摘要：針對光伏分布式電源并網系統(tǒng)中的相位跟蹤控制問題，分析了數(shù)字鎖相環(huán)控制技術存在的缺點，提出一種基于數(shù)字移相器的相位跟蹤控制方法。實驗利用MSP430產生SPWM信號合成正弦波模擬光伏逆變電源系統(tǒng)。采用基于數(shù)字移相器思想的開環(huán)控制方式，實現(xiàn)了無誤差頻率跟蹤，高精度的相位跟蹤。實驗結果表明，該方法控制速度快、精度高。
關鍵詞：光伏逆變電源；相位跟蹤；數(shù)字鎖相環(huán)；開環(huán)控制；數(shù)字移相器
由于能源危機的不斷惡化，新型能源，如太陽能、風能、核能等，越來越受到廣泛的重視，并取得重大發(fā)展。這些新型能源絕大部分都要通過發(fā)電的方式轉變?yōu)殡娔?，然后并入電網，供人類生產生活使用。由于新能源發(fā)電的電力不穩(wěn)定，需要通過逆變器轉變?yōu)榻涣麟?。而逆變器的輸出交流電流必須與電網電塑封電感器壓同頻同相才能并入電網使用。同頻同相的控制效果對新型能源發(fā)電的效率與質量具有重大影響。因此，同頻同相的控制方法研究已經成為電力電子技術領域一個重要的研究方向。
目前，在逆變電源并網系統(tǒng)中的相位跟蹤控制主要采用數(shù)字鎖相環(huán)技術，但控制速度慢，需要DSP、FPGA等高速器件作為控制器，而且具有成本高、控制復雜等缺點。本文針對數(shù)字鎖相環(huán)的缺點，提出一種基于數(shù)字移相器的相位跟蹤開環(huán)控制方法。在實驗中采用MSP4電感生產廠家30F2544作為控制器模擬逆變系統(tǒng)，實現(xiàn)了同頻同相跟蹤控制。該控制方法簡單高效，系統(tǒng)穩(wěn)定，具有無誤差頻率跟蹤、高精度相位跟蹤的特點。
1 數(shù)字鎖相環(huán)控制原理
數(shù)字鎖相環(huán)技術在對電網電壓的頻率和相位的跟蹤控制中應用較為廣泛一體成型電感器，其作用是使電網電壓和逆變器的輸出電流達到同步鎖相，關鍵是實現(xiàn)對電網電壓頻率和相位的跟蹤。數(shù)字鎖相技術的主要方法有：先調頻后調相和同時調頻調相。
數(shù)字鎖相環(huán)原理：假設控制器檢測到逆變器輸出與電網電壓相位差為△ψ，T1為電網電壓周期，T2為逆變器輸出電流大電流電感器周期。令電網電壓表達式為Umsin(w1t)，逆變器輸出電流為Imsin(w2t+△ψ)。若要使兩者同頻同相，須使w1t=w2t+△ψ由于w=T／2π，則可推出T2=2πT1／(2πt-△ψ)。當△ψ=0且T1=T2時即達到要求。若△ψ為正，則需增大逆變器輸出電流周期T2。若△ψ為負，則需減小逆變器輸出電壓周期T2。當系統(tǒng)達到穩(wěn)定時，△ψ=0且逆變器輸出與電網電壓周期相等。數(shù)字鎖相控制系統(tǒng)結構圖如圖1所示。
數(shù)字鎖相環(huán)控制實際上是一種閉環(huán)負反饋控制方式。負反饋控制方式具有能實時跟蹤環(huán)境變化的優(yōu)點，但控制速度慢，而且當系統(tǒng)的傳遞函數(shù)存在極點時，系統(tǒng)易產生振蕩。實際上當電網環(huán)境變化時，只要逆變器輸出電流的頻率仍處于后級濾波器的通帶內，輸出電流的相差模電感位延遲就不會改變，此時電網電壓與逆變器的輸出電流相位差與其頻率有固定關系R：P=R(f)。因此只要濾波器帶寬足夠大，逆變器對電網的波動就有較強的免疫性。此時就可以采用開環(huán)控制方式。
2 相位跟蹤開環(huán)控制原理
開環(huán)控制方式具有控制速度快，控制簡單，穩(wěn)定等優(yōu)點。既然逆變器的輸入輸出有確定的相位關系，那么就可以利用數(shù)字移相器的思想進行開環(huán)控制。
數(shù)字移相器是一個其輸入輸出信號具有確定相位關系的系統(tǒng)。輸入輸出信號的相位差由系統(tǒng)本身的傳遞函數(shù)決定，只與輸入信號的頻率有關。而逆變器實際上也是一類移相器。當兩個系統(tǒng)級聯(lián)時，通過設定移相器的傳遞函數(shù)，使移相器輸入輸出信號相位差值為逆變器的相反數(shù)，那么整個級聯(lián)系統(tǒng)就能達到輸入輸出信號同頻同相的效果。
相位跟蹤開環(huán)控制原理如下：SPWM信號的由一組離散正弦調制信號產生，相鄰元素之間相位差為固定值△，利用相位累加方式輸出信號，工作原理類似于DDS。設每次相位增加的時間為AT，通過改變AT，就可以改變調制信號的頻率?？刂破魇紫葘﹄娋W電壓進行過零捕獲，測得電網電壓的頻率f，并根據(jù)f算出并設置△T的值，使得逆變器輸出電流的頻率等于f。然后每當控制器檢測到電網電壓的過零中斷時，根據(jù)關系R：P=R(f)，重新設置調制信號的相位指針Pindex為固定初始相位P。這樣調制信號的頻率就嚴格等于電網電壓的頻率，避免由于頻率測量誤差引起相位累積誤差。此時，相位跟蹤誤差主要取決于SPWM的載波頻率。相位跟蹤開環(huán)控制原理框圖如圖2所示。
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