基于數字移相器的逆變器系統相位跟蹤控制

摘要：針對光伏分布式電源并網系統中的相位跟蹤控制問題，分析了數字鎖相環控制技術存在的缺點，提出一種基于數字移相器的相位跟蹤控制方法。實驗利用MSP430產生SPWM信號合成正弦波模擬光伏逆變電源系統。采用基于數字移相器思想的開環控制方式，實現了無誤差頻率跟蹤，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；數字鎖相環；開環控制；數字移相器

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，并取得重大發展。這些新型能源絕大部分都要通過發電的方式轉變為電能，然后并入電網，供人類生產生活使用。由于新能源發電的電力不穩定，需要通過逆變器轉變為交流電。而逆變器的輸出交流電流必須與電網電壓同頻同相才能并入電網使用。同頻同相的控制效果對新型能源發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，在逆變電源并網系統中的相位跟蹤控制主要采用數字鎖相環技術，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。本文針對數字鎖相環的缺點，提出一種基于數字移相器的相位跟蹤開環控制方法。在實驗中采用MSP430F2544作為控制器模擬逆變系統，實現了同頻同相跟蹤控制。該控制方法簡單高效，系統穩定，具有無誤差頻率跟蹤、高精度相位跟蹤的特點。

1 數字鎖相環控制原理
數字鎖相環技術在對電網電壓的頻率和相位的跟蹤控制中應用較為廣泛，其作用是使電網電壓和逆變器的輸出電流達到同步鎖相，關鍵是實現對電網電壓頻率和相位的跟蹤。數字鎖相技術的主要方法有：先調頻后調相和同時調頻調相。
數字鎖相環原理：假設控制器檢測到逆變器輸出與電網電壓相位差為△ψ，T1為電網電壓周期，T2為逆變器輸出電流周期。令電網電壓表達式為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。當系統達到穩定時，△ψ=0且逆變器輸出與電網電壓周期相等。數字鎖相控制系統結構圖如圖1所示。

數字鎖相環控制實際上是一種閉環負反饋控制方式。負反饋控制方式具有能實時跟蹤環境變化的優點，但控制速度慢，而且當系統的傳遞函數存在極點時，系統易產生振蕩。實際上當電網環境變化時，只要逆變器輸出電流的頻率仍處于后級濾波器的通帶內，輸出電流的相位延遲就不會改變，此時電網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，逆變器對電網的波動就有較強的免疫性。此時就可以采用開環控制方式。