基于DSP的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)數(shù)字鎖相技術(shù)

摘要：隨著能源危機(jī)的進(jìn)一步加劇和光伏系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電成本的持續(xù)降低，光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。為了實(shí)現(xiàn)光伏逆變系統(tǒng)與電網(wǎng)的可靠并聯(lián)運(yùn)行，采用了一種基于DSP芯片TMS320C2407A實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相的方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)作了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鎖相精度高，穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞：光伏；并網(wǎng)；數(shù)字鎖相

0 引言
    在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)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(guò)群中會(huì)產(chǎn)生逆變器與電網(wǎng)之間的環(huán)流，對(duì)沒(méi)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(shì)。
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(cè)與捕獲
    同步信號(hào)的檢測(cè)分為電網(wǎng)電壓與逆變輸出電流的檢測(cè)。電網(wǎng)電壓頻率和相位的檢測(cè)如圖2所示。

    電網(wǎng)電壓先經(jīng)過(guò)采樣變壓器采樣，冉把采樣電壓送到過(guò)零比較器進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)，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(guò)零信號(hào)如圖3所示。逆變電流的檢測(cè)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(cè)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(guò)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(cè)。
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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)提高三角載波頻率來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(chǎng)，再判斷中斷源是CAP4還是CAP5。若是CAP4，則說(shuō)明產(chǎn)生中斷的時(shí)刻是電網(wǎng)電壓的過(guò)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(wú)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(guò)程是，將當(dāng)前電網(wǎng)電壓與逆變電流兩者捕獲的過(guò)零值作比較，得到相位差。若相位差小于等于允許值，則說(shuō)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(wú)大于限制值，若無(wú)，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(guò)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(guò)對(duì)DSP芯片的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖6為鎖相過(guò)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(yǔ)
    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。