0引言

在可再生能源不斷減少的今天，太陽能的研究利用顯得日益重要，其中太陽能光伏利用受到世界各國的普遍關注，而太陽能光伏并網發電是太陽能光伏利用的主要發展趨勢，必將得到快速的發展。光伏并網發電的效率高低就是看光伏并網發電的電流是否和電網電壓同頻同相，鎖相環技術就是使光伏并網發電的電流和電網電壓同頻同相的技術。本文基于單相兩級式光伏發電系統，對一種新型數字鎖相環技術［1］進行了研究。

1光伏并網系統的結構及工作原理

光伏并網逆變器按照拓撲結構大體可分為單級隔離型、兩級非隔離型和多級隔離型。單級隔離型由于輸出端要加一個工頻的隔離變壓器，從而使系統體積大、成本高和噪音大;多級隔離型拓撲結構復雜，使控制復雜，而且能量變換級數多，使系統整體效率不高。綜合以上分析，該實驗儀采用兩級非隔離型拓撲結構［2］。整個主電路的拓撲方式采用兩級級聯，前級DC/DC變換器和后級DC/AC逆變器。圖1為逆變主電路的原理圖。前級的DC/DC升壓電路采用Boost電路，該電路不僅要實現前端太陽能電池陣列的最大功率輸出，而且還要保持直流母線電壓的穩定［3］;后級DC/AC電路不僅要按前端的最大功率輸出電流，而且要使輸出電流和電網電壓同頻同相。

2新型數字鎖相環設計

新型數字鎖相環技術是在傳統鎖相環的基礎上，采用更為先進的數字信號控制器芯片(DSP)，結合主動相位調整技術的控制算法的一種鎖相環技術。相比傳統的鎖相環技術，它具有控制精度更高、控制效果更好等優點［4］。

2．1傳統鎖相環

鎖相環電路是一種反饋控制電路(簡稱鎖相環，PLL)，它可以實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤。傳統的數字鎖相環技術就是通過電壓、電路檢測電網電壓的相位，然后在每個電網電壓的相位為零時，調整輸出電流的相位從零輸出以達到同相的目的［5］。其優點是算法和控制簡單;缺點是由于輸出電感的存在使得并網電流和電網電壓之間有固定的相差，使得并網功率因數不高［6］。

2．2電網電壓的過零捕獲電路設計

本設計采用的檢測電路如圖2所示。電網電壓經由R1、R2、R3、R4、U1B組成的差分電路轉換后，進入由運放U1A構成的過零比較電路。放大器的反向端接地，即反向端電位始終為零，當同相端電位＞0時，即同相端電位比反相端高時，放大器輸出最大正電壓;當同相端電位比反相端低時，放大器輸出最小負電壓。這樣就把電網電壓轉化為與其有相同過零點的TTL信號，即電網電壓上升過零點處脈沖信號變為高電平，如圖2所示［7］。考慮到該過零比較電路是直接連接到數字信號處理器(DSP)的捕獲端口上，而捕獲端口要求加載在上面的電壓值不能超過TMS320LF2407A型芯片的供電電壓值3．3V，而且該信號不能干擾DSP芯片的正常工作。因此在實驗電路中，加入光耦TLP521-2對其進行隔離限壓［8］。電網電壓過零點，通過該捕獲電路后得到的波形如圖3所示。可以看到，經過該捕獲電路后，就得到與電網電壓同相位的方波信號了。

2．3主控單元

DSP是近年來發展的高速數字信號處理器，它以處理速度快、精度高及外設功能強的特點在信息處理、實時控制等方面得到了廣泛應用。其中，為了滿足電力電子控制設計的需求，TI公司專門為此設計了DSP芯片TMS320LF2407A。該芯片采用高性能的CM0S技術，供電電壓降為3．3V，大大減小了控制器的功耗，處理速度大為提高，使得指令周期縮短至25ns，從而提高了控制器的實時控制能力［9］。它具有2個事件管理器模塊EVA和EVB(每個模塊均包括2個16位通用定時器、8個16位的PWM通道和3個捕獲單元等資源)、16通道輸入的10位ADC轉換器，強大而豐富的內外設功能為其實現復雜和高精度的控制提供了有力保證。該款芯片使系統的硬件電路顯得格外的簡單，但同時具有更強的功能［10］。整個系統的控制部分由TMS320F2407完成，工作原理如圖4所示。

2．4新型數字鎖相環的設計

數字鎖相環的過程分為頻率跟蹤和相位同步兩部分［11］。(1)頻率跟蹤的實現過程。根據電網電壓頻率的允許波動范圍(50±1)Hz，由于通用定時器1設為遞增計數模式，64分頻。50Hz對應的計數器T1CNT的值為12500，則(50±1)Hz對應計數器的變化范圍是12279～12755。當電網電壓上升沿捕獲中斷時，讀取CAP2FIFO的值，通過相應轉換得到當前電網電壓的頻率，用這個頻率值來改變等腰三角載波的周期，即周期寄存器T3PR，以改變輸出并網電流的周期，從而達到實現頻率跟蹤的目的［12］。(2)相位同步的實現過程。在對應的中斷中，讀取CAP2FIFO的值得到電網電壓的頻率，讀取CAP1FIFO的值得到并網電流的頻率，通過計算兩者的數值差得到兩者的相位差，用該值去調整輸出正弦表指針的起始值，從而實現相位同步［13-14］。

3軟件設計

系統軟件由主程序和中斷服務子程序構成。其中中斷服務程序適用于處理實時性要求較高的功能，如數字鎖相環設計、SPWM模式發生及脈沖輸出等。數字鎖相環是在CAP捕獲中斷子程序中實現的，其目的是提高系統處理的實時性，使系統更加快速、高效。新型數字鎖相環流程圖如圖5所示。4兩種鎖相技術的實驗結果首先采用傳統的鎖相環技術做了單相光伏逆變并網的實驗，所得到的并網波形如圖6所示。從圖中可以看出，傳統的數字鎖相環在電網電壓的相位為零時，調整輸出電流的相位從零輸出，但由于有輸出濾波電感的影響，使得并網電流和電網電壓存在一定的相位差［15］。采用新型數字鎖相技術后進行逆變并網的實驗波形見圖7。從實驗波形可以看出，采用新型數字鎖相環技術后并網電流和電網電壓之間的相位差幾乎為零，達到了同頻同相輸出。

5結語

本實驗系統由于采用DSP2000系列中的LF2407A作為主控單元，提出了一種新型的數字鎖相技術，不僅能根據電網電壓的頻率變化實現變頻輸出，還能根據并網電流和電網電壓的相位偏差進行主動的相位調整，使輸出電流和電網電壓同相。最后，通過實驗驗證了該鎖相技術的可行性。