)及外圍硬件檢測(cè)電路、采樣電路的配合來實(shí)現(xiàn)在光伏并網(wǎng)發(fā)電中對(duì)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的頻率和相位控制，達(dá)到兩者同頻同相。闡述了鎖相環(huán)技術(shù)原理及軟件實(shí)現(xiàn)鎖相的基本模型；分別介紹了軟件實(shí)現(xiàn)鎖相所需的三部分硬件電路即電網(wǎng)電壓采樣電路、電網(wǎng)電壓過零檢測(cè)電路、DSP內(nèi)部功能單元；采用DSP作為控制芯片，進(jìn)行內(nèi)部功能設(shè)置；完成鎖相環(huán)的軟件設(shè)計(jì)，通過連續(xù)調(diào)整可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓周期趨近相同來實(shí)現(xiàn)輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相控制,從而實(shí)現(xiàn)了逆變器輸出電流是單位功率因數(shù)。

數(shù)字鎖相環(huán)；光伏并網(wǎng)；DSP控制；電壓過零檢測(cè)；PWM脈沖；軟件鎖相；電網(wǎng)電壓采樣

1 引言

為了保證光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變器輸出的交流信號(hào)與正常狀態(tài)下的電網(wǎng)電壓保持同頻、同相，即系統(tǒng)并網(wǎng)輸出功率因數(shù)cos Φ=1，引入鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。本文采用軟件鎖相技術(shù)，即利用DSP程序設(shè)計(jì)，并且搭建外部信號(hào)處理電路，實(shí)現(xiàn)高階、高穩(wěn)定性、設(shè)計(jì)方便的并網(wǎng)鎖相,以保證饋入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

在鎖相環(huán)技術(shù)中，關(guān)鍵要解決如何在不受電網(wǎng)電壓擾動(dòng)影響的情況下，正確檢測(cè)出電網(wǎng)電壓的零相位時(shí)刻；如何產(chǎn)生N倍于電網(wǎng)頻率的等間隔相位的離散信號(hào)。

2 鎖相環(huán)原理

鎖相環(huán)(PLL)是一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，它能夠自動(dòng)追蹤輸入信號(hào)的頻率與相位。由于傳統(tǒng)的硬件鎖相環(huán)難以克服區(qū)間飽和、零點(diǎn)漂移等問題，它逐步被高速處理器為核心的軟件鎖相環(huán)所代替。本設(shè)計(jì)中首先采用模擬器件搭建檢測(cè)電路，將相位差信號(hào)通過檢測(cè)電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)求得，送入DSP處理器，然后鎖相控制環(huán)節(jié)通過算法程序?qū)崿F(xiàn)軟件鎖相環(huán)技術(shù)[1]。

軟件鎖相環(huán)(SPLL)是由整個(gè)程序中的鑒相器程序、環(huán)路濾波器程序、數(shù)字振蕩器三個(gè)軟件部分構(gòu)成，基本模型如圖1所示。

圖1 軟件鎖相環(huán)的基本模型框圖

由瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位的關(guān)系可知：

3 鎖相環(huán)的硬件電路實(shí)現(xiàn)

軟件鎖相是由輸入信號(hào)的硬件整形電路、DSP內(nèi)部功能單元和鎖相軟件配合完成的。

利用DSP的CAP模塊捕捉電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)信號(hào)并計(jì)算當(dāng)前的電網(wǎng)周期，通過帶死區(qū)控制的PWM發(fā)生模塊，編寫程序，調(diào)節(jié)SPWM調(diào)制載波的頻率，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)電壓的頻率，并使并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同相。

通過電網(wǎng)電壓采樣檢測(cè)到與電網(wǎng)電壓同頻同相的電壓信號(hào)，經(jīng)過滯回比較器及濾波電路后產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同步的方波信號(hào)，方波信號(hào)輸入CAP對(duì)應(yīng)的管腳并捕捉電網(wǎng)電壓的上升沿跳變。將CAP設(shè)置為上升沿有效，軟件捕捉到方波信號(hào)的上升沿并記錄此時(shí)定時(shí)器計(jì)數(shù)的值，相鄰兩次計(jì)數(shù)的差值即為一個(gè)電網(wǎng)周期。在上升沿發(fā)生時(shí)刻，根據(jù)正選表格指針?biāo)幍奈恢脕砬笕〔⒕W(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓之間的相位差，根據(jù)相位差來相應(yīng)的調(diào)整指針，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓頻率和相位的檢測(cè)[4]。

（1）電網(wǎng)電壓采樣電路

如圖2所示，采用霍爾傳感器LV25-P采樣電網(wǎng)電壓，采樣的交流電壓信號(hào)為-1.5V-1.5V，由U1A進(jìn)行隔離，通過U1B將采樣的交流信號(hào)和1.5V的直流電壓信號(hào)相疊加，生成0-3V的交流電壓信號(hào)。由于LV25-P的偏差線性度小于0.2%，故信號(hào)通過由TL084組成的電壓跟隨器及濾波后送給DSP的AD轉(zhuǎn)換口[5]。

圖2 電網(wǎng)電壓采樣電路

（2）電網(wǎng)電壓過零檢測(cè)電路

如圖3所示，在進(jìn)行電網(wǎng)電壓采樣時(shí)，LM353作為滯回比較電路，對(duì)采樣的交流電網(wǎng)電壓進(jìn)行過零點(diǎn)檢測(cè)。將正弦交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為50Hz的方波信號(hào)并送至DSP的CAP口[6]，當(dāng)上升沿跳變時(shí)(電網(wǎng)電壓從負(fù)變?yōu)檎缭搅爿S時(shí))，CAP檢測(cè)到電網(wǎng)電壓脈沖，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)捕獲中斷信號(hào)。

（3）DSP的內(nèi)部功能單元

在本系統(tǒng)的軟件鎖相過程中，主要涉及定時(shí)(PWM)中斷和捕捉(CAP)中斷。DSP內(nèi)部為CAP分配一個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)基T2，設(shè)定為遞增計(jì)數(shù)模式，計(jì)數(shù)頻率設(shè)定為1.25MHz，數(shù)字鎖相環(huán)的頻率范圍為50± 0.5Hz，這樣，可求得兩次中斷計(jì)數(shù)器的差值。

當(dāng)數(shù)字鎖相環(huán)的頻率在49.5-50.5Hz范圍變化時(shí)，兩次中斷計(jì)數(shù)器的差值變化范圍是24752-25252。當(dāng)軟件捕捉到相鄰的兩個(gè)上升沿跳變時(shí)，會(huì)記錄下兩個(gè)時(shí)刻計(jì)數(shù)器T2中寄存器的值，則相鄰兩次計(jì)數(shù)器的差值即為所測(cè)電網(wǎng)電壓的周期。

圖3 電網(wǎng)電壓過零檢測(cè)電路

由于相位檢測(cè)比較復(fù)雜，而周期檢測(cè)相對(duì)方便，根據(jù)周期與相位之間的積分關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中將頻率或周期作為輸入變量，采用過零比較法進(jìn)行頻率和相位鎖定。在定時(shí)（PWM）中斷中，計(jì)算并輸出逆變器的參考正弦波信號(hào)，通過電網(wǎng)電壓的上升沿（電網(wǎng)電壓從負(fù)變?yōu)檎缭搅爿S時(shí)）產(chǎn)生中斷，并將此刻電網(wǎng)電壓的周期T1與設(shè)定的T0進(jìn)行比較，如果電網(wǎng)電壓的周期大于設(shè)定周期表示此時(shí)的頻率小于正常的50Hz，并根據(jù)已求取的相位差△θ漸近移動(dòng)正弦表格指針，來“靠近”正常電網(wǎng)電壓的周期和頻率，以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的相位漸近跟蹤[7]。

在程序設(shè)計(jì)中，使PWM中斷優(yōu)先級(jí)高于捕捉中斷，PWM中斷時(shí)間間隔設(shè)置為100us，將正弦表格分為200個(gè)點(diǎn)，則每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電角度為1.8度，載波頻率為10KHz，CPU時(shí)鐘頻率為40MHz，理論上的最小相差僅為0.18度，功率因數(shù)cosΦ=0.999。

4 鎖相環(huán)軟件設(shè)計(jì)

程序流程如圖4所示，當(dāng)DSP的CAP模塊檢測(cè)到電網(wǎng)電壓同步信號(hào)的上升沿跳變時(shí)，便產(chǎn)生捕獲中斷，使正弦波離散表的指針復(fù)位到零，該表存儲(chǔ)在比較寄存器中。而PI外環(huán)控制得到的下一周期瞬時(shí)電流的預(yù)測(cè)值乘以正弦波離散表指針?biāo)傅刂分械臄?shù)據(jù)，形成瞬時(shí)電流使得瞬時(shí)電流相位與電網(wǎng)電壓的相位保持一致即為實(shí)現(xiàn)同相控制。在中斷程序中，算出電網(wǎng)電壓的周期(約20ms，兩次上升沿跳變的間隔)，由于電網(wǎng)周期約為20ms，PWM載波周期設(shè)置為約50μs，20ms/50μs=400，故一個(gè)電網(wǎng)周期對(duì)應(yīng)400個(gè)載波周期。將400個(gè)PWM載波周期的和與電網(wǎng)電壓的周期相比較，根據(jù)（比較后的誤差）不斷調(diào)整PWM的載波周期[8]。若輸出電流的周期大于電網(wǎng)電壓的周期，則應(yīng)使發(fā)生SPWM三角載波信號(hào)的周期寄存器中的值減小。通過連續(xù)調(diào)整可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓周期趨近相同來實(shí)現(xiàn)輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相控制。

圖4 鎖相環(huán)子程序

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Technology of Photovoltaic Grid Current and Grid Voltage with Same Frequency and Phase

Yang Sijun
（Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an 710089，China）

Through programming of the stable DSP controller and combination of the peripheral devices such as hardware detection circuit and sampling circuit,the frequency and phase control of the photovoltaic(pv)grid current and grid voltage are implemented to make the same frequency and phase.This paper introduces the principle of PLL and the basic model of software phase lock；It respectively introduces the software implementation phase locking the three parts of hardware circuit, i.e.power grid voltage sampling circuit,grid voltage zero crossing detection circuit and DSP internal functional units；It uses DSP as control chip to set the internal function,and uses the software of SPLL design,through the continuous adjustment of grid current for approaching the grid voltage cycle to the same output current frequency,to control the current and the voltage in the same frequency and phase and make the inverter output current with the unit power factor.

Digital PLL；Grid-connected photovoltaic power；DSP control；Voltage zero crossing detection；PWM pulse；SPLL；Grid voltage sampling

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.01.021

TN73

A

1002-2279-（2017）01-0083-03

楊思?。?981-），女，陜西省渭南市潼關(guān)縣人，講師,碩士研究生，主研方向:嵌入式控制、開關(guān)電源。

2016-05-24