0 引言

    在新能源并網(wǎng)發(fā)電中,，鎖相環(huán)的應(yīng)用非常廣泛。逆變器的并網(wǎng)就需要傳感器對電網(wǎng)相位,、頻率信息的采集,，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。如何對電網(wǎng)電壓信息準(zhǔn)確快速地獲取成為并網(wǎng)逆變器研究的焦點(diǎn),。傳統(tǒng)的硬件鎖相環(huán)由硬件電路對電壓的過零點(diǎn)檢測,，雖成本較低且易于實(shí)現(xiàn)，但易受外界條件的干擾且精度不高,。為了使逆變器在并網(wǎng)時(shí)輸出電流能快速準(zhǔn)確地跟蹤上電網(wǎng)電壓相位,，數(shù)字化鎖相技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生^[1-3]。鎖相環(huán)的作用在于產(chǎn)生相位角,，使并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓保持同頻同相,，同時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算電網(wǎng)的當(dāng)前相位以便進(jìn)行坐標(biāo)變換來完成電流內(nèi)環(huán)解耦^[4]。本文利用互感器實(shí)現(xiàn)了基于預(yù)測電流無差拍方法結(jié)合改進(jìn)的解耦方法和空間矢量調(diào)制的策略^[5-6],，很好地解決三相逆變器在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)鎖相問題,。在MATLAB/Simulink軟件下搭建模型并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)基于互感器的數(shù)字鎖相環(huán)在鎖相精度和速度方面具有良好的效果,。

1 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,，直流側(cè)一般由兩個(gè)支撐電容^[7]串聯(lián)而成，起到穩(wěn)定母線電壓,，吸收紋波電流,、功率解耦、均壓等作用,。而在實(shí)際應(yīng)用中,，還需在每個(gè)電容兩端 并聯(lián)一定阻值的均壓電阻，其作用一是進(jìn)一步解決均壓的問題,，二是在系統(tǒng)停機(jī)時(shí),，可以提供一個(gè)能量釋放的通道，所以這個(gè)電阻可以稱為均壓電阻或釋放電阻。

    樣機(jī)設(shè)計(jì)功率1.2 kVA,，支撐電容的計(jì)算有多種方法,，目前還沒有統(tǒng)一的定論，本設(shè)計(jì)根據(jù)式(1)方法計(jì)算,，得C_d為332 μF,，選擇兩只450 V/1 000 μF電解電容串聯(lián)，等效電容容值500 μF,，泄放電阻選擇10W30KJ,。

    本設(shè)計(jì)對電網(wǎng)電壓信息的采集依賴互感器實(shí)現(xiàn)，互感器是一種利用電磁感應(yīng)原理對信號采集的傳感器^[8],。電壓互感器原理上是電流型電壓互感器,，所以電壓檢測電路與電流檢測電路類似，參數(shù)設(shè)置也可以參考,。以電流檢測電路為例,，如圖2所示。

    電流互感器初級串聯(lián)在輸出電路中,，次級近似短路狀態(tài),，第一級將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號；第二級是為后加運(yùn)放提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓,；第三級是一個(gè)差分放大電路,，放大電壓信號；最后一級為電壓跟隨,，起阻抗變換作用,，提高電路帶負(fù)載能力，A/D輸入利用鉗位二極管使得電壓鉗位在3.3 V,。

    對于電網(wǎng)頻率的采集使用的是過零檢測電路,，根據(jù)電網(wǎng)的檢測信號設(shè)置A/D采樣頻率，兩個(gè)零點(diǎn)之間的 時(shí)間就是電網(wǎng)的周期,，過零檢測電路如圖3所示,。

    過零檢測電路第一級與電路檢測電路作用相同，將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?；第二級LM339是比較器,，將正弦信號轉(zhuǎn)變頻率相同的-5 V~+5 V的方波信號；第三級是一個(gè)反相器,，將信號轉(zhuǎn)換為0~5 V的方波信號,；然后經(jīng)過第四級第五級限幅反向送入到DSP中，控制DSP是上升沿出發(fā)還是下降沿出發(fā)就可以獲得相應(yīng)的頻率,，鉗位二極管起到保護(hù)I/O口的作用,。

2 無差拍功率解耦控制

    對于圖1根據(jù)KVL可得，

    根據(jù)式(4)離散化處理后進(jìn)行無差拍跟蹤控制，電壓外環(huán)PI控制,，電流內(nèi)環(huán)無差拍控制^[9],，采用無差拍有利于數(shù)字化控制的實(shí)現(xiàn),。

    對式(2)進(jìn)行abc/dp變換,，可得與電網(wǎng)電壓同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的模型：

式中，u_d,，u_q為逆變器輸出電壓矢量的dq分量,；e_d，e_q為三相電網(wǎng)電壓矢量的dq分量,；i_d,，i_q為逆變器輸出電流矢量的dq分量；ω為電網(wǎng)電壓角頻率,。

    式(5)可以發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電壓不僅影響軸電流,，而且受交叉耦合影響，所以要對dq軸的電流解耦^[10],。

    在e_a,，e_b，e_c平衡狀態(tài)下,，電網(wǎng)電壓矢量選取直軸方向定向,，即e_d=E_S，e_q=0,，通過對u_d和i_d的調(diào)節(jié),，從而調(diào)節(jié)輸出有功功率。電網(wǎng)電壓合成矢量E_s,，電感上的電壓矢量V_L,，電阻電壓矢量V_R，并網(wǎng)電流矢量I_s,，功率因數(shù)角,，空間矢量圖如圖4所示。

    代入式(5)可得：

    傳統(tǒng)解耦框圖如圖5所示,，利用PI調(diào)節(jié)器完成輸出電流對參考電流的直交軸分別跟蹤,。

    改進(jìn)的解耦方法直接引入?yún)⒖茧娏鞯慕怦睿到y(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度更快,，且不含有橋臂脈動分量,，避免了脈動分量之間的耦合，從而提高了入網(wǎng)電流質(zhì)量^[11],。改進(jìn)交流電流內(nèi)環(huán)解耦框圖如圖6所示,。

    解耦后功率為：

式中，P為有功功率，Q為無功功率,。這樣就實(shí)現(xiàn)了功率解耦控制,，從逆變器側(cè)來看，若直軸電流為正,，交軸電流為零,，輸出能量全部為有功功率，為單位功率因數(shù)逆變,；若直軸電流為正,，交軸為負(fù)，可以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)無功補(bǔ)償,。改變直交軸電流分量,，就能夠調(diào)節(jié)并網(wǎng)功率和電能質(zhì)量。

3 實(shí)驗(yàn)

    為了更好地驗(yàn)證該控制策略的可行性和可靠性,，研制了一臺1.2 kVA樣機(jī),，處理器使用了TI公司的TMS320F2812，驅(qū)動芯片使用了IR公司的IR2132,，功率器件使用了IR公司型號為IRFP460的MOSFET,。實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)一致。 

    當(dāng)開關(guān)頻率為10 kHz時(shí),，逆變器輸出電壓波形如圖7所示,，可以看出，由于開關(guān)頻率不夠高,，濾波器參數(shù)不適配,，峰頂有包絡(luò)，高頻分量多,，此時(shí)含有較多的諧波分量,；當(dāng)開關(guān)頻率為20 kHz時(shí)，逆變器輸出電壓波形如圖所示,，可以看出,，此時(shí)波形明顯好于10 kHz，此時(shí)濾波電感為3 mH,，濾波電容2.2 μF,。

    圖8(a)是M為0.9時(shí)的濾波前電壓波形。圖8(b)是輸出電壓和輸出電流波形,，調(diào)制比M由逆變器輸出相電壓與直流母線電壓共同決定的,，一般情況下盡可能地使調(diào)制比接近于1。

    圖9(a)為電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)檢測時(shí)測出的波形,，從圖中可以看出,，電網(wǎng)電壓和方波電壓頻率一致,，從而可以利用DSP捕獲中斷捕獲上升沿或者下降沿信號獲取電網(wǎng)頻率信息。圖9(b)為電網(wǎng)電壓鎖相角,，實(shí)驗(yàn)波形是通過DSP將角度轉(zhuǎn)換成正值從DA口顯示出來,。從波形可以看出，該鎖相角的變化范圍從0到2π,。

    由于基于電流預(yù)測無差功率解耦控制策略將電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流實(shí)現(xiàn)了雙閉環(huán)控制,，解耦后可以通過控制i_d和i_q從而調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的輸出能量和功率因數(shù)，達(dá)到了調(diào)節(jié)并網(wǎng)功率和電能質(zhì)量的效果,。

4 結(jié)論

    本文從理論和實(shí)驗(yàn)上分析和驗(yàn)證了基于互感器的數(shù)字鎖相環(huán)可行性,，結(jié)合電流預(yù)測無差拍方法和空間矢量調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到1.2 kVA樣機(jī)中,。從仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,，該方法對于并網(wǎng)鎖相有很強(qiáng)的適用性，同時(shí)也可以看出該數(shù)字鎖相環(huán)具有良好的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性,，可以實(shí)現(xiàn)對給定電流進(jìn)行快速精確地跟蹤,，鎖相波形效果良好。

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作者信息:

何松原1,，陳  榮1，2

（1.江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,，江蘇 鎮(zhèn)江212013,；2.鹽城工學(xué)院 電氣學(xué)院，江蘇 鹽城224051）