一种基于数字锁相环技术的并网逆变器及其工作方法

摘要

一种基于数字锁相环技术的并网逆变器，包括含有外部电网，其特征在于它包括风力发电机组、光伏阵列、控制单元、储能单元和并网逆变器；其工作方法包括采集、处理、控制、输出；其优越性在于：①控制算法先进，控制精度和稳定性好；②高速运算，结构简单，易于控制；③配合DSP，PLL能够解决零点漂移、部件饱和、需要初始校准等问题；④PLL的上限工作频率得到提高，PLL技术更加灵活。

说明书

（一）技术领域：

本发明用于风光储互补系统的控制领域，尤其是一种基于数字锁 相环技术的并网逆变器及其工作方法。

（二）背景技术：

由于人类社会的发展和科技的进步，人类日常生活对能源的需求 也随之越来越多，传统化石能源像煤炭、石油和天然气随时会有枯竭 的可能。与此同时，这些化石燃料在处理和使用的过程中会对环境造 成严重的污染。在这种情况下，新能源以其清洁、无污染、可再生等 优势成为了世界各国的追求。风能和太阳能是目前众多可再生能源 中，应用潜力最大、最具开发价值的两种。但是，风力发电和太阳能 光伏发电系统由一个共同的缺陷，就是由于资源的波动性和间歇性造 成的发电量的不稳定及其与用电量的不平衡，受天气等因素影响很 大。由于风能和太阳能资源的间歇性特点，用来发电具有较好的互补 性，同时再配备一定的储能装置来稳定供电。因此，风光储互补发电 已成为分布式发电的一种重要方式。

并网逆变器是风光储互补发电系统中重要的部分，它将系统的直 流电转换为交流电，同时还要保持转换后的交流电的电压相位与频率 与电网的交流电电压相位和频率一致，以满足为各种交流用电装置、 设备供电及并网发电的需要，这就要求并网逆变器中包含同步锁相功 能，以保证风光储互补发电的并网运行性能。

锁相环技术（PhaseLockedLoop，PLL）是并网系统一项关键的 技术，在并网发电系统中，需要实时检测电网电压的相位和频率以控 制并网逆变器，使其输出电流与电网电压相位及频率保持同步。假如 PLL电路并不可靠，那么在并网逆变器与电网并网工作的切换过程中 会产生逆变器与电网之间的环流，这样会对设备造成冲击，从而缩短 设备使用寿命，严重时还会造成设备的损坏，带来严重的影响。因此， 研究一种可靠的PLL技术以提高风光储互补发电系统并网运行性能 已经变得至关重要。

（三）发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于数字锁相环技术的并网逆变器 及其工作方法，它针对现有的风光储互补发电系统中并网逆变器PLL 技术的不足，可以克服上述风光储互补发电系统并网时相位、频率不 同步的问题，具有灵活性好，可靠性高且适用范围广的风光储互补发 电的并网逆变器。

本发明的技术方案：一种基于数字锁相环技术的并网逆变器，包 括含有外部电网，其特征在于它包括风力发电机组、光伏阵列、控制 单元、储能单元和并网逆变器；其中，所述风力发电机组与控制单元 呈单向连接，其输出端与控制单元的输入端链接；所述光伏阵列与控 制单元呈单向连接，其输出端与控制单元的输入端链接；所述储能单 元与控制单元呈双向连接；所述控制单元与并网逆变器呈单向连接， 其输出端与并网逆变器的输入端连接；所述并网逆变器的输出端与外 部电网连接。

所述并网逆变器由逆变电路和锁相环控制电路组成；其中，所述 逆变电路的输入端接收来自控制单元的直流电压U_dc、直流电流I_dc， 其输出端与外部电网相连；所述锁相环控制电路的输入端分别与控制 单元的输出端和逆变电路的输入端相连并接收来自控制单元的直流 电压、直流电流信号，其输入端分别与外部电网和逆变电路的输出端 相连并接收外部电网的电网电压和逆变电路输出的并网电流i_ac。

所述逆变电路由四个绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar  Transistor，IGBT）Q1、Q2、Q3、Q4、电感L和电容C组成；其中 所述Q1、Q2、Q3、Q4构成H桥逆变电路，其输出端分别与电感L 串联、与电容C并联，并与锁相环控制电路的输出端相连。

所述锁相环控制电路由电流-电压转换电路、电压检测电路1、电 压检测电路2、过零相位检测电路1、过零相位检测电路2和DSP组 成；其中，所述电流-电压转换电路的输入端与逆变电路的输出端相 连并接收逆变电路输出的并网电流i_ac，其输出端与电压检测电路1 相连；所述电压检测电路1的输入端与电流-电压转换电路的输出端 相连，其输出端与过零相位检测电路1的输入端相连；所述过零相位 检测电路1的输入端与电压检测电路1的输出端相连，其输出端与 DSP的输入端相连；所述电压检测电路2的输入端与外部电网相连并 接收外部电网的电网电压，其输出端与电压检测电路2相连；所述过 零相位检测电路2的输入端与电压检测电路2的输出端相连，其输出 端与DSP的输入端相连。

所述DSP是美国TI公司的TMS320LF2407DSP芯片，内含10 位单极性A/D转换模块，总共16个通道，6路脉宽调制PWM输出， 3路捕获单元CAP，可提供看门狗电路、SPI、SCI和CAN多种控制； 且包括PWM1驱动单元、PWM2驱动单元、PWM3驱动单元、PWM4 驱动单元、CAP1接口、CAP2接口、ADC1接口和ADC2接口；其 中，所述CAP1接口的输入端接收过零相位检测电路1发出的检测信 号；所述CAP2接口的输入端接收过零相位检测电路2发出的检测信 号；所述ADC1接口的输入端采集控制单元发出的直流电压信号；所 述ADC2接口的输入端采集控制单元发出的直流电流信号；所述 PWM1驱动单元、PWM2驱动单元、PWM3驱动单元、PWM4驱动 单元的输出端连接逆变电路的输入端。

所述电流-电压转换电路由电阻R1、电阻R2、精密电阻R3、电 容C和运算放大器LM324组成；其中运算放大器LM324的正输入 端经电阻R1与输入电流相连，且经电容Ｃ接地，负输入端与其输出 端相连构成反馈环节，其输出端与电阻R2相连；输入电流经精密电 阻R3接地。

所述电网电压检测电路1与电网电压检测电路2由两个运算放大 器LM324、变压器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻 R6、电阻R7、仪表放大器INA128、二极管VD1和二极管VD2组成； 其中第一个运算放大器LM324的正输入端经电阻R1与R2并联，再 通过变压器与输入电压相连，负输入端与其输出端相连构成反馈环 节，其输出端经电阻R3与第二个运算放大器LM324的负输入端相 连；第二个运算放大器的负输入端与其输出端相连构成反馈环节，正 输入端经电阻R4接地，其输出端与仪表放大器INA128的端口2相 连；仪表放大器INA128的端口3直接接地，其输出端经电阻R6、 电容C接地；电阻R7与电阻R6相连；二极管VD1与VD2串联接 地。

所述过零相位检测电路1与过零相位检测电路2由运算放大器 LM324、光电藕合器TLP521、电容C、电阻R1、电阻R2、电阻R3、 二极管VD1和二极管VD2组成；其中，运算放大器LM324的负输 入端与电阻R1相连，并经电容C、二极管VD1、二极管VD2反向 并联电路与正输入端相连，其输出端经电阻R2与光电藕合器TLP521 的输入端相连；光电藕合器TLP521的输出端直接接地，其另一输出 端经电阻R3接地并与DSP的CAP1接口、CAP2接口相连。

一种基于数字锁相环技术的并网逆变器的工作方法，其特征在于 包括以下步骤：

（1）将电网电压进行采样，经电压检测电路和过零相位检测电 路，将信号送至DSP的CAP2接口；

（2）将并网电流进行采样，经电流电压转换电路、电压检测电 路和过零相位检测电路，将信号送至DSP的CAP1接口；

（3）DSP的ADC1接口、ADC2接口分别接收直流电压信号、 直流电流信号；

（4）DSP将步骤（1）、步骤（2）与步骤（3）所接收的数据进 行锁相处理；

（5）DSP接收数据并处理后发出信号，输出信号通过PWM驱 动产生所需要的PWM控制信号送至逆变电路，驱动IGBTQ1～Q4；

（6）重复步骤（1）～步骤（5）电网电压与并网的电流的频率、 相位一致。

所述步骤（4）中的锁相处理是将电网电压与并网电流进行频率、 相位比较，并进行锁相控制，包括以下步骤（见图6）：

①输入信号V_i通过鉴相器与反馈信号V_o进行比较计算相位差， 并将结果转化为电压信号V_e；

②将步骤①中电压信号V_e中高频分量及其他噪声信号滤除，产 生稳定的电压控制信号V_c；

③接收来自步骤②中的控制信号V_c，进行频率和相位的修正， 并将输出信号作为反馈信号V_o反馈到鉴相器；

④重复步骤①～步骤③直到输入信号与输出信号的频率相位一 致。

本发明的工作原理：

本发明涉及的一种基于数字锁相环技术的并网逆变器的工作原 理是：锁相环是指能够自动追踪输入信号频率与相位的闭环控制系 统。它能使输出的相位和参考相位之间的插减小的最小。

当PLL稳定工作时，有以下等式成立：

V_c=k_d(θ_i-θ_o)

V_c=(ω_i-ω_o)/k_v

式中，θ_i、θ_o分别为X_i、X_o的相位；ω_i、ω_o分别为X_i、X_o的角速 度，ω=2πf。其数学关系如下：

θ_i-θ_o=∫(ω_i-ω_o)dt+k

当PLL处于锁定状态时，PD呈线性，LF的输出电压正比于相 位误差，滤去相位误差电压v后，PLL的数学模型见图7，图中θ_i、θ_o为输入、输出频率。

图中F(s)为LF的传递函数，环路类型由传递函数中纯积分s项 的次数决定，PLL至少为一阶系统，因为VCO中固有一个纯积分s。 如果LF含有一个纯积分，则PLL环路将是二阶系统，由高增益有源 滤波器组成的PLL可近似为一个二阶系统，而采用无源滤波器则可 近似为一阶系统。

对常用无源滤波器，PLL闭环传递函数为：

$H^{\prime }\left(s\right)=\frac{K_v{K}_d({\mathrm{s\tau }}_2+1)/{\tau }_1}{s^2+s(1+K_v{K}_d{\tau }_2/{\tau }_1)+K_v{K}_d/{\tau }_1}$

对常用有源滤波器，有：

$H^{\prime \prime }\left(s\right)=\frac{K_v{K}_d({\mathrm{s\tau }}_2+1)/{\tau }_1}{s^2+s(K_v{K}_d{\tau }_2/{\tau }_1)+K_v{K}_d/{\tau }_1}$

为便于分析，以上两式可写成：

$H^{\prime }\left(s\right)=\frac{s(2\zeta {\omega }_n-{\omega }_n^2/K_v{K}_d)+{\omega }_n^2}{s^2+2\zeta {\omega }_{n}s+{\omega }_n^2}$

$H^{\prime \prime }\left(s\right)=\frac{2\zeta {\omega }_{n}s+{\omega }_n^2}{s^2+2\zeta {\omega }_{n}s+{\omega }_n^2}$

ζ阻尼比，ω_n为无阻尼振荡频率。

由数学模型可见锁相环实质上是一个反馈控制系统，PLL采集的 是相位信号。

本发明的优越性在于：①控制算法先进，系统可获得较好的控制 精度和稳定性；②硬件采用高性能的TMS320LF2407DSP进行采样 控制，可实现高速运算，结构简单，易于控制。③配合DSP，PLL 能够解决零点漂移、部件饱和、需要初始校准等问题；④PLL的上限 工作频率得到提高，PLL技术更加灵活。

（四）附图说明：

图1为本发明所涉一种基于数字锁相环技术的并网逆变器的风 光储互补发电系统结构图。

图2为本发明所涉一种基于数字锁相环技术的并网逆变器的并 网逆变主电路及控制电路结构图。

图3为本发明所涉一种基于数字锁相环技术的并网逆变器的电 流-电压转换电路示意图。

图4为本发明所涉一种基于数字锁相环技术的并网逆变器的电 压检测电路示意图。

图5为本发明所涉一种基于数字锁相环技术的并网逆变器的过 零相位检测电路示意图。

图6为本发明所涉一种基于数字锁相环技术的并网逆变器的锁 相环的基本组成示意图。

图7为本发明所涉一种基于数字锁相环技术的并网逆变器的锁 相环的数学模型示意图。

（五）具体实施方式：

实施例：一种基于数字锁相环技术的并网逆变器（见图1），包 括含有外部电网，其特征在于它包括风力发电机组、光伏阵列、控制 单元、储能单元和并网逆变器；其中，所述风力发电机组与控制单元 呈单向连接，其输出端与控制单元的输入端链接；所述光伏阵列与控 制单元呈单向连接，其输出端与控制单元的输入端链接；所述储能单 元与控制单元呈双向连接；所述控制单元与并网逆变器呈单向连接， 其输出端与并网逆变器的输入端连接；所述并网逆变器的输出端与外 部电网连接。

所述并网逆变器（见图2）由逆变电路和锁相环控制电路组成； 其中，所述逆变电路的输入端接收来自控制单元的直流电压U_dc、直 流电流I_dc，其输出端与外部电网相连；所述锁相环控制电路的输入 端分别与控制单元的输出端和逆变电路的输入端相连并接收来自控 制单元的直流电压、直流电流信号，其输入端分别与外部电网和逆变 电路的输出端相连并接收外部电网的电网电压和逆变电路输出的并 网电流i_ac。

所述逆变电路由四个绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar  Transistor，IGBT）Q1、Q2、Q3、Q4、电感L和电容C组成；其中 所述Q1、Q2、Q3、Q4构成H桥逆变电路，其输出端分别与电感L 串联、与电容C并联，并与锁相环控制电路的输出端相连。

所述锁相环控制电路由电流-电压转换电路、电压检测电路1、电 压检测电路2、过零相位检测电路1、过零相位检测电路2和DSP组 成；其中，所述电流-电压转换电路的输入端与逆变电路的输出端相 连并接收逆变电路输出的并网电流i_ac，其输出端与电压检测电路1 相连；所述电压检测电路1的输入端与电流-电压转换电路的输出端 相连，其输出端与过零相位检测电路1的输入端相连；所述过零相位 检测电路1的输入端与电压检测电路1的输出端相连，其输出端与 DSP的输入端相连；所述电压检测电路2的输入端与外部电网相连并 接收外部电网的电网电压，其输出端与电压检测电路2相连；所述过 零相位检测电路2的输入端与电压检测电路2的输出端相连，其输出 端与DSP的输入端相连。

所述DSP是美国TI公司的TMS320LF2407DSP芯片，内含10 位单极性A/D转换模块，总共16个通道，6路脉宽调制PWM输出， 3路捕获单元CAP，可提供看门狗电路、SPI、SCI和CAN多种控制； 且包括PWM1驱动单元、PWM2驱动单元、PWM3驱动单元、PWM4 驱动单元、CAP1接口、CAP2接口、ADC1接口和ADC2接口；其 中，所述CAP1接口的输入端接收过零相位检测电路1发出的检测信 号；所述CAP2接口的输入端接收过零相位检测电路2发出的检测信 号；所述ADC1接口的输入端采集控制单元发出的直流电压信号；所 述ADC2接口的输入端采集控制单元发出的直流电流信号；所述 PWM1驱动单元、PWM2驱动单元、PWM3驱动单元、PWM4驱动 单元的输出端连接逆变电路的输入端。

所述电流-电压转换电路（见图3）由电阻R1、电阻R2、精密电 阻R3、电容C和运算放大器LM324组成；其中运算放大器LM324 的正输入端经电阻R1与输入电流相连，且经电容Ｃ接地，负输入端 与其输出端相连构成反馈环节，其输出端与电阻R2相连；输入电流 经精密电阻R3接地。

所述电网电压检测电路1与电网电压检测电路2（见图4）由两 个运算放大器LM324、变压器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻 R4、电阻R6、电阻R7、仪表放大器INA128、二极管VD1和二极管 VD2组成；其中第一个运算放大器LM324的正输入端经电阻R1与 R2并联，再通过变压器与输入电压相连，负输入端与其输出端相连 构成反馈环节，其输出端经电阻R3与第二个运算放大器LM324的 负输入端相连；第二个运算放大器的负输入端与其输出端相连构成反 馈环节，正输入端经电阻R4接地，其输出端与仪表放大器INA128 的端口2相连；仪表放大器INA128的端口3直接接地，其输出端经 电阻R6、电容C接地；电阻R7与电阻R6相连；二极管VD1与VD2 串联接地。

所述过零相位检测电路1与过零相位检测电路2（见图5）由运 算放大器LM324、光电藕合器TLP521、电容C、电阻R1、电阻R2、 电阻R3、二极管VD1和二极管VD2组成；其中，运算放大器LM324 的负输入端与电阻R1相连，并经电容C、二极管VD1、二极管VD2 反向并联电路与正输入端相连，其输出端经电阻R2与光电藕合器 TLP521的输入端相连；光电藕合器TLP521的输出端直接接地，其 另一输出端经电阻R3接地并与DSP的CAP1接口、CAP2接口相连。

一种基于数字锁相环技术的并网逆变器的工作方法，其特征在于 包括以下步骤：

（1）将电网电压进行采样，经电压检测电路和过零相位检测电 路，将信号送至DSP的CAP2接口；

（2）将并网电流进行采样，经电流电压转换电路、电压检测电 路和过零相位检测电路，将信号送至DSP的CAP1接口；

（3）DSP的ADC1接口、ADC2接口分别接收直流电压信号、 直流电流信号；

（4）DSP将步骤（1）、步骤（2）与步骤（3）所接收的数据进 行锁相处理；

（5）DSP接收数据并处理后发出信号，输出信号通过PWM驱 动产生所需要的PWM控制信号送至逆变电路，驱动IGBTQ1～Q4；

（6）重复步骤（1）～步骤（5）电网电压与并网的电流的频率、 相位一致。

所述步骤（4）中的锁相处理是将电网电压与并网电流进行频率、 相位比较，并进行锁相控制，包括以下步骤（见图6）：

①输入信号V_i通过鉴相器与反馈信号V_o进行比较计算相位差， 并将结果转化为电压信号V_e；

②将步骤①中电压信号V_e中高频分量及其他噪声信号滤除，产 生稳定的电压控制信号V_c；

③接收来自步骤②中的控制信号V_c，进行频率和相位的修正， 并将输出信号作为反馈信号V_o反馈到鉴相器；

④重复步骤①～步骤③直到输入信号与输出信号的频率相位一 致。