新型锁相技术在光伏并网系统中的应用

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新型锁相技术在光伏并网系统中的应用

周方圆１。龚芬１，胡前１，彭振江２

（１．株洲交流技术国家工程研究中心有限公司湖南株洲４１２００１

２．长沙理工大学电气与信患工程学院，湖南长沙４１００７７）

【摘要】为了满足光伏并网系统输出电流锁相快速、稳定和高精度的要求，本文提出了

一种新型基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的软件锁相算法和硬件电路结构。该算法是对周期寄存器值进行ＰＩ调节的同时也对调制正弦表的指针变量进行比例调节，提高了锁相快速性和稳定性。在自制的样机上验证了本文所用算法的实用性，能较好地满足光伏并网和单位功率因数的要求。

【关键词】光伏并网；ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２；闭环控制；软件锁相

Ｏ．引言’

光伏发电是直接将太阳光转换为电能的一种发电形式，随着全球能源问题的日益凸显，光伏并网发电的优势越来越明显。光伏并网逆变器是光伏并网发电的核心部分，其主要功能是将太阳能光伏电池发出的直流电转换为交流电。对电网的跟踪控制是整个逆变系统控制的核心，直接关系到系统的输出电能质量和运行效率。为了使并网电流与电网电压同频同相，实现单位功率输出，必须使用锁相环，而为了解决因电网电压波动等不确定的因素导致的瞬态过冲电流、环流等问题，必须提高锁相环的稳定性、精度和反应速度Ｉｌ－３】。

基于ＤＳＰ２８１２芯片的软件锁相方法一般有３种，即指针归零法、先调频后滑相法、调频调相同时进行法。其中调频调相同时进行法是使用范围较广的一种方法［４１。传统的调频调相同时进行法是对周期寄存器值ＴＩＰＲ进行调节，达到频率和相位同时调节的目的【５‘７１。这种方法容易实现并且精度高，但是存在着锁相速度不快而且抗干扰能力不强的缺点。

本文提出了一种基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２型ＤＳＰ的同时调频调相锁相方法，有效的解决了以上问题，并在实验样机上验证了该方法的有效性。

１．新型软件锁相的原理

光伏并网系统原理图如图１所示，系统由ＤＣ／ＡＣ逆变环节，ＬＣ滤波器，隔离变压器，采样检测电路，ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２型ＤＳＰ以及隔离驱动电路组成蹲州。ＤＣ／ＡＣ逆变环节将光伏电池输出的直流电转换为交流电；ＬＣ滤波器能够滤除逆变输出的高次谐波；工频变压器Ｔ使电网电压和发电系统相互隔离；采样检测电路将检测到的电压电流幅值、频率和相位信号整定后输入到ＤＳＰ的ＣＡＰ、ＡＤ引脚；ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２型ＤＳＰ作为控制核心对采样的信号进行处理，其输出的ＳＰＷＭ信号通过控翩ＩＧＢＴ通断来调节逆变器输出电压电流［ＩＯ－１１１；隔离电路将弱电部分和强电部分电气隔离，驱动电路用来驱动ＩＧＢＴ。上述结构组成了一个闭环控制系统（锁相环）［１２－１４１，通过对该闭环系统进行合理的设置就可使得逆变器并网电流实现对电网电压相位频率的跟踪，即完成锁相功能Ｉｌ５。。

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ＤＳＰＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的两个事件管理器ＥＶＡ、ＥＶＢ最多能够产生８对互补的ＳＰＷＭ波，每一对ＳＰＷＭ波驱动一个ＩＧＢＴ桥臂，控制ＩＧＢＴ通断，从而实现直流电—交流电的转换ｐ６－１７】。

为了解决光伏并网逆变锁相技术存在的反应速度不够，稳定性不足等问题，本文提出了一种同时调频调相的锁相算法，该算法在传统的调频调相同时进行法的基础上进行了改进，使得该方法具有较好的快速性与稳定性。

图１光伏并网系统原理圈

１．１．快速性分析

设电网电压为ｕ，则ｕ＝Ｕｌｓｉｎ（∞ｌｔ＋巾ｌ（ｔ”，并网电流ｉ－Ｉ。ｓｉｎ（ｃＯｏｔ＋札（Ⅲ，则ｕ与ｉ的相量卧１８１如图２所示。当电网电压超前并网电流时，必须增大ｃｏｏ，加快相量ｊ¨的旋转速度，反之，则必须减小ＣＯｏ，锁相的目的是使相量ｊ与相量ｕ完全重合，可见能通过改变周期寄存器值ＴＩＰＲ来调节并网电流的频率，达到锁相的目的，这也是很多文献中提出的软件锁相方法。

＋１

图２电嘲电压和并罔电流相■圈

为了提高锁相速度，除了改变相量的旋转速度外还可以直接对△９进行调节，即在对周期寄存器值Ｔ１ＰＲ进行ＰＩ调节的同时对调制正弦表的指针变量Ｓ伽ｍ进行比例调节。如图２所示，Ｉｏ为调节Ｓ２９６

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值后的并网电流，可见每一次锁相调节都会使相位差增加一个缩小角度却（ｔ），设比例调节系数为Ｋｐ２，一个周期采样次数为ｎ，对调制正弦表的指针变量Ｓｎｕｍ加１后并网电流相位变化角度为九，则：

幽姗＝Ｘｐ２Ａ口，

九＝—３６—０

ｎ（１）（２）

由（１）和（２）可得：舭）＝蚴＝詈＝ｌ【ｐ２畔（３）

由（３）式可见能够通过合理设置Ｋｐ２的大小来控制锁相速度。

１．２．稳定性分析

图３为锁相环控制方框图，其中巾。为并网电流过零点相位，巾 ’为电网电压的过零点相位，‘为电网电压频率，巾为捕获模块捕捉到的相位，１／（１＋ＴＳ）为采样延迟环节１７１，ｔ为过零检测电路输入电压与输出电压之间的相移角；ＰＩ控制的输出调节周期寄存器值Ｔ１ＰＲ，Ｐ控制的输出调节调制正弦表的指针Ｓｎｕｍ，两个调节同时进行。为了避免锁相环振荡失调，必须合理设置ＰＩ控制与Ｐ控制的参数。由图２可得锁相环的闭环传递函数为：

Ｇ（ｓ）：、７

１＋【（Ｋｐｌ＋Ｋｊｌ／Ｓ）２ｘ／Ｓ＋Ｋｐ２】【１，（１＋ＴＳ）】暨立驽！墅塾！璺±墅２坚塑！璺

；憎＋（１＋Ｋｐ２炒＋２咖ｓ＋姗ｌ

由上式知闭环系统的特征方程为：鱼塑坚￡±！型坐望！ｓ±兰仰望。ｘｌ＋Ｔｓ）／ｎ（４）

Ｄ（ｓ）＝ＴＳ３＋（１＋Ｋｐ２）ｓ２＋２ｎＫｐｌＳ＋２ｎＫｉｌ

根据劳斯稳定判据，使得锁相环稳定的控制参数条件是：（５）

（１）Ｋｉｌ＞０

（２）Ｋｐ２＞一ｌ且当Ａｑ，＞０时，Ｋｐ２＜０；当Ａｃｐ＜０时，Ｋｐ２＞０

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（３）Ｋｐ－＞而ＴＫｉＩ

图３锁相环控制方框图

锁相环的硬件电路设计

本文设计的锁相环硬件电路由ＤＣ／ＡＣ逆变环节，ＬＣ滤波器，隔离变压器，过零检测电路，

图４电网电压过零检测电路由于电网中的干扰信号和逆变器本身产生的谐波会对采样精度造成影响，需要对采样信号ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２型ＤＳＰ以及隔离驱动电路构成。其中ＤＣ／ＡＣ逆变环节采用全桥逆变结构，其开关管使用ＦＧＡ２５Ｎ１２０型ＩＧＢＴ；输出滤波电感为ｌｍＨ，滤波电容为１５心；隔离驱动电路分别采用６Ｎ１３７型光耦隔离芯片和驱动芯片ＩＲ２１３０；过零检测电路由霍尔传感器、滤波电路、过零比较电路和限幅电路构成，电网电压过零检测电路设计以及各元件选型如图４所示。由传感器检测到的交流信号经滤波之后输入到ＬＭ３２４Ｎ的：１２引脚，）队ＬＭ３２４Ｎ的１４引脚输出±１５ｖ方波信号，最后通过限幅电路将±１５Ｖ的方波信号整定到０．３．３Ｖ之间（ＤＳＰ片内ＣＡＰ引脚输入电压规定范围为Ｏ．３．３Ｖ）ｏ并网电流过零检测电路和电网电压过零检测电路结构一样，只是在其霍尔传感器选型上有区别，电网电压过零检测电路中选用ＨＮＶ０２５Ａ型霍尔传感器，并网电流过零检测电路中选用ＨＮＣ５０ＬＡ型霍尔传感器。

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进行滤波处理。设计中滤波电路采用压控电压源滤，由低噪声高精度运算放大器ＯＰ０７ＣＮ及其外围电路组成。

滤波电路会使检测电路产生相位偏移，由于这个偏移是一个固定值，在程序中添加一个相角就能消除这个相位偏移，从而不会影响锁相精度。设过零检测电路输入电压Ｖｉｎ与输出电压Ｖ。ｏ的相角差为妒，信号频率为５０ＨＺ，电压放大倍数为Ａｕ贝０：

Ａｕ：一Ｖｉｎ一２ｉ２而琢面ｉ藤黄面再丽１＋ｊ∞ｃｌＲ２

（６）

巾’：帆一．１１．５。（７）

其中：

Ｃ１＝Ｃ２＝２２ｘ１０—１０Ｆ

Ｒｌ＝Ｒ２＝１５０ＫＥ２

即输入电压超前输出电压１１．５。。过零检测电路输入与输出波形图如图５所示，其中ＣＨｌ为输出电压．ＣＨ２为输入电压．输出为２．９６Ｖ的方波。

图５过零检测电路输入、输出波形图

软件锁相算法设计

ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２型ＤＳＰ具有ＥＶＡ、ＥＶＢ两个事件管理器，每个事件管理器包括三个捕获模块，捕获模块接收来自过零检测电路的方波信号，并分别记录电网电压和并网电流过零上升沿时的ＴＸＣＮＴ值，利用这两者的差值就能计算得到相位差Ａｑ）。

３．１．软件锁相算法流程

软件锁相算法流程图如图５所示。ＣＡＰｌ中断开始后计算△（ｐ，此时会出现下列三种情况，

（１）Ａｇ＞（ｐｌｉｍｉｔ，即△（ｐ超出限定值（ｐｌｉｍｉｔ，由于这种情况会使得Ｓｎｕｍ值过大，导致系统出现振荡，影响锁相环的稳定性，因此可以对△（ｐ先进行限幅处理，之后再进行Ｐ控制来调节调制正弦表的指针Ｓｎｕｍ；（２）（ｐｌｉｍｉｔ＞ＡｑＤ＞０，这种情况下则进行双重控制，即先进行Ｐ控制来调节调制正弦表的指针Ｓｎｕｍ，然后进行ＰＩ控制来调节ＥＶＡ定时器Ｔ１的周期寄存器Ｔ１ＰＲ的值；（３）Ｏ＞Ａ（ｐ，此时相位差在允许的范围内，经过多次调节Ｔ１ＰＲ和Ｓｎｕｍ的值，最终使△（ｐ处于２９９

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这个范围内，最后中断返回。

３．２．部分锁相程序

Ｉ／ＰＩ控制子程序：

ｉｎｔ３２ｐｉ（ｉｎｔ３２ｆ）

，厂＝锄。肚一嵋）＋粕’ｔｋ．

●，

ｉｆ（ｇａｂｓ（ｔｋ）＜７００）／／ｉｆ（ｇａｂｓ（墩）＜７００）

ｆ＝０；

ｔｌ【１－－ｔｋ；

Ｔｋ寻（ｉｎｔ３２）ｆ－

ｒｅｔｕｍ（ｆ）；＞

／／Ｐ控制子程序：

ｉｎｔ３２Ｐ（ｉｎｔ３２Ｐ）

ＪＰ＝ＫＰ２＋（奴一确）．

ｉｆ（ｇａｂｓ（】【ｌ【）＜１００）／／ｉｆ（ｇａｂｓ（】【ｌ【）＜１００００）

Ｐ＝Ｏ；．

ｘｋｌ－－ｘｋ；

Ｐ＝（ｉｎｔ３２）Ｐ；

ｒｅｔｕｒｎ（Ｐ）；）

影捕获中断服务子程序：

ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｖｏｉｄＣＡＰＩＮＴＩ＿ＩＳＲ（ｖｏｉｄ）

｛……

ａ：ｐ（Ｐｈａ）；／／调用Ｐ控制子程序

Ｓｎｕｍ＝Ｓｎｕｍ＋ａ

ｉｆ（Ｓｎｕｍ＜Ｏ）

Ｓｎｕｍ＝２００＋Ｓｎｕｍ；

ｉｆ（Ｓｎｕｍ＞１９９）

Ｓｎｕｍ＝１９９；

ｂ＝ｐｉ（Ｆｒｅｑ）；／／调用ＰＩ控制子程序

ＥｖａＲｅｇｓ．Ｔ１ＰＲ＝ＥｖａＲｅｇｓ．Ｔ１ＰＲ＋ｂ；

ｉｆ（ＥｖａＲｅｇｓ．Ｔ１ＰＲ＞－－３８３９）

ＥｖａＲｅｇｓ。Ｔ１ＰＲ＝３８３９；

ｉｆ（ＥｖａＲｅｇｓ．Ｔ１ＰＲ＜＝３６００）

ＥｖａＲｅｇｓ．Ｔ１ＰＲ＝３６００；……）

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圈６软件锁相算法漉程图

为了验证文中方法的有效佳，按照上述硬件电路设计和软件算法设计研制了一台１ＫＷ单

衰１程序初始化设Ｉ

襄２’实验主薹参数

程序采用ＳＰＷＭ双极性同步调制法，和对称规则采样法【眇】。设定时器计数寄存器每计数

ＴＣ／．Ｋ２ｐＷ兰

一ＨＳＰＣＬＫ－－２６：７ｆｉ．ｓ，因而电网电压与并网电流的理想

ｘ３６。。×ｌｏ－３＝。 ｌ

９．，即该软件锁相理想精度为：４．实验验证相光伏并网逆变装置，如图７所示。澍试主要参数见表１、表２。一次所需要的时间为ＴＣＬＫ，则：最小相位差为：２００×２×２６．７＝１０Ｌ讪，即为：百１０矿．７

丽０．１９＂＝。 。５％，该精度较高，满足设计需要。

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用示波器进行观测，实验结果如图８、图９、图１０所示。图８为同一桥臂的两路互补ＳＰＷＭ波，死区时间为２．９９ｕｓ。图９为锁相环运行前的波形，此时电网电压与并网电流的频率和相位均有偏差。图１０为锁相完成后波形，利用ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的ＣＡＰ引脚捕捉上升沿并计算出此时的相位差为０．２１３５。，接近理想最小相位差，由失真度测试仪测得此时的并网电流的畸变率为４．２％（当并网功率较小时，并网电流会有一定的畸变率‘２０】ｏ可见本文提出的锁相方法能很好地满足光伏系统并网要求。

３０２图７单相光伏并网逆变装置图８同一桥臂的两路ＳＰＷＭ波图９软件锁相之前（ＣＨｌ一电网电压ｃＨ２一并网电流转换电压）图１０软件锁相之后（ｃＨｌ一电网电压ＣＨ２一并网电流转换电压）

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５．结束语

本文提出了一种频率相位同时锁定的软件锁相算法及其流程图，该算法精度高，稳定性强，锁相速度快；给出了锁相硬件电路，电路结构简单易实

现，抗干扰能力强，在试制的一台１ＫＷ单相光伏并网逆变装置上进行了实验，验证了本文所述方法有效可行。

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ｄｙｎａｍｉｃａｌｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｉｎｔｅｒｖａｌ［Ｃ］．１０ｔｈＡｓ－ｉａ－ＰａｃｉｆｉｃＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄ５ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＭｕｌｔｉ－ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｂｉｌｅＣｏｍｍｕｎｃｔｉｏｎｓ，ＩＥＥＥ，２００４：４８４４８８．

【２０１马茜，戴瑜兴，易龙强．基于ＤＳＰ的光伏并网发电系统软件锁相技术【Ｊ】．电力自动化设备，２０１０，３０（２）：９９．１０２．

作者简介

周方圆（１９７９．），男，工程师，主要从事中高压电能质量控制装置的开发与系统设计工作。龚芬（１９８６．），女，工程师，主要从事ＳＴＡＴＣＯＭ装置的开发与系统设计工作。胡前（１９８４．），男，工程师，主要从事中高压ＳＶＣ装置的开发与系统设计工作。

新型锁相技术在光伏并网系统中的应用

作者：

作者单位：周方圆， 龚芬， 胡前， 彭振江周方圆,龚芬,胡前(株洲变流技术国家工程研究中心有限公司 湖南株洲412001)， 彭振江(长沙理工大学电气

与信息工程学院,湖南 长沙410077)

本文链接：/Conference_8130727.aspx

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ig3e.html