基于光伏并网逆变器锁相环技术研究

丁稳房， 李志鹏， 余佳佳， 孙 青， 胡乔波

(1 湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430068;2 国家电网咸宁供电公司， 湖北 咸宁 437100; 3 国家电网襄阳供电公司， 湖北 襄阳 441000)



基于光伏并网逆变器锁相环技术研究

丁稳房1， 李志鹏1， 余佳佳2， 孙 青3， 胡乔波1

(1 湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430068;2 国家电网咸宁供电公司， 湖北 咸宁 437100; 3 国家电网襄阳供电公司， 湖北 襄阳 441000)

在光伏并网系统中,准确并快速地检测到电网电压的频率、相位和幅值是必不可少的环节。利用DSP内部的捕获单元、通用定时器和比较单元,方便地实现了对电网电压和光伏发电输出电流的信号捕获,从而达到调频调相的目的,达到并网条件。选取电网电压正过零检测数字锁相环，设计了硬件实现电路，给出了软件流程图。实验结果验证了该方法的可行性和有效性。

光伏并网； 锁相环； 数字信号处理器

光伏并网逆变器不仅要独立的为局域网供电，而且还要与电网连接，将其输出的电能送到电网上去。为了获得良好的并网性能和较高的功率因数，避免冲击电网，光伏并网发电系统并入电网时，需要对电网电压的频率和相位进行检测。锁相技术能够快速、准确地提取电网电压的相角信息，成为控制光伏并网装置的关键技术之一。

锁相环是指可以实现两个电信号相位同步的自动控制闭环系统，简称PLL(Phase Locked Loop)。传统的锁相环采用模拟电路组成，它们由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器构成，存在元件复杂、易温漂和易受干扰等缺点，故现在都采用数字锁相环[1](DPLL)技术完成对同步信号的锁相。数字锁相环的硬件结构简单，根据电力电子装置的不同应用场合，软件算法处理上形式多样。本实验选取电网电压正过零检测数字锁相环。

1 锁相原理

电网电压为正弦工频交流电，光伏逆变器输出电压也是正弦工频交流电。这两种电压均用瞬时值表示为

(1)

式中：us为电网电压瞬时值，Usm为电网电压幅值，fs为电网电压频率，θ为超前或滞后相位角，u为光伏逆变器的输出电压瞬时值，Um为光伏逆变器的输出电压幅值，f为光伏逆变器的输出电压频率。

光伏逆变器要实现并网发电[2]，必须使得光伏逆变器的输出电压与电网电压同频同相。而电网电压的频率和相位是固定不变的，需要调整光伏逆变器的输出电压频率用来跟踪电网电压。即

(2)

当电网电压超前光伏逆变器相位θ时，使得光伏逆变器输出电压频率升高，用于追赶电网电压相位；当电网电压滞后光伏逆变器相位θ时，使得光伏逆变器输出电压频率降低，用于等待电网电压相位。经过一段时间的调整，光伏逆变器的输出电压相位与电网电压相位一致，然后进行并网操作。

2 数字锁相的设计与实现

1.1 同步信号的检测与捕获

图1所示为同步信号检测与捕获电路。为了实现对频率和相位的跟踪，电网电压经过电压互感器进行隔离再经过差分检测电路得到usdec。调节电位器VR1，使得滞环比较点电压为零，提高正向过零检测的抗干扰能力。每个电压正过零点是滞环比较器输出方波的上升沿跳变点，滞环比较器输出接到DSP的Capture单元，初始化中断程序配置为上升沿触发[4]。当电网电压正常时，光伏逆变器输出电压的数字相位输出跟踪电网电压相位进行同步锁相输出。

图1 同步信号检测与捕获电路[4]

1.2 数字锁相软件流程图

本实验选定的开关频率为20kHz，故光伏逆变器输出电压的一个基波周期20ms内对应的点数VEC_NUM为400个。电网电压周期为20ms左右，图2是定时器2周期中断子程序流程图，为计算电网电压周期提供时基；图3是捕获中断子程序流程图，作用就是计算出精确的电网电压周期和提供准确的电网电压相位。

图2 定时器2周期中断子程序流程图

图3 捕获中断子程序流程图

光伏逆变器输出电压相位为数字相位，电网电压相位为实际相位。当VEC_NUM=200时，即数字相位φ=180°时读取电网电压当前周期计数值，与上一个电网电压周期值的一半做差，得到数字相位与实际相位的相位差。当偏差在允许范围内时，说明此时的数字相位已经准确跟踪到了实际相位，锁相已经完成；当偏差在允许范围外时，就需要对偏差进行PI调节，得到的调节量用来改变T1PR的值，即改变光伏逆变器输出电压的频率用来跟踪电网实际相位，通过逐步调节后完成锁相[5]。

图4 下溢中断锁相部分子程序流程图

3 实验结果

本文的锁相方法已成功用于单相3kW光伏并网逆变器中。如图5给出了数字锁相结果，其中交流电压为经互感器检测后的电网电压波形，方波信号为经过数字锁相后发出的数字相位测试信号波形。可见锁相稳态时的精度高，满足实验要求。

图5 数字锁相结果

4 结论

本文所研究的基于TMS320F2810型DSP的软件锁相技术，锁相精度高，易于实现，可以很好地满足光伏并网的锁相技术要求。实验结果验证了该方法的可行性和有效性。

[1] 王孝东，王旭东，王云鹏. 基于DSP2812的全新数字锁相环[J].通信与信息处理，2011，30(07)：49-53.

[2] 王宝归，李泽泉，林 勇，等.并网型电力电子装置数字锁相环研究[J].大功率变流技术，2012 (04)：39-42.

[3] 皮大能，马学军，南光群，等.基于DSP的高精度UPS锁相技术[J].电力电子技术，2005，39(05)：109-111.

[4] 刘新民，康 勇.一种高抗干扰的DSP输入输出信号传输电路的设计[J].通信电源技术，2006,23(04):41-43.

[5] 孔雪娟，罗 昉，彭 力，等.基于周期控制的逆变器全数字锁相环的实现和参数设计[J].中国电机工程学报，2007,27(01):60-64.

[责任编校： 张岩芳]

On the Phase-locked Loop Technology Based on Photovoltaic Grid Inverters

DING Wenfang1, LI Zhipeng1, YU Jiajia2, SUN Qing3, HU Qiaobo1

(1SchoolofElectrical&ElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China;2XianningPowerCompanyofStateGrid,Xianning437000,China;3XiangyangPowerCompanyofStateGrid,Xiangyang441000,China)

In the photovoltaic grid system, it is an essential part to detect the frequency, phase and amplitude of the grid voltage accurately and quickly. The voltage of grid and current of solar generation were easily collected by the capture unit, general timer and compare unit of DSP. The conditions of grid-connection about regulation of frequency and phase were achieved. In this paper, we selected the grid voltage zero-crossing detection digital phase-locked loop, and designed the hardware implementation circuit and the software flow pattern. Experimental results have demonstrated the feasibility and effectiveness of this method.

photovoltaic grid; phase-locked loop; DSP

2014-10-25

丁稳房(1966-)， 男， 湖北麻城人，湖北工业大学副教授，研究方向为电力系统及自动化

1003-4684(2015)01-0005-03

TM464

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