光伏并网系统的新型基准正弦电路设计

2012-08-15陈晓孙以泽徐洋孟婥

电气传动 2012年12期

陈晓，孙以泽，徐洋，孟婥

（1.安阳工学院机械工程学院，河南安阳 455000；2.东华大学机械工程学院，上海 201620）

1 引言

随着全球范围内能源危机的进一步加剧和光伏系统并网发电成本的持续降低，光伏并网发电技术的应用越来越广泛。为了实现与电网的可靠并联运行，光伏并网系统需具备2个关键技术：1）同步锁相技术，即实时监测电网电压的相位和频率，使系统输出与电网保持同步［1］；2）孤岛检测技术，即系统具备在电网失压时，能及时准确与电网断开的能力［2］。

光伏并网系统通常采用电流控制方式，系统输出总是跟踪基准正弦指令电流信号。保证基准正弦信号与电网电压信号同步，便可达到输出锁相的目的。所以，与电网信号同步的基准正弦电路的研究，是光伏并网系统重要内容［3］。

本文设计了一个集成软件锁相与孤岛检测技术的光伏并网系统用新型基准正弦电路。该电路由电网电压检测电路、正弦波生成电路构成，采用过／欠压、过／欠频检测和相位偏移法将锁相和孤岛检测这两个功能同时实现。

2 基准正弦电路的构成及实现

基准正弦电路的结构如图1所示，由电网电压检测、单片机、D／A转换、运放等4部分组成。其中，Ugrid为电网电压，Uref为基准正弦输出。

图1 基准正弦电路构成Fig.1 The structure of reference sinusoid circuit

基本思想是：首先对电网电压采样检测，将其变换成一个与之同步的方波信号后送入单片机。然后基于软件锁相与孤岛检测技术，通过读单片机中正弦表格数据，达到输出与电网电压同频同相、并带有孤岛检测功能的基准正弦波的目的。

2.1 电网电压检测

电网电压检测电路需要检测2个量：一是电网电压值，二是电网电压过零点时刻。检测原理见图2。

图2 电网电压检测原理框图Fig.2 Block diagram of grid voltage detection technique

首先由电压互感器对电网电压进行采样且隔离，再采用运放电路对其进行调整，得到一个与电网电压值相关的模拟信号ADC＿Vo，送入单片机的ADC模块。之后，采用过零比较器，在电网电压过零时刻，利用比较器输出反转的特性，形成随电网电压变化而变化的方波信号ZDT＿Vo，送入单片机的I／O口。

2.2 正弦波的产生

正弦波的产生方法是：在单片机中设置正弦数据表，通过SPI串行通信方式将表格中的数据通过单片机串口传送给数模转换芯片，数模转换芯片的输出经运放电路调整处理后，便可得到一个正弦信号。

假设半周期正弦波由160个点构成，则数据点的计算公式为［4］

可通过C语言、Matlab语言等方法按照上式算出正弦波各个数据点，再按序排成表格存入单片机的EPROM中，以此得到正弦数据表。

3 软件锁相与孤岛检测技术

本文采用过／欠压、过／欠频检测和相位偏移相结合的方法来检测孤岛并完成锁相。

3.1 过／欠压、过／欠频检测

过／欠压、过／欠频检测方法是检测孤岛的最基本、最直接的方法［5］。一般认为，电网电压值变动范围在220（1±10%）V之内，频率变动范围在50（1±5%）Hz之内。若系统检测到的电网电压值或频率变化超过了此正常范围，就认为电网出现故障，视作发生孤岛现象。本文为避免干扰，设置过压阀值为250V，欠压阀值为195V，过频阀值为50.8Hz，欠频阀值为49.2Hz。实时的电网电压值由电网电压检测电路检测得到，电网电压频率由单片机记录采样信号2次过零点的间隔时间计算得到。

3.2 相位偏移法

相位偏移法是主动对基准正弦波施加相位扰动的方法，基本思路如图3所示。

图3 相位偏移法Fig.3 Phase－shift method

以10个周期为一个循环。在电网电压过零点（上升沿）时刻，周期1：对基准正弦波主动移相Δθ。周期2：检测Δθ是否存在。如果电网正常，则可以检测到Δθ；如果电网故障，由于系统与电网并联，检测到的电网电压就是系统的输出电压，如此以来相位偏置Δθ消失，视作有孤岛发生，立刻跳出循环，停止并网运行。周期3～10：监测基准正弦波相位是否锁定电网电压相位。如果相位差很大，则说明锁相失败；如果相位差在允许的范围之内，则说明锁相成功，然后再强制令两者同步。

3.3 中断程序的设计

上述方法主要由1个中断程序来实现。

由上文知，一个周期的正弦数据表由320个点构成，设置一个中断程序，令每中断一次，主程序从正弦数据表格中读一个点。由于基准正弦波频率设定为50Hz，则中断程序的频率为50×320＝16kHz。

在中断程序中，定义变量system＿clk是与正弦数据表格中数据的地址号相对应的量，初始化system＿clk＝0，每中断一次令system＿clk加1。主程序则根据当前system＿clk所对应的地址号，从正弦数据表格中找到并读出这个点。定义变量cycle记录当前的运行周期数，电网电压每过一次零点（上升沿）令cycle加1。

1）当cycle＝1时，令system＿clk＋＝x，即把当前将要读取的正弦数据地址增加x，其中，x＝320×Δθ／360°，相当于将基准正弦波的相位提前了Δθ。

2）当cycle＝2时，检测system＿clk是否等于x，即查看相位偏置是否存在。若system＿clk≠x，认为发生孤岛现象，跳出中断，停止并网；若system＿clk＝x，则等待进入下一周期。

3）当cycle＝3～10时，由于各方面的干扰，实际的基准正弦波相位会有一定波动。这里定义常量y1，y2，若检测出相位在此范围之内，即有y1＜system＿clk＜y2，则认为锁相成功，并令system＿clk＝0。若上式不成立，则认为锁相失败，停止并网。在首次并网时，设定锁相成功50次后再闭合并网开关。

图4 中断程序流程图Fig.4 Flowchart of interrupt subroutine

4）当cycle＞10时，对其清零。

基于软件锁相与孤岛检测技术的16kHz中断程序流程图如图4所示。

4 设计实例与结果

应用上述原理，举出一个基准正弦电路的设计实例。单片机采用AVR系列的ATMEGA64，数模转换芯片采用DAC7513。

图5为电网电压检测电路。

图5 电网电压检测电路Fig.5 Grid voltage detection circuit

图5中，电阻R1～R4将电网电压转换为mA级别的电流，由电压互感器PT采样隔离。二极管D1，D2将运放U1的输入钳位在±0.6V之间。电阻R5将电流信号转变为电压信号。由于要将检测到的电网电压值送入单片机的ADC模块处理，ATMEGA64片内ADC模块的模拟输入电压范围为0～2.5V，而电网电压是一个双极性信号，因此使用电阻R6，R7，R8将其调整到合适的范围内。电容C8避免了检测信号在电压过零点附近波动而造成的多次过零情况。

使用示波器对电网电压检测电路进行检测，结果如图6所示。可见，ZDT＿Vo上下边沿分别对应电网电压信号的2个过零点，两信号相位差基本为0。

图7所示为正弦波产生电路。其中，S＿／SS为片选信号，S＿CLK为同步时钟信号，S＿MOSI为数据信号，它们分别接到单片机ATMEGA64的／SS，CLK，MOSI引脚。