0 引言

    在新能源并網(wǎng)發(fā)電中，鎖相環(huán)的應(yīng)用非常廣泛。逆變器的并網(wǎng)就需要傳感器對電網(wǎng)相位、頻率信息的采集，然后進行A/D轉(zhuǎn)換。如何對電網(wǎng)電壓信息準確快速地獲取成為并網(wǎng)逆變器研究的焦點。傳統(tǒng)的硬件鎖相環(huán)由硬件電路對電壓的過零點檢測，雖成本較低且易于實現(xiàn)，但易受外界條件的干擾且精度不高。為了使逆變器在并網(wǎng)時輸出電流能快速準確地跟蹤上電網(wǎng)電壓相位，數(shù)字化鎖相技術(shù)應(yīng)運而生^[1-3]。鎖相環(huán)的作用在于產(chǎn)生相位角，使并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓保持同頻同相，同時實時計算電網(wǎng)的當前相位以便進行坐標變換來完成電流內(nèi)環(huán)解耦^[4]。本文利用互感器實現(xiàn)了基于預(yù)測電流無差拍方法結(jié)合改進的解耦方法和空間矢量調(diào)制的策略^[5-6]，很好地解決三相逆變器在并網(wǎng)運行時鎖相問題。在MATLAB/Simulink軟件下搭建模型并進行仿真驗證，仿真和實驗結(jié)果證實基于互感器的數(shù)字鎖相環(huán)在鎖相精度和速度方面具有良好的效果。

1 逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

    逆變器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，直流側(cè)一般由兩個支撐電容^[7]串聯(lián)而成，起到穩(wěn)定母線電壓，吸收紋波電流、功率解耦、均壓等作用。而在實際應(yīng)用中，還需在每個電容兩端 并聯(lián)一定阻值的均壓電阻，其作用一是進一步解決均壓的問題，二是在系統(tǒng)停機時，可以提供一個能量釋放的通道，所以這個電阻可以稱為均壓電阻或釋放電阻。

    樣機設(shè)計功率1.2 kVA，支撐電容的計算有多種方法，目前還沒有統(tǒng)一的定論，本設(shè)計根據(jù)式(1)方法計算，得C_d為332 μF，選擇兩只450 V/1 000 μF電解電容串聯(lián)，等效電容容值500 μF，泄放電阻選擇10W30KJ。

    本設(shè)計對電網(wǎng)電壓信息的采集依賴互感器實現(xiàn)，互感器是一種利用電磁感應(yīng)原理對信號采集的傳感器^[8]。電壓互感器原理上是電流型電壓互感器，所以電壓檢測電路與電流檢測電路類似，參數(shù)設(shè)置也可以參考。以電流檢測電路為例，如圖2所示。

    電流互感器初級串聯(lián)在輸出電路中，次級近似短路狀態(tài)，第一級將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號；第二級是為后加運放提供一個基準電壓；第三級是一個差分放大電路，放大電壓信號；最后一級為電壓跟隨，起阻抗變換作用，提高電路帶負載能力，A/D輸入利用鉗位二極管使得電壓鉗位在3.3 V。

    對于電網(wǎng)頻率的采集使用的是過零檢測電路，根據(jù)電網(wǎng)的檢測信號設(shè)置A/D采樣頻率，兩個零點之間的 時間就是電網(wǎng)的周期，過零檢測電路如圖3所示。

    過零檢測電路第一級與電路檢測電路作用相同，將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?；第二級LM339是比較器，將正弦信號轉(zhuǎn)變頻率相同的-5 V~+5 V的方波信號；第三級是一個反相器，將信號轉(zhuǎn)換為0~5 V的方波信號；然后經(jīng)過第四級第五級限幅反向送入到DSP中，控制DSP是上升沿出發(fā)還是下降沿出發(fā)就可以獲得相應(yīng)的頻率，鉗位二極管起到保護I/O口的作用。

2 無差拍功率解耦控制

    對于圖1根據(jù)KVL可得，

    根據(jù)式(4)離散化處理后進行無差拍跟蹤控制，電壓外環(huán)PI控制，電流內(nèi)環(huán)無差拍控制^[9]，采用無差拍有利于數(shù)字化控制的實現(xiàn)。

    對式(2)進行abc/dp變換，可得與電網(wǎng)電壓同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的模型：

式中，u_d，u_q為逆變器輸出電壓矢量的dq分量；e_d，e_q為三相電網(wǎng)電壓矢量的dq分量；i_d，i_q為逆變器輸出電流矢量的dq分量；ω為電網(wǎng)電壓角頻率。

    式(5)可以發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電壓不僅影響軸電流，而且受交叉耦合影響，所以要對dq軸的電流解耦^[10]。

    在e_a，e_b，e_c平衡狀態(tài)下，電網(wǎng)電壓矢量選取直軸方向定向，即e_d=E_S，e_q=0，通過對u_d和i_d的調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)輸出有功功率。電網(wǎng)電壓合成矢量E_s，電感上的電壓矢量V_L，電阻電壓矢量V_R，并網(wǎng)電流矢量I_s，功率因數(shù)角，空間矢量圖如圖4所示。

    代入式(5)可得：

    傳統(tǒng)解耦框圖如圖5所示，利用PI調(diào)節(jié)器完成輸出電流對參考電流的直交軸分別跟蹤。

    改進的解耦方法直接引入?yún)⒖茧娏鞯慕怦?，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度更快，且不含有橋臂脈動分量，避免了脈動分量之間的耦合，從而提高了入網(wǎng)電流質(zhì)量^[11]。改進交流電流內(nèi)環(huán)解耦框圖如圖6所示。

    解耦后功率為：

式中，P為有功功率，Q為無功功率。這樣就實現(xiàn)了功率解耦控制，從逆變器側(cè)來看，若直軸電流為正，交軸電流為零，輸出能量全部為有功功率，為單位功率因數(shù)逆變；若直軸電流為正，交軸為負，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)無功補償。改變直交軸電流分量，就能夠調(diào)節(jié)并網(wǎng)功率和電能質(zhì)量。

3 實驗

    為了更好地驗證該控制策略的可行性和可靠性，研制了一臺1.2 kVA樣機，處理器使用了TI公司的TMS320F2812，驅(qū)動芯片使用了IR公司的IR2132，功率器件使用了IR公司型號為IRFP460的MOSFET。實驗參數(shù)與仿真參數(shù)一致。 

    當開關(guān)頻率為10 kHz時，逆變器輸出電壓波形如圖7所示，可以看出，由于開關(guān)頻率不夠高，濾波器參數(shù)不適配，峰頂有包絡(luò)，高頻分量多，此時含有較多的諧波分量；當開關(guān)頻率為20 kHz時，逆變器輸出電壓波形如圖所示，可以看出，此時波形明顯好于10 kHz，此時濾波電感為3 mH，濾波電容2.2 μF。

    圖8(a)是M為0.9時的濾波前電壓波形。圖8(b)是輸出電壓和輸出電流波形，調(diào)制比M由逆變器輸出相電壓與直流母線電壓共同決定的，一般情況下盡可能地使調(diào)制比接近于1。

    圖9(a)為電網(wǎng)電壓過零點檢測時測出的波形，從圖中可以看出，電網(wǎng)電壓和方波電壓頻率一致，從而可以利用DSP捕獲中斷捕獲上升沿或者下降沿信號獲取電網(wǎng)頻率信息。圖9(b)為電網(wǎng)電壓鎖相角，實驗波形是通過DSP將角度轉(zhuǎn)換成正值從DA口顯示出來。從波形可以看出，該鎖相角的變化范圍從0到2π。

    由于基于電流預(yù)測無差功率解耦控制策略將電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流實現(xiàn)了雙閉環(huán)控制，解耦后可以通過控制i_d和i_q從而調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的輸出能量和功率因數(shù)，達到了調(diào)節(jié)并網(wǎng)功率和電能質(zhì)量的效果。

4 結(jié)論

    本文從理論和實驗上分析和驗證了基于互感器的數(shù)字鎖相環(huán)可行性，結(jié)合電流預(yù)測無差拍方法和空間矢量調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到1.2 kVA樣機中。從仿真和實驗結(jié)果來看，該方法對于并網(wǎng)鎖相有很強的適用性，同時也可以看出該數(shù)字鎖相環(huán)具有良好的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性，可以實現(xiàn)對給定電流進行快速精確地跟蹤，鎖相波形效果良好。

參考文獻

[1] 趙珂，曹小麗，謝國峰.基于重復(fù)控制與無差拍控制UPS逆變器的研究[J].南昌航空大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012(4)：41-44，93.

[2] 洪小圓，呂征宇.基于同步參考坐標系的三相數(shù)字鎖相環(huán)[J].電工技術(shù)學(xué)報，2012(11)：203-210.

[3] 侯世英，張詣.新型數(shù)字鎖相環(huán)在三相電壓型SVPWM整流器中的應(yīng)用[J].電力自動化設(shè)備，2011(7)：48-51.

[4] 楊勇，阮毅，葉斌英，等.三相并網(wǎng)逆變器無差拍電流預(yù)測控制方法[J].中國電機工程學(xué)報，2009，29(33)：40-46.

[5] 傅曉帆，周克亮，程明，等.風(fēng)電場并網(wǎng)用VSC-HVDC的無差拍解耦控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報，2009，24(11)：157-164.

[6] 芮騏驊，杜少武，姜衛(wèi)東，等.三相光伏并網(wǎng)逆變器SVPWM電流控制技術(shù)研究[J].電力電子技術(shù)，2010(4)：4-5.

[7] 裴雪軍，陳材，康勇.三相電壓源逆變器直流側(cè)支撐電容的電壓脈動分析與設(shè)計[J].電工技術(shù)學(xué)報，2014(3)：254-259，269.

[8] 曹浩，劉得軍，馮葉，等.全相位時移相位差法在電力諧波檢測中的應(yīng)用[J].電測與儀表，2012(7)：24-28.

[9] 黃天富，石新春，魏德冰，等.基于電流無差拍控制的三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40(11)：36-41.

[10] 楊勇，阮毅，吳國祥，等.基于DPWM1的無差拍解耦控制的三相并網(wǎng)逆變器[J].電工技術(shù)學(xué)報，2010，25(10)：101-107.

[11] 姚志壘.并網(wǎng)逆變器關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2012：25-27.

作者信息:

何松原1，陳  榮1，2

（1.江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013；2.鹽城工學(xué)院 電氣學(xué)院，江蘇 鹽城224051）