0 引言

　　在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù),，其控制精確度直接影響到系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)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)工作切換過群中會(huì)產(chǎn)生逆變器與電網(wǎng)之間的環(huán)流,，對(duì)沒備造成沖擊,，這樣會(huì)縮短設(shè)備使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成設(shè)備的損壞,。

　　TI公司生產(chǎn)的高速數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C2000系列,，不僅體積小、功耗小,、可靠性高,，而且內(nèi)部集成了12路PWM發(fā)生器、6路CAPTURE單元電路等外設(shè)電路,，非常適合于PWM信號(hào)的控制及鎖相環(huán)的數(shù)寧實(shí)現(xiàn),。本文采用了一種基于DSP芯片TMS320C2407A實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)字鎖相的與法，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)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(tǒng),，能夠自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)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(hào)的整數(shù)倍頻或分?jǐn)?shù)倍頻的輸出控制信號(hào),。鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)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(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)Uo進(jìn)行整數(shù)或分?jǐn)?shù)倍頻,。鑒相器是用來比較輸入信號(hào)Ui與倍頻器輸出的鎖相信號(hào)Ub之間的相位差，并把該相位差轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)Ue,。環(huán)路濾波器通常具有低通特性,，作用是濾除電壓信號(hào)Ue中高頻分量與其它噪聲信號(hào)，產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓控制信號(hào)Ue,。壓控振蕩器的振蕩頻率受電壓控制信號(hào)Ue的控制,，完成電壓-頻率的變換作用，從而實(shí)現(xiàn)鎖相,。特殊情況,，當(dāng)倍頓器的倍頻數(shù)為1時(shí)，即Ub=Uo,，這時(shí)實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了輸出信號(hào)Uo與輸入信號(hào)Ui之間的直接鎖相,。

　　一般來說，鎖相可分為模擬鎖相和數(shù)字鎖相兩種,。衡量鎖相性能的三個(gè)技術(shù)指標(biāo)是鎖相范圍,、鎖相速度和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的模擬鎖相電路復(fù)雜,，器件參數(shù)需要調(diào)整,，存在溫度漂移，精度不高,。而采用數(shù)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(jí)方便,，可在線修改與調(diào)試，可靠性高,，維護(hù)便利等優(yōu)點(diǎn),，是PLL技術(shù)發(fā)展的趨勢。

　　2 數(shù)字鎖相的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　本文數(shù)字鎖相的設(shè)計(jì)方案是：首先運(yùn)用2路CAPTURE單元分別捕獲計(jì)算電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電流的頻率和相位,，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)節(jié)相應(yīng)SPWM載波頻率和初始相位,，從而實(shí)現(xiàn)光伏逆變系統(tǒng)輸出電流對(duì)電網(wǎng)電壓的頻率及相位的跟蹤。

　　2.1 同步信號(hào)的檢測與捕獲

　　同步信號(hào)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)過采樣變壓器采樣，冉把采樣電壓送到過零比較器進(jìn)行過零檢測，得到與電網(wǎng)電壓同頻同相的方波信號(hào),，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)過零信號(hào)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(hào)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(shè)置為檢測到上升沿有效,。由于CAP輸入信號(hào)是方波信號(hào),，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(hào)從負(fù)到正的過零點(diǎn),，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)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(hào)，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(yùn)放所構(gòu)成的比較器電路進(jìn)行比較而實(shí)現(xiàn)的,。采用DSP芯片TMS320LF2407A,，用軟件方法產(chǎn)生SPWM波的機(jī)理與傳統(tǒng)的硬件方法不同。

　　在DSP芯片中,，PWM信號(hào)的產(chǎn)生主要通過通用定時(shí)器的周期寄存器和相關(guān)比較寄存器的匹配來實(shí)現(xiàn)的,。周期寄存器裝載著給定三角波周期相應(yīng)的計(jì)數(shù)值，比較寄存器裝載著正弦波離散化后的各個(gè)比較點(diǎn)的幅值,。設(shè)定定時(shí)器為連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式,，當(dāng)定時(shí)器的計(jì)數(shù)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(yīng)引腳的輸出電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)。從而得到寬度不等的PWM波,。

　　2.3 數(shù)字鎖相與軟件流程圖

　　數(shù)字鎖相的目標(biāo)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調(diào)整產(chǎn)生SPWM的三角載波頻率而實(shí)現(xiàn)的,，若電流頻率小于電網(wǎng)頻率,，則應(yīng)減小發(fā)生SPWM信號(hào)的相關(guān)定時(shí)器周期寄存器的值，從而通過提高三角載波頻率來實(shí)現(xiàn)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調(diào)整產(chǎn)生SPWM信號(hào)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(xiàn)的，當(dāng)捕獲到電網(wǎng)電壓的過零點(diǎn)時(shí)，立即調(diào)整相應(yīng)比較寄存器中正弦波離散值的指針,，并作一定的時(shí)間補(bǔ)償,。

　　頻率調(diào)整的軟件流程框圖如圖4所示。

　　頻率調(diào)整的過程是,，當(dāng)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(hù)現(xiàn)場,，再判斷中斷源是CAP4還是CAP5,。若是CAP4，則說明產(chǎn)生中斷的時(shí)刻是電網(wǎng)電壓的過零點(diǎn),。將捕獲值存入U(xiǎn)zero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(dāng)前逆變電流周期作比較,，倘若兩者無差值，則返回,；若有誤差,，則對(duì)周期寄存器作相應(yīng)的調(diào)整。

　　相位調(diào)整的軟件流程框圖如圖5所示,。相位調(diào)整的過程是,，將當(dāng)前電網(wǎng)電壓與逆變電流兩者捕獲的過零值作比較，得到相位差,。若相位差小于等于允許值,，則說明兩者已同相；若相位差大于允許值,，則作PI調(diào)節(jié),，然后再判正弦計(jì)數(shù)值有無大于限制值，若無,，則直接把相鄰兩次的差值作為調(diào)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(diào)整。

　　本文采用載波比N=400的SPWM同步調(diào)制技術(shù),，DSP芯片的CLOCK為40MHz(即周期25ns),，三角載波最小計(jì)數(shù)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(shù)字鎖相精度為：O.36°/360°=0.1％ 。鎖相過程實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示,。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　光伏并網(wǎng)發(fā)電實(shí)驗(yàn)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(fù)載為電阻負(fù)載。數(shù)字鎖相系統(tǒng)主要通過對(duì)DSP芯片的編程來實(shí)現(xiàn),。圖6為鎖相過程的實(shí)驗(yàn)波形圖,，從圖中可看出，光伏逆變器輸出電流經(jīng)調(diào)整后與電網(wǎng)電壓同頻同相,，數(shù)字鎖相環(huán)正常正作,。

　　4 結(jié)語

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