基于數(shù)字移相器的逆變器系統(tǒng)相位跟蹤控制

摘要：針對(duì)光伏分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)中的相位跟蹤控制問(wèn)題，分析了數(shù)字鎖相環(huán)控制技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提出一種基于數(shù)字移相器的相位跟蹤控制方法。實(shí)驗(yàn)利用MSP430產(chǎn)生SPWM信號(hào)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(kāi)環(huán)控制方式，實(shí)現(xiàn)了無(wú)誤差頻率跟蹤，高精度的相位跟蹤。實(shí)驗(yàn)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(kāi)環(huán)控制；數(shù)字移相器

由于能源危機(jī)的不斷惡化，新型能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能等，越來(lái)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(guò)發(fā)電的方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽缓蟛⑷腚娋W(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(guò)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姟６?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/逆變器">逆變器的輸出交流電流必須與電網(wǎng)電壓同頻同相才能并入電網(wǎng)使用。同頻同相的控制效果對(duì)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(gè)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(diǎn)。本文針對(duì)數(shù)字鎖相環(huán)的缺點(diǎn)，提出一種基于數(shù)字移相器的相位跟蹤開(kāi)環(huán)控制方法。在實(shí)驗(yàn)中采用MSP430F2544作為控制器模擬逆變系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了同頻同相跟蹤控制。該控制方法簡(jiǎn)單高效，系統(tǒng)穩(wěn)定，具有無(wú)誤差頻率跟蹤、高精度相位跟蹤的特點(diǎn)。

1 數(shù)字鎖相環(huán)控制原理
數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)在對(duì)電網(wǎng)電壓的頻率和相位的跟蹤控制中應(yīng)用較為廣泛，其作用是使電網(wǎng)電壓和逆變器的輸出電流達(dá)到同步鎖相，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)調(diào)頻調(diào)相。
數(shù)字鎖相環(huán)原理：假設(shè)控制器檢測(cè)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為逆變器輸出電流周期。令電網(wǎng)電壓表達(dá)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(dāng)△ψ=0且T1=T2時(shí)即達(dá)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(fù)，則需減小逆變器輸出電壓周期T2。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，△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(shí)際上是一種閉環(huán)負(fù)反饋控制方式。負(fù)反饋控制方式具有能實(shí)時(shí)跟蹤環(huán)境變化的優(yōu)點(diǎn)，但控制速度慢，而且當(dāng)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)存在極點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)易產(chǎn)生振蕩。實(shí)際上當(dāng)電網(wǎng)環(huán)境變化時(shí)，只要逆變器輸出電流的頻率仍處于后級(jí)濾波器的通帶內(nèi)，輸出電流的相位延遲就不會(huì)改變，此時(shí)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(duì)電網(wǎng)的波動(dòng)就有較強(qiáng)的免疫性。此時(shí)就可以采用開(kāi)環(huán)控制方式。