摘要：針對光伏分布式電源并網(wǎng)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(shù)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(chǎn)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(jié)果表明，該方法控制速度快、精度高。
關(guān)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(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，然后并入電網(wǎng)，供人類生產(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?。而逆變器的輸出交流電流必須與電網(wǎng)電塑封電感器壓同頻同相才能并入電網(wǎng)使用。同頻同相的控制效果對新型能源發(fā)電的效率與質(zhì)量具有重大影響。因此，同頻同相的控制方法研究已經(jīng)成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域一個重要的研究方向。
目前，在逆變電源并網(wǎng)系統(tǒng)中的相位跟蹤控制主要采用數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)，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(fù)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(chǎn)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(shù)在對電網(wǎng)電壓的頻率和相位的跟蹤控制中應(yīng)用較為廣泛一體成型電感器，其作用是使電網(wǎng)電壓和逆變器的輸出電流達到同步鎖相，關(guān)鍵是實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓頻率和相位的跟蹤。數(shù)字鎖相技術(shù)的主要方法有：先調(diào)頻后調(diào)相和同時調(diào)頻調(diào)相。
數(shù)字鎖相環(huán)原理：假設(shè)控制器檢測到逆變器輸出與電網(wǎng)電壓相位差為△ψ，T1為電網(wǎng)電壓周期，T2為逆變器輸出電流大電流電感器周期。令電網(wǎng)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(wǎng)電壓周期相等。數(shù)字鎖相控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(chǎn)生振蕩。實際上當電網(wǎng)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(nèi)，輸出電流的相差模電感位延遲就不會改變，此時電網(wǎng)電壓與逆變器的輸出電流相位差與其頻率有固定關(guān)系R：P=R(f)。因此只要濾波器帶寬足夠大，逆變器對電網(wǎng)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(guān)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(guān)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(guān)。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(shè)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(diào)制信號產(chǎn)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(shè)每次相位增加的時間為AT，通過改變AT，就可以改變調(diào)制信號的頻率?？刂破魇紫葘﹄娋W(wǎng)電壓進行過零捕獲，測得電網(wǎng)電壓的頻率f，并根據(jù)f算出并設(shè)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(wǎng)電壓的過零中斷時，根據(jù)關(guān)系R：P=R(f)，重新設(shè)置調(diào)制信號的相位指針Pindex為固定初始相位P。這樣調(diào)制信號的頻率就嚴格等于電網(wǎng)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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