光伏并網電流與電網電壓同頻同相的技術實現

楊思俊

（西安航空職業技術學院，西安710089）

光伏并網電流與電網電壓同頻同相的技術實現

楊思俊

（西安航空職業技術學院，西安710089）

通過性能穩定的DSP控制器程序設計及外圍硬件檢測電路、采樣電路的配合來實現在光伏并網發電中對并網電流與電網電壓的頻率和相位控制，達到兩者同頻同相。闡述了鎖相環技術原理及軟件實現鎖相的基本模型；分別介紹了軟件實現鎖相所需的三部分硬件電路即電網電壓采樣電路、電網電壓過零檢測電路、DSP內部功能單元；采用DSP作為控制芯片，進行內部功能設置；完成鎖相環的軟件設計，通過連續調整可實現并網電流與電網電壓周期趨近相同來實現輸出電流與電網電壓同頻同相控制,從而實現了逆變器輸出電流是單位功率因數。

數字鎖相環；光伏并網；DSP控制；電壓過零檢測；PWM脈沖；軟件鎖相；電網電壓采樣

1 引言

為了保證光伏并網發電系統中逆變器輸出的交流信號與正常狀態下的電網電壓保持同頻、同相，即系統并網輸出功率因數cos Φ=1，引入鎖相技術實現這個功能。本文采用軟件鎖相技術，即利用DSP程序設計，并且搭建外部信號處理電路，實現高階、高穩定性、設計方便的并網鎖相,以保證饋入電網的電能質量。

在鎖相環技術中，關鍵要解決如何在不受電網電壓擾動影響的情況下，正確檢測出電網電壓的零相位時刻；如何產生N倍于電網頻率的等間隔相位的離散信號。

2 鎖相環原理

鎖相環(PLL)是一個閉環反饋控制系統，它能夠自動追蹤輸入信號的頻率與相位。由于傳統的硬件鎖相環難以克服區間飽和、零點漂移等問題，它逐步被高速處理器為核心的軟件鎖相環所代替。本設計中首先采用模擬器件搭建檢測電路，將相位差信號通過檢測電網電壓過零點求得，送入DSP處理器，然后鎖相控制環節通過算法程序實現軟件鎖相環技術[1]。

軟件鎖相環(SPLL)是由整個程序中的鑒相器程序、環路濾波器程序、數字振蕩器三個軟件部分構成，基本模型如圖1所示。

圖1 軟件鎖相環的基本模型框圖

由瞬時頻率和瞬時相位的關系可知：

3 鎖相環的硬件電路實現

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

利用DSP的CAP模塊捕捉電網電壓過零點信號并計算當前的電網周期，通過帶死區控制的PWM發生模塊，編寫程序，調節SPWM調制載波的頻率，實現并網電流準確跟蹤電網電壓的頻率，并使并網電流與電網電壓同相。

通過電網電壓采樣檢測到與電網電壓同頻同相的電壓信號，經過滯回比較器及濾波電路后產生與電網電壓同步的方波信號，方波信號輸入CAP對應的管腳并捕捉電網電壓的上升沿跳變。將CAP設置為上升沿有效，軟件捕捉到方波信號的上升沿并記錄此時定時器計數的值，相鄰兩次計數的差值即為一個電網周期。在上升沿發生時刻，根據正選表格指針所處的位置來求取并網電流和電網電壓之間的相位差，根據相位差來相應的調整指針，從而實現對電網電壓頻率和相位的檢測[4]。

（1）電網電壓采樣電路

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

圖2 電網電壓采樣電路

（2）電網電壓過零檢測電路

如圖3所示，在進行電網電壓采樣時，LM353作為滯回比較電路，對采樣的交流電網電壓進行過零點檢測。將正弦交流信號轉化為50Hz的方波信號并送至DSP的CAP口[6]，當上升沿跳變時(電網電壓從負變為正跨越零軸時)，CAP檢測到電網電壓脈沖，就會產生一個捕獲中斷信號。

（3）DSP的內部功能單元

在本系統的軟件鎖相過程中，主要涉及定時(PWM)中斷和捕捉(CAP)中斷。DSP內部為CAP分配一個計數時基T2，設定為遞增計數模式，計數頻率設定為1.25MHz，數字鎖相環的頻率范圍為50± 0.5Hz，這樣，可求得兩次中斷計數器的差值。

當數字鎖相環的頻率在49.5-50.5Hz范圍變化時，兩次中斷計數器的差值變化范圍是24752-25252。當軟件捕捉到相鄰的兩個上升沿跳變時，會記錄下兩個時刻計數器T2中寄存器的值，則相鄰兩次計數器的差值即為所測電網電壓的周期。

圖3 電網電壓過零檢測電路

由于相位檢測比較復雜，而周期檢測相對方便，根據周期與相位之間的積分關系，在實際應用中將頻率或周期作為輸入變量，采用過零比較法進行頻率和相位鎖定。在定時（PWM）中斷中，計算并輸出逆變器的參考正弦波信號，通過電網電壓的上升沿（電網電壓從負變為正跨越零軸時）產生中斷，并將此刻電網電壓的周期T1與設定的T0進行比較，如果電網電壓的周期大于設定周期表示此時的頻率小于正常的50Hz，并根據已求取的相位差△θ漸近移動正弦表格指針，來“靠近”正常電網電壓的周期和頻率，以實現并網電流和電網電壓的相位漸近跟蹤[7]。

在程序設計中，使PWM中斷優先級高于捕捉中斷，PWM中斷時間間隔設置為100us，將正弦表格分為200個點，則每個點對應的電角度為1.8度，載波頻率為10KHz，CPU時鐘頻率為40MHz，理論上的最小相差僅為0.18度，功率因數cosΦ=0.999。

4 鎖相環軟件設計

程序流程如圖4所示，當DSP的CAP模塊檢測到電網電壓同步信號的上升沿跳變時，便產生捕獲中斷，使正弦波離散表的指針復位到零，該表存儲在比較寄存器中。而PI外環控制得到的下一周期瞬時電流的預測值乘以正弦波離散表指針所指地址中的數據，形成瞬時電流使得瞬時電流相位與電網電壓的相位保持一致即為實現同相控制。在中斷程序中，算出電網電壓的周期(約20ms，兩次上升沿跳變的間隔)，由于電網周期約為20ms，PWM載波周期設置為約50μs，20ms/50μs=400，故一個電網周期對應400個載波周期。將400個PWM載波周期的和與電網電壓的周期相比較，根據（比較后的誤差）不斷調整PWM的載波周期[8]。若輸出電流的周期大于電網電壓的周期，則應使發生SPWM三角載波信號的周期寄存器中的值減小。通過連續調整可實現并網電流與電網電壓周期趨近相同來實現輸出電流與電網電壓同頻同相控制。

圖4 鎖相環子程序

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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，陜西省渭南市潼關縣人，講師,碩士研究生，主研方向:嵌入式控制、開關電源。

2016-05-24