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，需要通過逆變器轉變?yōu)榻涣麟姟６?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/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(jīng)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(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，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MSP430F2544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(wǎng)電壓的頻率和相位的跟蹤控制中應用較為廣泛，其作用是使電網(wǎng)電壓和逆變器的輸出電流達到同步鎖相，關鍵是實現(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(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。