夏向阳 彭振江 孟庆林

（长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410077）

1 引言

逆变并网控制是光伏并网逆变系统中最为重要的环节，其功能是把前级的光伏直流电变换为与电网同频同相的交流电与电网并联运行，并使其输出功率因数为1，因此锁相是逆变控制中的主要目的。锁相技术是光伏并网逆变系统的一项关键技术，分为模拟锁相、数字锁相、混合锁相和软件锁相，前三种需要复杂的硬件电路且稳定性差，而随着微处理器处理速度的不断提高，软件锁相的优势越来越明显[1-2]。

为了保证并网动作的顺利进行和系统的稳定性，就必须提高锁相环的快速性和稳定性[3]，虽然目前很多文献从理论上给出了很多软件锁相方案，但是在实际应用中效果很不理想，针对这些问题，本文基于 DSPTMS320F2812给出了一种软件锁相控制技术，并在一台1kW单相光伏并网逆变装置样机上进行了实验，实验验证了该方案的可行性。

1.1 软件锁相的原理

与传统采用硬件电路产生 SPWM 波的方法不同，DSPTMS320F2812中的事件管理器EVA、EVB一共能够产生16路占空比可变的PWM波，给定时器Tx的比较寄存器TxCMPR一个设定值，当Tx的计数寄存器 TxCNT的值和 TxCMPR的设定值相等时，就会发生比较匹配事件，如果这时PWM的功能使能，则TxPWM引脚便可以产生PWM波的上升沿或下降沿，设定Tx的计数模式为连续增/减模式，就会在一个三角载波周期内产生两次匹配事件，这样就会得到一个完整的PWM波。如果让T1CMPR的设定值按照正弦规律变化，那么得到便是SPWM波[4]。

两对互补的 SPWM 波能够驱动单相光伏并网逆变器中的 4个 IGBT，使逆变器输出所需的正弦波，其频率决定于三角载波的频率，其相位决定于调制正弦表的指针。软件锁相的目的是使逆变输出功率因数为 1，即让逆变输出电流与电网电压同频同相，所以只要相应改变三角载波的周期TXPR和调制正弦表的指针变量SNUM，就能达到锁相目的。

1.2 频率与相位差的检测方法

电网电压（逆变器输出电流）的频率检测方法如图1所示，设置捕获模块的控制寄存器CAPCONA/B的边沿检测控制位为 1，使其捕获方波的上升沿，同时EV定时器开始计数，当捕捉引脚CAP捕捉到上升沿后，捕捉模块就会将计数寄存器 TXCNT的值写入FIFO堆栈的上层寄存器CAP1FIFO中，并触发捕捉中断。设定时器计数周期个数为COUNT，一个计数周期内计数器共计数37500次，则电网电压和逆变器输出电流的周期T为

式中， T_grid为电网电压周期；T_inv为输出电流周期；Uzerox为电网电压第 x次过零时 TXCNT的值；Izerox为输出电流第 x次过零时 TXCNT的值；COUNT_x为定时器Tx计数的周期个数。

图1 频率检测图

电网电压和逆变器输出电流的相位差检测方法[5]如图2所示，设置同频率检测一样，捕捉引脚CAP3捕捉电网电压的上升沿，捕捉引脚CAP4捕捉逆变器输出电流的上升沿，则相位差△φ为

图2 相位差检测图

2 软件锁相控制算法

由于输出正弦波频率的改变会对其相位产生不可控的影响，所以无论是先调相再调频法还是调频调相同时进行法，都要作复杂的算法处理，本文采用先调频再调相的软件锁相方法易于实现，算法精度高，抗干扰能力强[6-7]。该方法的处理流程框图如图3所示，电网电压和逆变器输出电流的正弦信号经过放大电路、滤波电路和触发器后得到幅值为0～3V间的方波信号，输送到TMS320F2812 DSP的CAP捕捉模块之后，先进行频率锁定处理，当电网电压和逆变器输出电流的频率达到同步后再进行相位锁定处理，最后由EVA事件管理器模块产生所需的SPWM波控制逆变器上IGBT通断。

图3 处理流程框图

2.1 抗毛刺干扰的软件算法

逆变器并网发电后，会对电网产生冲击，使得采样的电网电压带有毛刺干扰。如果毛刺出现在过零点附近，就会使触发器产生连续的非正常翻转，从而测得的电网电压频率严重失准，如图4所示。传统的解决毛刺干扰的方法是在采样电路中加一个滞回比较器，设定一个阈值电压，当毛刺电压比阈值电压小时，就会忽略毛刺电压的影响。但是该方法普遍存在以下缺点：①阈值电压难以确定；②增加了硬件电路，使采样电路结构变复杂；③滞回比较器的输入与输出有延时，会对采样精度产生影响。

图4 电网毛刺干扰

本文采用的软件抗毛刺干扰算法很好地解决了上述问题，提高了采样的准确性。图6是抗毛刺干扰的软件流程图，当捕获引脚CAP捕获到上升沿后，读取堆栈的上层寄存器CAPFIFO的值，判断是否是第一次CAP中断，如果是第一次，则返回中断，否则计算此次捕捉值与上一次捕捉值得差值，因为毛刺干扰产生的捕获差值比正常电网周期计数值要小得多，可以根据计数阈值范围判断是否为毛刺干扰，如果差值小于计数阈值则认为是毛刺干扰，反之则为正常电网电压信号，继续运行下一步锁相算法。

图5 抗毛刺干扰算法流程图

2.2 频率锁定算法

频率锁定的算法流程图如图6所示，其功能是用PI控制来调节EVA定时器T1中周期寄存器T1PR的值。当CAP2捕捉中断触发后首先判断频率是否已经锁定，如果频率已经锁定则会退出中断，反之则利用式（1）计算逆变器输出电流的周期值T_inv，T_inv与电网电压的周期值T_grid（在CAP1捕捉中断计算得到）之差即为ΔT；根据实际情况设定ΔT的限制值，限制值取0.001s，ΔT大于限制值时给T1PR强行赋限定值，限定值取5000个计数；之后进行PI控制，即当电网电压的频率大于逆变器输出电流的频率时，减小T1PR的值，反之则增大，直到｜ΔT｜为0后认定频率锁定完成。

本文采用增量式PI控制法，与位置式PI控制法相比，其不产生积分失控，容易获得较好的调节品质。设锁相环第k次周期差值为ΔT（k），PI调节器的第k次输出为T1PR（k），则有

对于第k-1次，有

由式（4）、（5）得

2.3 相位锁定算法

相位锁定的算法流程图如图7所示，其功能是用PI控制来调节调制正弦表的指针变量SNUM的值。进入CAP1捕捉中断之后，要先判断频率是否已经锁定，如果频率还没锁定，则先计算电网电压的周期值T_grid后退出中断，反之则利用式（1）计算出相位差Δφ；之后同样进行增量式PI控制来调节调制正弦表的指针SNUM，当电网电压的相位超前逆变器输出相位时，要减小SNUM值，反之则增大。同样也要根据实际情况设定Δφ的限制值和允许值，限制值取180°，允许值取0.1°。

图6 频率锁定算法流程图

图7 相位锁定算法流程图

2.4 锁相精度

本文采用SPWM双极性同步调制法，载波比N=200，高速外设时钟HSPCLK=75MHz，定时器输入时钟预定标因子P=1，采样方法为对称规则采样法[8]。设定时器计数寄存器每计数一次所需要的时间为TCLK，则：因而电网电压与逆变器输出电流的最小相位差为

3 实验验证

本文的软件锁相技术在一台1kW单相光伏并网逆变装置上进行了验证，电网电压峰值为311V，输出电流为3A，经过霍尔电流传感器后转换为峰值为3.04V的电压，用示波器进行观测，实验结果如图8、图9、图10所示。图8为锁相环运行前的波形，电网电压频率为50Hz，输出电流频率为51.5Hz，可见电网电压与输出电流的频率和相位均不相等。图9为频率锁定，此时输出电流频率也为50Hz，但有相位差，图10为锁相完成后波形，可见两者达到很好的吻合。

图8 软件锁相之前CH1—逆变输出电流 CH2—电网电压

图9 频率锁定完成CH1—逆变输出电流 CH2—电网电压

图10 锁相完成CH1—逆变输出电流 CH2—电网电压

4 结论

本文提出了先频率锁定后相位锁定的软件锁相算法及其流程图，该算法精度高，稳定性强，加入了抗毛刺干扰算法，简化了硬件电路。处理流程简单，容易实现，在一台1kW单相光伏并网逆变装置上进行了实验，验证了本文所述算法有效可行。

[1] 赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究[D].安徽：合肥工业大学,2003：53-54.

[2] 王章权.瞬时电流跟踪控制光伏并网技术[J].电源技术,2007,31(8)：648-650.

[3] 李玲,谢利理.光伏并网系统中的数字锁相环[J].电源技术,2010, 34(8)：845-847.

[4] 孙丽明.TMS320F2812原理及其C语言程序开发[M].北京：清华大学出版社,2008.

[5] 廖慧,丘水生.基于F2812的UPS软件锁相技术[J].电气应用,2008,27(05)：68-71.

[6] 张喻,陈新.基于 DSP2812的软件锁相[J]. 电力电子技术,2008,42(2)：75-77.

[7] 罗玛,杨成林,徐德鸿.基于 DSP的逆变器数字锁相技术[J]. 电力电子技术,2005,39(5)：107-108.

[8] CHEN ZH Q, CAO ZH Q. A software phase-locked loop based on the novel method of dynamical observation interval[C].10th As-ia-Pacific Conference on Communications and 5th International Symposium on Multi-Dimensional mobile Communctions, IEEE,2004： 484-488.