單相并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行相位系統(tǒng)研究

楊 鴿，蔣志軍，鄭嘉龍，楊 玨

（1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電力工程系，四川 成都611231；2.成都天奧電子股份有限公司，四川 成都610015）

0 引 言

化石能源（煤、石油等）已趨于枯竭，其消耗會(huì)產(chǎn)生大量廢物，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，成為人類可持續(xù)發(fā)展的阻礙?；诳稍偕茉矗ㄈ缣柲堋L(fēng)能等）的分布式發(fā)電系統(tǒng)，近年來受到越來越多國家和地區(qū)的重視。并網(wǎng)逆變器作為可再生能源發(fā)電單元與電網(wǎng)之間的能量變換接口，對(duì)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和高質(zhì)量運(yùn)行具有十分重要的作用［1］。隨著系統(tǒng)容量增大，單個(gè)逆變器的容量已經(jīng)不能滿足要求。采用更高容量的功率器件價(jià)格成本太高，為了提高系統(tǒng)的功率、可靠性和效率，逆變器可以并聯(lián)運(yùn)行［2］。

電網(wǎng)的相位是逆變器并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)控制的參考基準(zhǔn)，而高性能鎖相環(huán)系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤電網(wǎng)瞬態(tài)變化，尤其是當(dāng)電網(wǎng)存在畸變時(shí)，為逆變器的并聯(lián)提供參考信息。因此，鎖相環(huán)系統(tǒng)的研究具有十分重要的實(shí)際意義。

本文搭建了單相并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的模型，分析了相位同步的重要性，在這個(gè)基礎(chǔ)上引出了鎖相環(huán)，對(duì)常用的幾種類型進(jìn)行了介紹。以鎖相環(huán)為檢測相位的工具，提出了應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的相位同步系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)存在的相位差問題，基于CAN總線、DSP重新構(gòu)建了相位平均系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效地解決相位差問題。

1 單相并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行模型

N個(gè)單相并網(wǎng)逆變器以共直流母線交流側(cè)直接并聯(lián)方式組成的并聯(lián)系統(tǒng)，如圖1所示。Udc為直流母線電壓，us為電網(wǎng)電壓，采用直流電壓中點(diǎn)O作為電壓參考點(diǎn)，L11、L12、Ln1、Ln2為逆變器1和逆變器 N 的濾波電感［3］。單相并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，逆變器之間的環(huán)流和逆變器與電網(wǎng)相位同步問題是首要考慮的兩個(gè)問題，而相位同步又是環(huán)流抑制的前提。

圖1 N個(gè)單相逆變器并聯(lián)運(yùn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 鎖相環(huán)概述

2.1 鎖相環(huán)原理

PLL的基本原理示意圖如圖2所示。它包含鑒相器（phase detector，PD）、環(huán)路濾波器（loop filter，LF）、壓控振蕩器（voltage controlled oscillator，VCO）等3個(gè)基本單元［4］。從圖中可以看出，PD對(duì)輸入信號(hào)ui（t）和輸出信號(hào)u0（t）進(jìn)行相位比較，得到誤差信號(hào)ue（t）送入LF進(jìn)行處理，得到的信號(hào)為u0（t），VCO根據(jù)uc（t）調(diào)整其輸出信號(hào)u0（t）的頻率，從而實(shí)現(xiàn)PLL輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的閉環(huán)跟蹤。

圖2 PLL原理示意圖

2.2 鎖相環(huán)的分類及實(shí)現(xiàn)方式

鎖相環(huán)可以分為模擬鎖相環(huán)、數(shù)字鎖相環(huán)和軟件鎖相環(huán)。

模擬式集成鎖相環(huán)以NE／SE560系列最為常用，其在電路可靠性、穩(wěn)定性和集成度方面存在相應(yīng)的缺陷；數(shù)字鎖相環(huán)可由CMOS集成鎖相環(huán)CD／CC4046器件實(shí)現(xiàn)，而全數(shù)字鎖相環(huán)可由FPGA這種新型控制器實(shí)現(xiàn)［5］。數(shù)字鎖相環(huán)具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，易于集成等優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)計(jì)全數(shù)字邏輯鎖相難度很大。為了克服前兩種鎖相環(huán)的缺點(diǎn)，依托于DSP控制器的軟件鎖相環(huán)應(yīng)運(yùn)而生。軟件鎖相環(huán)具有程序易于修改，實(shí)現(xiàn)方便，算法基于瞬時(shí)無功功率，對(duì)輸入電壓能進(jìn)行很好的跟蹤，尤其是當(dāng)電壓發(fā)生畸變時(shí)。

應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器的軟件鎖相環(huán)有單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)（SSRF－SPLL）、增強(qiáng)型鎖相環(huán)（EPLL）、雙同步坐標(biāo)系解耦鎖相環(huán)（DDSRF－SPLL）等［6］。單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)方法是基于跟蹤電網(wǎng)電壓的正序分量而提出的檢測算法。增強(qiáng)型鎖相環(huán)是一種基于對(duì)稱分量法提出的檢測算法。雙同步坐標(biāo)系解耦軟件鎖相環(huán)方法（DDSRF－SPLL）是考慮電網(wǎng)電壓負(fù)序分量對(duì)傳統(tǒng)軟件鎖相環(huán)的影響而提出來的。

3 相位同步系統(tǒng)

定義電網(wǎng)電壓為：

式中，Um和θ分別為電網(wǎng)電壓幅值和相位。

鎖相環(huán)作為檢測電網(wǎng)相位θ的有力工具，由它構(gòu)成的并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的相位同步系統(tǒng)如圖3所示。鎖相環(huán)1、鎖相環(huán)2、…、鎖相環(huán)N對(duì)電網(wǎng)的相位進(jìn)行檢測，生成電網(wǎng)相位角θ1、θ2、…、θn，并分別送給逆變器1、逆變器2、…、逆變器N，從而確定并網(wǎng)電流指令里的相位信息。但由于各個(gè)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)的方法不同，使θ1、θ2、…、θn之間存在相位差，這樣會(huì)引起各個(gè)逆變器逆變的不同步，從而引起逆變器之間的環(huán)流、逆變器并入網(wǎng)側(cè)的不同步、對(duì)逆變器并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)的整體控制也變得困難，甚至?xí)鹉孀兤鞯膿p壞等諸多問題。

圖3 相位同步系統(tǒng)

4 基于CAN總線、DSP的相位平均系統(tǒng)

4.1 CAN總線簡介及特點(diǎn)

控制器局域網(wǎng)（CAN，Controller Area Network）最早由德國Bosch公司提出，為節(jié)省接線的工作量而專門為汽車工業(yè)設(shè)計(jì)的。CAN總線是一種性能先進(jìn)、價(jià)格低廉、保密性好的現(xiàn)場總線，能有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。

CAN總線具有如下的主要技術(shù)特點(diǎn)：（1）多主總線；（2）非破壞性基于優(yōu)先級(jí)的總線總裁技術(shù)；（3）可靠性高；（4）故障自動(dòng)判斷；（5）具有多種傳送數(shù)據(jù)功能；（6）節(jié)點(diǎn)數(shù)目多；（7）傳輸介質(zhì)豐富。CAN總線通信速率高、開放性好、糾錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在模塊化交直流電源系統(tǒng)、分布式發(fā)電系統(tǒng)中得到越來越多的應(yīng)用［7］。

4.2 DSP簡介及特點(diǎn)

DSP是 Digital Signal Processor的縮寫，指數(shù)字信號(hào)處理器，其可以通過A／D器件對(duì)連續(xù)的模擬信號(hào)采樣，轉(zhuǎn)換成有一定時(shí)間間隔的離散信號(hào)，然后對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行量化，編碼，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼，也就是常說的數(shù)字信號(hào)，最終保存在寄存器中。

DSP數(shù)字控制技術(shù)具有性能穩(wěn)定、成本低、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制方法，能提高逆變器的性能和算法的精度，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，可滿足不同控制應(yīng)用要求，為實(shí)現(xiàn)高性能、高精度的數(shù)字控制提供解決方案。

4.3 相位平均系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文在圖3相位同步系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出基于CAN總線、DSP的相位平均系統(tǒng)如圖4所示。相位的平均具體實(shí)現(xiàn)如下：由鎖相環(huán)生成的電網(wǎng)相位角θ1、θ2、…、θn分別作為CAN總線的節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2、…、節(jié)點(diǎn)n。這n個(gè)節(jié)點(diǎn)向CAN總線發(fā)送相應(yīng)的相位，CAN總線接收到這些相位信息后送到逆變器1對(duì)應(yīng)的控制器DSP1，DSP1作為CAN總線的節(jié)點(diǎn)n＋1，DSP1進(jìn)行相應(yīng)的均相計(jì)算生成珋θ，生成的平均相位珋θ一方面?zhèn)魉徒o逆變器1，另一方面同時(shí)通過節(jié)點(diǎn)n＋1傳送到CAN總線。隨后CAN總線把珋θ分別傳送給節(jié)點(diǎn)n＋2、…、節(jié)點(diǎn)2n。DSP2、…、DSPn作為CAN總線的節(jié)點(diǎn)n＋2、…、節(jié)點(diǎn)2n，從而逆變器2、…、逆變器N得到相位珋θ。這樣每個(gè)并網(wǎng)逆變器單元得到的相位角就是一樣的，避免了圖3相位同步系統(tǒng)的相位差。珋θ的計(jì)算公式為：

通過增加一條CAN總線和n個(gè)DSP控制器不僅能實(shí)現(xiàn)相位的平均，而且各個(gè)逆變器模塊還可以通過CAN總線實(shí)現(xiàn)通信，讓各個(gè)獨(dú)立的模塊建立了相應(yīng)的聯(lián)系，從而方便構(gòu)建電力電子網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)［8］。

圖4 基于CAN總線、DSP的均相系統(tǒng)

5 結(jié) 論

（1）由鎖相環(huán)構(gòu)成的單相并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行相位同步系統(tǒng)因鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法的多樣性而存在相位差，不利于相應(yīng)的逆變器控制策略的實(shí)現(xiàn)。

（2）在由鎖相環(huán)構(gòu)成的相位同步系統(tǒng)基礎(chǔ)上提出的基于CAN總線、DSP的平均相位系統(tǒng)，能有效解決前者的相位差問題，有利于相應(yīng)控制策略的實(shí)現(xiàn)，也實(shí)現(xiàn)了N個(gè)并網(wǎng)逆變器的互聯(lián)，為電力電子網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控、冗余系統(tǒng)打下基礎(chǔ)，也可以為相應(yīng)的并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行相位系統(tǒng)提供參考。