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(多图) 基于DSP的光伏并网发电系统数字锁相技术

来源:电源技术应用/作者:蒋燕君 张超 何湘宁?? 2008年03月24日 ?? 收藏0

  0 引言

  在光伏并网发电系统中,需要实时检测电网电压的相位和频率以控制并网逆变器,使其输出电流与电网电压相位及频率保持同步,即同步锁相。同步锁相是光伏并网系统一项关键的技术,其控制精确度直接影响到系统的并网运行件能。倘若锁相环电路不可靠,在逆变器与电网并网工作切换过群中会产生逆变器与电网之间的环流,对没备造成冲击,这样会缩短设备使用寿命,严重时还会造成设备的损坏。

  TI公司生产的高速数字信号处理器TMS320C2000系列,不仅体积小、功耗小、可靠性高,而且内部集成了12路PWM发生器、6路CAPTURE单元电路等外设电路,非常适合于PWM信号的控制及锁相环的数宁实现。本文采用了一种基于DSP芯片TMS320C2407A实现光伏并网系统数字锁相的与法,并给出了实验结果。

  1 锁相的原理

  锁相环是一个闭环的相位控制系统,能够自动跟踪输入信号的频率和相位。利用锁相环技术可以产生同步于输入信号的整数倍频或分数倍频的输出控制信号。锁相环的基本结构是由签相器(PD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VC0)和倍频器(MF)等组成,如图l所示。

锁相环的基本结构

  倍频器实现对输出信号Uo进行整数或分数倍频。鉴相器是用来比较输入信号Ui与倍频器输出的锁相信号Ub之间的相位差,并把该相位差转化为电压信号Ue。环路滤波器通常具有低通特性,作用是滤除电压信号Ue中高频分量与其它噪声信号,产生稳定的电压控制信号Ue。压控振荡器的振荡频率受电压控制信号Ue的控制,完成电压-频率的变换作用,从而实现锁相。特殊情况,当倍顿器的倍频数为1时,即Ub=Uo,这时实际上实现了输出信号Uo与输入信号Ui之间的直接锁相。

  一般来说,锁相可分为模拟锁相和数字锁相两种。衡量锁相性能的三个技术指标是锁相范围、锁相速度和稳定性。传统的模拟锁相电路复杂,器件参数需要调整,存在温度漂移,精度不高。而采用数字锁相方法,可有效消除模拟方法的缺点,同时具有控制灵活,装置升级方便,可在线修改与调试,可靠性高,维护便利等优点,是PLL技术发展的趋势。

  2 数字锁相的设计与实现

  本文数字锁相的设计方案是:首先运用2路CAPTURE单元分别捕获计算电网电压和逆变器输出电流的频率和相位,根据计算结果调节相应SPWM载波频率和初始相位,从而实现光伏逆变系统输出电流对电网电压的频率及相位的跟踪。

  2.1 同步信号的检测与捕获

  同步信号的检测分为电网电压与逆变输出电流的检测。电网电压频率和相位的检测如图2所示。

电网电压频率和相位的检测

  电网电压先经过采样变压器采样,冉把采样电压送到过零比较器进行过零检测,得到与电网电压同频同相的方波信号,然后进行光耦隔离,并限压在33V以下,滤去高频干扰,最后送给DSP的CAP4端口。电网电压和输入到CAP4中的电网过零信号如图3所示。逆变电流的检测与电网电压采样相同,逆变电流信号送给DSP的CAP5端口。

电网电压和输入到CAP4中的电网过零信号

  DSP捕获单元的作用是捕获引脚上电平的变化,并记录电平发生变化的时刻。本文中,CAP4和CAP5均设置为检测到上升沿有效。由于CAP输入信号是方波信号,因此两个相邻上升沿之间的间隔恰好是一个周期,同时上升沿发生的时刻就是采样信号从负到正的过零点,从而实现对电网电压和输出电流频率和相位的检测。

  2.2 SPWM波的产生机理

  SPWM波是用正弦波与三角载波相互比较而产生的脉冲宽度与正弦波幅值成正比的方波信号,通常的硬件方法是直接将正弦与三角这两种波输入到一个由运放所构成的比较器电路进行比较而实现的。采用DSP芯片TMS320LF2407A,用软件方法产生SPWM波的机理与传统的硬件方法不同。

  在DSP芯片中,PWM信号的产生主要通过通用定时器的周期寄存器和相关比较寄存器的匹配来实现的。周期寄存器装载着给定三角波周期相应的计数值,比较寄存器装载着正弦波离散化后的各个比较点的幅值。设定定时器为连续增/减计数模式,当定时器的计数值与比较寄存器中的值相等时发生比较匹配,这样在一个三角载波周期中会发生两次匹配。在上述两次匹配时,相应引脚的输出电平发生翻转。从而得到宽度不等的PWM波。


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DSP? 光伏并网? 发电系统? 数字锁相?

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