基于DSP的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)數(shù)字鎖相技術(shù)
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，需要實時檢測電網(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)工作切換過群中會產(chǎn)生逆變器與電網(wǎng)之間的環(huán)流，對沒備造成沖擊，這樣會縮短設(shè)備使用壽命，嚴重時還會造成設(shè)備的損壞。
TI公司生產(chǎn)的高速數(shù)字信號處理器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信號的控制及鎖相環(huán)的數(shù)寧實現(xiàn)。本文采用了一種基于DSP芯片TMS320C2407A實現(xiàn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)字鎖相的與法，并給出了實驗結(jié)果。
1 鎖相的原理
鎖相環(huán)是一個閉環(huán)的相位控制系統(tǒng)，能夠自動跟蹤輸入信號的頻率和相位。利用鎖相環(huán)技術(shù)可以產(chǎn)生同步于輸入信號的整數(shù)倍頻或分數(shù)倍頻的輸出控制信號。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。
倍頻器實現(xiàn)對輸出信號Uo進行整數(shù)或分數(shù)倍頻。鑒相器是用來比較輸入信號Ui與倍頻器輸出的鎖相信號Ub之間的相位差，并把該相位差轉(zhuǎn)化為電壓信號Ue。環(huán)路濾波器通常具有低通特性，作用是濾除電壓信號Ue中高頻分量與其它噪聲信號，產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓控制信號Ue。壓控振蕩器的振蕩頻率受電壓控制信號Ue的控制，完成電壓-頻率的變換作用，從而實現(xiàn)鎖相。特殊情況，當(dāng)倍頓器的倍頻數(shù)為1時，即Ub=Uo，這時實際上實現(xiàn)了輸出信號Uo與輸入信號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，同時具有控制靈活，裝置升級方便，可在線修改與調(diào)試，可靠性高，維護便利等優(yōu)點，是PLL技術(shù)發(fā)展的趨勢。
2 數(shù)字鎖相的設(shè)計與實現(xiàn)
本文數(shù)字鎖相的設(shè)計方案是：首先運用2路CAPTURE單元分別捕獲計算電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電流的頻率和相位，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)節(jié)相應(yīng)SPWM載波頻率和初始相位，從而實現(xiàn)光伏逆變系統(tǒng)輸出電流對電網(wǎng)電壓的頻率及相位的跟蹤。
2.1 同步信號的檢測與捕獲
同步信號的檢測分為電網(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行過零檢測，得到與電網(wǎng)電壓同頻同相的方波信號，然后進行光耦隔離，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輸入信號是方波信號，因此兩個相鄰上升沿之間的間隔恰好是一個周期，同時上升沿發(fā)生的時刻就是采樣信號從負到正的過零點，從而實現(xiàn)對電網(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，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由運放所構(gòu)成的比較器電路進行比較而實現(xiàn)的。采用DSP芯片TMS320LF2407A，用軟件方法產(chǎn)生SPWM波的機理與傳統(tǒng)的硬件方法不同。
在DSP芯片中，PWM信號的產(chǎn)生主要通過通用定時器的周期寄存器和相關(guān)比較寄存器的匹配來實現(xiàn)的。周期寄存器裝載著給定三角波周期相應(yīng)的計數(shù)值，比較寄存器裝載著正弦波離散化后的各個比較點的幅值。設(shè)定定時器為連續(xù)增/減計數(shù)模式，當(dāng)定時器的計數(shù)值與比較寄存器中的值相等時發(fā)生比較匹配，這樣在一個三角載波周期中會發(fā)生兩次匹配。在上述兩次匹配時，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信號的相關(guān)定時器周期寄存器的值，從而通過提高三角載波頻率來實現(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信號正弦波離散值中的第一個點發(fā)生的時刻而實現(xiàn)的，當(dāng)捕獲到電網(wǎng)電壓的過零點時，立即調(diào)整相應(yīng)比較寄存器中正弦波離散值的指針，并作一定的時間補償。
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，進入中斷服務(wù)程序，先保護現(xiàn)場，再判斷中斷源是CAP4還是CAP5。若是CAP4，則說明產(chǎn)生中斷的時刻是電網(wǎng)電壓的過零點。將捕獲值存入Uzero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，再作進一步的調(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％鎖相過程實驗波形如圖6所示。
3 實驗結(jié)果
光伏并網(wǎng)發(fā)電實驗裝置中Boost升壓(55V/168V)電路、全橋逆變器和升壓變壓器(95V/220V)組成,光伏最大功率點工作電壓為55V,負載為電阻負載。數(shù)字鎖相系統(tǒng)主要通過對DSP芯片的編程來實現(xiàn)。圖6為鎖相過程的實驗波形圖，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，易于實現(xiàn)，不但能很好地滿足光伏系統(tǒng)并網(wǎng)的要求，而且實現(xiàn)了輸出端的功率因數(shù)校正控制。實驗結(jié)果驗證了本方法的可行性和有效性。
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