郑飞，吴蓓蓓，张军军，包斯嘉

（中国电力科学研究院，江苏 南京 210003）

0 引言

太阳能作为绿色能源越来越受到世界各国的重视，光伏并网发电已成为太阳能利用的主要方式［1－3］。在光伏并网系统中，一方面为实现并网有功功率最大［4－5］，需要确保逆变器输出电流与电网电压同频与同相;另一方面当电网频率波动时需要尽可能快速、准确地锁定电网频率和相角［6－8］，因此同步锁相是光伏并网系统中的一项关键技术。目前，由于并网光伏系统一般采用由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器构成的闭环调节系统，只有当闭环调节达到稳态时，才能实现逆变器输出电流与电网电压同频与同相;另外闭环调节本质上是一种有差跟踪系统，特别是在锁相环路的增益调节不恰当时其跟踪误差更为明显，锁相的准确性较难保证，并且系统动态响应速度较慢、计算较为复杂和可靠性较低［9］。

本文提出一种基于DSP和FPGA的控制方案，提出了一种新型数字锁相方法，通过MATIAB/Simulink验证该数字锁相方法的有效性后，再将此数字锁相方法及整套控制方案，实际应用于某3 kW单级三相光伏并网逆变器中。

1 光伏并网控制系统

图1 光伏并网系统结构

如图1所示，单极三相光伏并网系统主要包括主电路和控制系统两大部分。主电路工作原理为:三相逆变器在控制系统发出的PWM驱动控制信号的作用下，将光伏阵列直流母线上的直流逆变为交流，再通过滤波器滤波后并入电网。控制系统主要由DSP和FPGA芯片构成，控制器工作原理为:DSP芯片通过最大功率跟踪MPPT算法和电压PI调节器得到逆变器输出电流的d轴参考值idref，为保证逆变器输出电流同频与同相，设置逆变器输出电流的q轴参考值iqref=0［10－12］;通过同步电流矢量控制得到d、q轴的直流电压信号u*d、u*q;通过dq－αβ坐标变换得到空间矢量脉宽调制算法SVPWM［13］所需的调制信号uα和uβ;FPGA芯片主要完成电网电压数字锁相和SVPWM驱动功能，发出六路PWM驱动信号;DSP和FPGA之间通过高速串行外围接口SPI通信［14］，将电网电压相位 θ从 FPGA 传输给 DSP，另外将uα、uβ、upv等信号从 DSP传输给 FPGA［15］。

2 数字锁相方法

提出一种基于FPGA的新型数字锁相方法，具体步骤如下:

（1）首先通过过零检测电路检测A相电网电压ua的过零点上升沿脉冲信号uap，且将uap送入数字处理器;

（2）初始化k=2，k为自然数且k≥2，给定A相电网电压ua的初始频率f0=50 Hz;

（3）当检测到第一个过零点上升沿脉冲信号uap（1）时，设定此过零点时刻为T（1），计数器时间Δt清零且从0开始计时;

（4）当第二个过零点上升沿脉冲信号uap（2）没有到来时，若0≤Δt＜0.022 2 s，则按式（1）计算得到角度 θ，按式（4）计算得到A相电网电压ua的相位角θA，按式（5）计算得到三相平衡电网的相位角 θABC，进入第（5）步;若 Δt≥0.022 2 s，则数字处理器发出频率故障报警信号。

（5）当第k个过零点上升沿脉冲信号uap（k）到达后，设定此过零点时刻为T（k），计数器时间Δt清零且从0开始计时，若（T（k）－T（k－1））≥0.018 2 s，进入第（7）步;若（T（k）－T（k－1））＜0.0182 s，则数字处理器发出频率故障报警信号;

（6）k=k+1，当第k个过零点上升沿脉冲信号uap（k）没有到来时，若 0≤Δt＜0.022 2 s，则进入第（5）步;若 Δt≥0.022 2 s，则数字处理器发出频率故障报警信号;

（7）按式（2）计算频率f，按照公式（3）计算角度θ，θ的单位为rad;

（8）按式（4）计算得到A相电网电压ua的相位角θA，θA的单位为rad，式（4）中函数mod为求余函数;

（9）由于本文主要研究三相平衡电网，则三相平衡电网的相位角θABC可由式（5）得到，θABC的单位为度，进入第（6）步;

由上述数字锁相步骤可见，该数字锁相方法具有如下特点:

（1）动态逐周波刷新。该方法首先初始化A相电网电压ua第一个周波的频率为50 Hz;然后设定ua其他周波的频率均为通过过零点检测电路检测到的ua的上一周波的频率，因此保证了每个工频周期所检测到的三相平衡电网的频率和相位均动态刷新一次，没有累积误差，能更好地动态跟踪当前电网电压的频率变化。

（2）快速准确。该方法实际上是一种开环控制，每个工频周期所检测到的三相平衡电网的频率和相位均动态刷新一次，能实现快速锁相，并且由于采用FPGA芯片来进行式（1）、（2）和（3）的计算，只需将FPGA的基准分频器的频率提高，即提高式（1）、（2）和（3）中关键参数 Δt、T（k）、T（k－1）等的精度，就能提高角度θ的精度，最终提高锁相得到的三相平衡电网的相位角θABC的准确度。

（3）稳定可靠。该方法流程简单，仅为如式（1）～（5）所示的一些简单运算以及一些分值判断、跳转指令等，极大地提高了算法本身的实时性和可靠性;另外，通过引入对A相电网电压ua频率异常情况的监测，判断其是否在45 Hz到55 Hz的范围之内，并相应发出故障报警信息，充分保证了该数字锁相方法的稳定可靠。

3 仿真验证

基于以上光伏并网控制系统以及数字锁相方法的研究，采用MATIAB/simulink软件，对算法流程构建相应仿真模型进行仿真验证，这里设置三相电网频率为49.98 Hz，仿真效果如图2所示。

由图2（a）可见，A相电网电压ua波形，其频率为49.98 Hz;通过过零检测电路检测到的A相电网电压ua的过零点上升沿脉冲信号为uap，如图2（b）所示;通过公式（2）计算的电网频率如图2（c）所示，在ua第一个周波内，该算法默认为三相电网的初始频率为50 Hz，但是从第二周波开始精确锁定三相电网的频率为49.98 Hz，和实际电网频率一致;图2（d）为每个过零点上升沿脉冲信号到达后，计数器时间Δt清零且从0开始计时的波形;图2（e）为根据式（1）～（5）计算得到的三相平衡电网的相位角θABC，可见与A相电网电压ua相位一致，即实现对三相平衡电网的数字锁相。

4 实验结果分析

为进一步验证所提数字锁相方法和基于DSP和FPGA控制方案的有效性，研制一台3 kW的单级三相光伏并网逆变器进行实验验证。样机主电路参数为:直流母线电压Udc=550 V，电容C=1 200 uF，逆变器开关频率f1=5 kHz，滤波器电感L=20 mH，滤波器电阻R=0.08 Ω;控制系统主控芯片采用TMS320F2806型DSP和EP2C5T144C8型FPGA。

图2 仿真波形

数字锁相实验效果如图3和图4所示，图3为A相电网电压ua和过零方波uzero波形，可见过零检测电路实现了对电网电压ua的精确过零检测，过零方波信号uzero与电网电压ua完全同步;图4为数字锁相信号upll和过零方波uzero波形，可见在上电瞬间，所提出的数字锁相方法产生的锁相信号upll即基本跟踪上电网电压的过零方波信号uzero，且从第二个电网周期开始，就实现了精确的数字锁相，动态锁相性能良好。

图3 A相电网电压ua和过零方波uzero

单级三相光伏并网逆变器并网运行实验效果如图5所示，可见逆变器输出A相电流信号ia和电网电压信号ua同频与同相，并网性能良好。

图4 数字锁相upll和过零方波uzero

5 结束语

本文基于DSP和FGPA提出了一种适合于单极三相光伏并网控制系统的控制方案，并重点提出了一种新型数字锁相方法，仿真和实验表明:

（1）该数字锁相方法动态性能好。由于该锁相方法在每个工频周期使所检测到的三相平衡电网的频率和相位均动态刷新一次，没有累积误差，因此能更好地动态跟踪当前电网电压的频率变化;

（2）该数字锁相方法稳定可靠。由于该锁相方法仅通过一些简单运算以及一些分值判断、跳转指令等实现锁相，流程简单，

图5 逆变器输出A相电流ia和 A相电网电压ua

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