0引言 在可再生能源不断减少的今天，太阳能的研究利用显得日益重要，其中太阳能光伏利用受到世界各国的普遍关注，而太阳能光伏并网发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势，必将得到快速的发展。光伏并网发电的效率高低就是看光伏并网发电的电流是否和电网电压同频同相，锁相环技术就是使光伏并网发电的电流和电网电压同频同相的技术。本文基于单相两级式光伏发电系统，对一种新型数字锁相环技术［1］进行了研究。 1光伏并网系统的结构及工作原理 光伏并网逆变器按照拓扑结构大体可分为单级隔离型、两级非隔离型和多级隔离型。单级隔离型由于输出端要加一个工频的隔离变压器，从而使系统体积大、成本高和噪音大;多级隔离型拓扑结构复杂，使控制复杂，而且能量变换级数多，使系统整体效率不高。综合以上分析，该实验仪采用两级非隔离型拓扑结构［2］。整个主电路的拓扑方式采用两级级联，前级DC/DC变换器和后级DC/AC逆变器。图1为逆变主电路的原理图。前级的DC/DC升压电路采用Boost电路，该电路不仅要实现前端太阳能电池阵列的最大功率输出，而且还要保持直流母线电压的稳定［3］;后级DC/AC电路不仅要按前端的最大功率输出电流，而且要使输出电流和电网电压同频同相。 2新型数字锁相环设计 新型数字锁相环技术是在传统锁相环的基础上，采用更为先进的数字信号控制器芯片(DSP)，结合主动相位调整技术的控制算法的一种锁相环技术。相比传统的锁相环技术，它具有控制精度更高、控制效果更好等优点［4］。 2．1传统锁相环 锁相环电路是一种反馈控制电路(简称锁相环，PLL)，它可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。传统的数字锁相环技术就是通过电压、电路检测电网电压的相位，然后在每个电网电压的相位为零时，调整输出电流的相位从零输出以达到同相的目的［5］。其优点是算法和控制简单;缺点是由于输出电感的存在使得并网电流和电网电压之间有固定的相差，使得并网功率因数不高［6］。 2．2电网电压的过零捕获电路设计 本设计采用的检测电路如图2所示。电网电压经由R1、R2、R3、R4、U1B组成的差分电路转换后，进入由运放U1A构成的过零比较电路。放大器的反向端接地，即反向端电位始终为零，当同相端电位＞0时，即同相端电位比反相端高时，放大器输出最大正电压;当同相端电位比反相端低时，放大器输出最小负电压。这样就把电网电压转化为与其有相同过零点的TTL信号，即电网电压上升过零点处脉冲信号变为高电平，如图2所示［7］。考虑到该过零比较电路是直接连接到数字信号处理器(DSP)的捕获端口上，而捕获端口要求加载在上面的电压值不能超过TMS320LF2407A型芯片的供电电压值3．3V，而且该信号不能干扰DSP芯片的正常工作。因此在实验电路中，加入光耦TLP521-2对其进行隔离限压［8］。电网电压过零点，通过该捕获电路后得到的波形如图3所示。可以看到，经过该捕获电路后，就得到与电网电压同相位的方波信号了。 2．3主控单元 DSP是近年来发展的高速数字信号处理器，它以处理速度快、精度高及外设功能强的特点在信息处理、实时控制等方面得到了广泛应用。其中，为了满足电力电子控制设计的需求，TI公司专门为此设计了DSP芯片TMS320LF2407A。该芯片采用高性能的CM0S技术，供电电压降为3．3V，大大减小了控制器的功耗，处理速度大为提高，使得指令周期缩短至25ns，从而提高了控制器的实时控制能力［9］。它具有2个事件管理器模块EVA和EVB(每个模块均包括2个16位通用定时器、8个16位的PWM通道和3个捕获单元等资源)、16通道输入的10位ADC转换器，强大而丰富的内外设功能为其实现复杂和高精度的控制提供了有力保证。该款芯片使系统的硬件电路显得格外的简单，但同时具有更强的功能［10］。整个系统的控制部分由TMS320F2407完成，工作原理如图4所示。 2．4新型数字锁相环的设计 数字锁相环的过程分为频率跟踪和相位同步两部分［11］。(1)频率跟踪的实现过程。根据电网电压频率的允许波动范围(50±1)Hz，由于通用定时器1设为递增计数模式，64分频。50Hz对应的计数器T1CNT的值为12500，则(50±1)Hz对应计数器的变化范围是12279～12755。当电网电压上升沿捕获中断时，读取CAP2FIFO的值，通过相应转换得到当前电网电压的频率，用这个频率值来改变等腰三角载波的周期，即周期寄存器T3PR，以改变输出并网电流的周期，从而达到实现频率跟踪的目的［12］。(2)相位同步的实现过程。在对应的中断中，读取CAP2FIFO的值得到电网电压的频率，读取CAP1FIFO的值得到并网电流的频率，通过计算两者的数值差得到两者的相位差，用该值去调整输出正弦表指针的起始值，从而实现相位同步［13-14］。 3软件设计 系统软件由主程序和中断服务子程序构成。其中中断服务程序适用于处理实时性要求较高的功能，如数字锁相环设计、SPWM模式发生及脉冲输出等。数字锁相环是在CAP捕获中断子程序中实现的，其目的是提高系统处理的实时性，使系统更加快速、高效。新型数字锁相环流程图如图5所示。4两种锁相技术的实验结果首先采用传统的锁相环技术做了单相光伏逆变并网的实验，所得到的并网波形如图6所示。从图中可以看出，传统的数字锁相环在电网电压的相位为零时，调整输出电流的相位从零输出，但由于有输出滤波电感的影响，使得并网电流和电网电压存在一定的相位差［15］。采用新型数字锁相技术后进行逆变并网的实验波形见图7。从实验波形可以看出，采用新型数字锁相环技术后并网电流和电网电压之间的相位差几乎为零，达到了同频同相输出。 5结语 本实验系统由于采用DSP2000系列中的LF2407A作为主控单元，提出了一种新型的数字锁相技术，不仅能根据电网电压的频率变化实现变频输出，还能根据并网电流和电网电压的相位偏差进行主动的相位调整，使输出电流和电网电压同相。最后，通过实验验证了该锁相技术的可行性。#p#分页标题#e#