0 引言

　　在光伏并網發電系統中，需要實時檢測電網電壓的相位和頻率以控制并網逆變器，使其輸出電流與電網電壓相位及頻率保持同步，即同步鎖相。同步鎖相是光伏并網系統一項關鍵的技術，其控制精確度直接影響到系統的并網運行件能。倘若鎖相環電路不可靠，在逆變器與電網并網工作切換過群中會產生逆變器與電網之間的環流，對沒備造成沖擊，這樣會縮短設備使用壽命，嚴重時還會造成設備的損壞。

　　TI公司生產的高速數字信號處理器TMS320C2000系列，不僅體積小、功耗小、可靠性高，而且內部集成了12路PWM發生器、6路CAPTURE單元電路等外設電路，非常適合于PWM信號的控制及鎖相環的數寧實現。本文采用了一種基于DSP芯片TMS320C2407A實現光伏并網系統數字鎖相的與法，并給出了實驗結果。

　　1 鎖相的原理

　　鎖相環是一個閉環的相位控制系統，能夠自動跟蹤輸入信號的頻率和相位。利用鎖相環技術可以產生同步于輸入信號的整數倍頻或分數倍頻的輸出控制信號。鎖相環的基本結構是由簽相器(PD)、環路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VC0)和倍頻器(MF)等組成，如圖l所示。

　　倍頻器實現對輸出信號Uo進行整數或分數倍頻。鑒相器是用來比較輸入信號Ui與倍頻器輸出的鎖相信號Ub之間的相位差，并把該相位差轉化為電壓信號Ue。環路濾波器通常具有低通特性，作用是濾除電壓信號Ue中高頻分量與其它噪聲信號，產生穩定的電壓控制信號Ue。壓控振蕩器的振蕩頻率受電壓控制信號Ue的控制，完成電壓-頻率的變換作用，從而實現鎖相。特殊情況，當倍頓器的倍頻數為1時，即Ub=Uo，這時實際上實現了輸出信號Uo與輸入信號Ui之間的直接鎖相。

　　一般來說，鎖相可分為模擬鎖相和數字鎖相兩種。衡量鎖相性能的三個技術指標是鎖相范圍、鎖相速度和穩定性。傳統的模擬鎖相電路復雜，器件參數需要調整，存在溫度漂移，精度不高。而采用數字鎖相方法，可有效消除模擬方法的缺點，同時具有控制靈活，裝置升級方便，可在線修改與調試，可靠性高，維護便利等優點，是PLL技術發展的趨勢。

　　2 數字鎖相的設計與實現

　　本文數字鎖相的設計方案是：首先運用2路CAPTURE單元分別捕獲計算電網電壓和逆變器輸出電流的頻率和相位，根據計算結果調節相應SPWM載波頻率和初始相位，從而實現光伏逆變系統輸出電流對電網電壓的頻率及相位的跟蹤。

　　2.1 同步信號的檢測與捕獲

　　同步信號的檢測分為電網電壓與逆變輸出電流的檢測。電網電壓頻率和相位的檢測如圖2所示。

　　電網電壓先經過采樣變壓器采樣，冉把采樣電壓送到過零比較器進行過零檢測，得到與電網電壓同頻同相的方波信號，然后進行光耦隔離，并限壓在33V以下，濾去高頻干擾，最后送給DSP的CAP4端口。電網電壓和輸入到CAP4中的電網過零信號如圖3所示。逆變電流的檢測與電網電壓采樣相同，逆變電流信號送給DSP的CAP5端口。

　　DSP捕獲單元的作用是捕獲引腳上電平的變化，并記錄電平發生變化的時刻。本文中，CAP4和CAP5均設置為檢測到上升沿有效。由于CAP輸入信號是方波信號，因此兩個相鄰上升沿之間的間隔恰好是一個周期，同時上升沿發生的時刻就是采樣信號從負到正的過零點，從而實現對電網電壓和輸出電流頻率和相位的檢測。

　　2.2 SPWM波的產生機理

　　SPWM波是用正弦波與三角載波相互比較而產生的脈沖寬度與正弦波幅值成正比的方波信號，通常的硬件方法是直接將正弦與三角這兩種波輸入到一個由運放所構成的比較器電路進行比較而實現的。采用DSP芯片TMS320LF2407A，用軟件方法產生SPWM波的機理與傳統的硬件方法不同。

　　在DSP芯片中，PWM信號的產生主要通過通用定時器的周期寄存器和相關比較寄存器的匹配來實現的。周期寄存器裝載著給定三角波周期相應的計數值，比較寄存器裝載著正弦波離散化后的各個比較點的幅值。設定定時器為連續增/減計數模式，當定時器的計數值與比較寄存器中的值相等時發生比較匹配，這樣在一個三角載波周期中會發生兩次匹配。在上述兩次匹配時，相應引腳的輸出電平發生翻轉。從而得到寬度不等的PWM波。

　　2.3 數字鎖相與軟件流程圖

　　數字鎖相的目標是使輸出電流與電網電壓同頻同相，也即讓逆變電流去跟蹤電網電壓的變化。輸出電流頻率是通過調整產生SPWM的三角載波頻率而實現的，若電流頻率小于電網頻率，則應減小發生SPWM信號的相關定時器周期寄存器的值，從而通過提高三角載波頻率來實現輸出電流領率與電網電壓頻率相同，反之亦然。輸出電流相位是通過調整產生SPWM信號正弦波離散值中的第一個點發生的時刻而實現的，當捕獲到電網電壓的過零點時，立即調整相應比較寄存器中正弦波離散值的指針，并作一定的時間補償。

　　頻率調整的軟件流程框圖如圖4所示。

　　頻率調整的過程是，當捕獲到上升沿產生中斷時，進入中斷服務程序，先保護現場，再判斷中斷源是CAP4還是CAP5。若是CAP4，則說明產生中斷的時刻是電網電壓的過零點。將捕獲值存入Uzero寄存器，再減去上一次的捕獲值，兩者的差值正好是電網電壓的周期。然后拿該周期與當前逆變電流周期作比較，倘若兩者無差值，則返回；若有誤差，則對周期寄存器作相應的調整。

　　相位調整的軟件流程框圖如圖5所示。相位調整的過程是，將當前電網電壓與逆變電流兩者捕獲的過零值作比較，得到相位差。若相位差小于等于允許值，則說明兩者已同相；若相位差大于允許值，則作PI調節，然后再判正弦計數值有無大于限制值，若無，則直接把相鄰兩次的差值作為調整量；若大于限制值，則只凋整限制值，在下一中斷時，再作進一步的調整。

　　本文采用載波比N=400的SPWM同步調制技術，DSP芯片的CLOCK為40MHz(即周期25ns)，三角載波最小計數單位為l，基波頻率為50Hz(即周期20ms)，因而正弦波的最小相位差為：400×2×25ns=20μs，(20μs/20ms)×360°=0.36°。即數字鎖相精度為：O.36°/360°=0.1％ 。鎖相過程實驗波形如圖6所示。

　　3 實驗結果

　　光伏并網發電實驗裝置中Boost升壓(55V/168V)電路、全橋逆變器和升壓變壓器(95V/220V)組成,光伏最大功率點工作電壓為55V,負載為電阻負載。數字鎖相系統主要通過對DSP芯片的編程來實現。圖6為鎖相過程的實驗波形圖，從圖中可看出，光伏逆變器輸出電流經調整后與電網電壓同頻同相，數字鎖相環正常正作。

　　4 結語

　　本文所研究的基于DSP的光伏逆變系統數字鎖相技術，鎖相精度高，易于實現，不但能很好地滿足光伏系統并網的要求，而且實現了輸出端的功率因數校正控制。實驗結果驗證了本方法的可行性和有效性。