单相并网逆变器并联运行相位系统研究

2018-09-23蒋志军郑嘉龙

通信电源技术 2018年7期

杨鸽，蒋志军，郑嘉龙，杨珏

（1.四川水利职业技术学院电力工程系，四川成都611231；2.成都天奥电子股份有限公司，四川成都610015）

0 引言

化石能源（煤、石油等）已趋于枯竭，其消耗会产生大量废物，对环境造成严重污染，成为人类可持续发展的阻碍。基于可再生能源（如太阳能、风能等）的分布式发电系统，近年来受到越来越多国家和地区的重视。并网逆变器作为可再生能源发电单元与电网之间的能量变换接口，对系统的安全、稳定和高质量运行具有十分重要的作用［1］。随着系统容量增大，单个逆变器的容量已经不能满足要求。采用更高容量的功率器件价格成本太高，为了提高系统的功率、可靠性和效率，逆变器可以并联运行［2］。

电网的相位是逆变器并联运行系统控制的参考基准，而高性能锁相环系统能够快速、准确地跟踪电网瞬态变化，尤其是当电网存在畸变时，为逆变器的并联提供参考信息。因此，锁相环系统的研究具有十分重要的实际意义。

本文搭建了单相并网逆变器并联运行的模型，分析了相位同步的重要性，在这个基础上引出了锁相环，对常用的几种类型进行了介绍。以锁相环为检测相位的工具，提出了应用于并网逆变器并联运行的相位同步系统，分析了该系统存在的相位差问题，基于CAN总线、DSP重新构建了相位平均系统，该系统能有效地解决相位差问题。

1 单相并网逆变器并联运行模型

N个单相并网逆变器以共直流母线交流侧直接并联方式组成的并联系统，如图1所示。Udc为直流母线电压，us为电网电压，采用直流电压中点O作为电压参考点，L11、L12、Ln1、Ln2为逆变器1和逆变器 N 的滤波电感［3］。单相并网逆变器并联运行时，逆变器之间的环流和逆变器与电网相位同步问题是首要考虑的两个问题，而相位同步又是环流抑制的前提。

图1 N个单相逆变器并联运行拓扑结构

2 锁相环概述

2.1 锁相环原理

PLL的基本原理示意图如图2所示。它包含鉴相器（phase detector，PD）、环路滤波器（loop filter，LF）、压控振荡器（voltage controlled oscillator，VCO）等3个基本单元［4］。从图中可以看出，PD对输入信号ui（t）和输出信号u0（t）进行相位比较，得到误差信号ue（t）送入LF进行处理，得到的信号为u0（t），VCO根据uc（t）调整其输出信号u0（t）的频率，从而实现PLL输出信号对输入信号的闭环跟踪。

图2 PLL原理示意图

2.2 锁相环的分类及实现方式

锁相环可以分为模拟锁相环、数字锁相环和软件锁相环。

模拟式集成锁相环以NE／SE560系列最为常用，其在电路可靠性、稳定性和集成度方面存在相应的缺陷；数字锁相环可由CMOS集成锁相环CD／CC4046器件实现，而全数字锁相环可由FPGA这种新型控制器实现［5］。数字锁相环具有可靠性高，抗干扰能力强，易于集成等优点，但设计全数字逻辑锁相难度很大。为了克服前两种锁相环的缺点，依托于DSP控制器的软件锁相环应运而生。软件锁相环具有程序易于修改，实现方便，算法基于瞬时无功功率，对输入电压能进行很好的跟踪，尤其是当电压发生畸变时。

应用于并网逆变器的软件锁相环有单同步坐标系软件锁相环（SSRF－SPLL）、增强型锁相环（EPLL）、双同步坐标系解耦锁相环（DDSRF－SPLL）等［6］。单同步坐标系软件锁相环方法是基于跟踪电网电压的正序分量而提出的检测算法。增强型锁相环是一种基于对称分量法提出的检测算法。双同步坐标系解耦软件锁相环方法（DDSRF－SPLL）是考虑电网电压负序分量对传统软件锁相环的影响而提出来的。

3 相位同步系统

定义电网电压为：

式中，Um和θ分别为电网电压幅值和相位。

锁相环作为检测电网相位θ的有力工具，由它构成的并网逆变器并联运行的相位同步系统如图3所示。锁相环1、锁相环2、…、锁相环N对电网的相位进行检测，生成电网相位角θ1、θ2、…、θn，并分别送给逆变器1、逆变器2、…、逆变器N，从而确定并网电流指令里的相位信息。但由于各个锁相环实现的方法不同，使θ1、θ2、…、θn之间存在相位差，这样会引起各个逆变器逆变的不同步，从而引起逆变器之间的环流、逆变器并入网侧的不同步、对逆变器并联运行系统的整体控制也变得困难，甚至会引起逆变器的损坏等诸多问题。

图3 相位同步系统

4 基于CAN总线、DSP的相位平均系统

4.1 CAN总线简介及特点

控制器局域网（CAN，Controller Area Network）最早由德国Bosch公司提出，为节省接线的工作量而专门为汽车工业设计的。CAN总线是一种性能先进、价格低廉、保密性好的现场总线，能有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。

CAN总线具有如下的主要技术特点：（1）多主总线；（2）非破坏性基于优先级的总线总裁技术；（3）可靠性高；（4）故障自动判断；（5）具有多种传送数据功能；（6）节点数目多；（7）传输介质丰富。CAN总线通信速率高、开放性好、纠错能力强等优点在模块化交直流电源系统、分布式发电系统中得到越来越多的应用［7］。

4.2 DSP简介及特点

DSP是 Digital Signal Processor的缩写，指数字信号处理器，其可以通过A／D器件对连续的模拟信号采样，转换成有一定时间间隔的离散信号，然后对这些信号进行量化，编码，转换成二进制编码，也就是常说的数字信号，最终保存在寄存器中。

DSP数字控制技术具有性能稳定、成本低、运算速度快等特点，可以实现复杂的控制方法，能提高逆变器的性能和算法的精度，具有丰富的片内外设，可满足不同控制应用要求，为实现高性能、高精度的数字控制提供解决方案。

4.3 相位平均系统的实现

本文在图3相位同步系统的基础上提出基于CAN总线、DSP的相位平均系统如图4所示。相位的平均具体实现如下：由锁相环生成的电网相位角θ1、θ2、…、θn分别作为CAN总线的节点1、节点2、…、节点n。这n个节点向CAN总线发送相应的相位，CAN总线接收到这些相位信息后送到逆变器1对应的控制器DSP1，DSP1作为CAN总线的节点n＋1，DSP1进行相应的均相计算生成珋θ，生成的平均相位珋θ一方面传送给逆变器1，另一方面同时通过节点n＋1传送到CAN总线。随后CAN总线把珋θ分别传送给节点n＋2、…、节点2n。DSP2、…、DSPn作为CAN总线的节点n＋2、…、节点2n，从而逆变器2、…、逆变器N得到相位珋θ。这样每个并网逆变器单元得到的相位角就是一样的，避免了图3相位同步系统的相位差。珋θ的计算公式为：