作者： 发布日期：2016-04-19 22:46 信息来源：http://www.jnnhdy.com/
【大比特导读】在光伏并网系统的逆变器电路中，对电网电压的锁相是一项关键技术。由于电力系统在工作时会产生较大的电磁干扰，因此，其简单的锁相方法很容易受到干扰而失锁，从而导致系统无法正常运行。
0 引言
在光伏并网系统的逆变器电路中，对电网电压的锁相是一项关键技术。由于电力系统在工作时会产生较大的电磁干扰，因此，其简单的锁相方法很容易受到干扰而失锁，从而导致系统无法正常运行。在这种情况下，设计采用对电网电压进行过零检测后再将信号送人cpld，然后由cpld实现对电网电压进行数字锁相的方法，可以有效地防止相位因干扰而发生抖动或者失锁的现象，保证系统的正常运行。另外，本系统还使用cpld对dsp产生的pwm波控制信号和系统运行时的各项参数进行监控，一旦发现异常，立即使系统停机，并通知dsp发生异常，从而实现了对系统的硬件保护。
1 系统整体结构组成
本文所介绍的设计方法是5 kw光伏并网发电系统中逆变器的一部分，该光伏并网逆变器可实现额定功率为5 kw的太阳能电池阵列的最大功率跟踪与并网输出。其逆变器的系统结构图如图1所示。
本控制系统由ti dsp2812作为主控芯片，xilinx cpld xc9572xl用作数字锁相与保护电路，xc9572xl为3.3 v内核电压的cpld，它由4个54v18功能模块组成，可提供1600个5 ns延迟可用门。
2 数字锁相电路的设计与实现
数字锁相电路的系统结构图如图2所示。该电路由数字鉴相器、数字滤波器和数控振荡器组成。
如果把图2所示的数字锁相电路中的数字滤波器看成一个分频器，则其分频比为mfc/k，此时的输出频率为：
f'=k'△φmfc/k
其中，△φ为输入信号v1与输出信号v2的相位差;fc为环路的中心频率。那么，该数控振荡器的输出频率为：
f2=f1+k'△φmfc(kn)
由于锁定的极限范围为k'△φ=±1，所以，可得到环路的捕捉带：
△fmax=f2max-f1=mfc(kn)
这样，当环路锁定时，f2=f1其系统稳态相位误差为：
△φ(∞)=nk(f2-f1)/(k'mfc)
可见，只要合理选择k值，就能使输出信号v2的相位较好地跟踪输入v1的相位，从而达到锁定之目的。如果k值选的太大，环路捕捉带就会变小，这将导致捕捉时间增大;而如果k直太小，则可能会出现频繁进位，借位脉冲。从而使相位出现抖动。
根据图2给出的数字锁相环的原理框图，可用vhdl语言分别对该系统进行设计。其中数字滤波器由k模计数器组成，数控振荡器包括脉冲加，减控制电路和n分频器等。
2.1 数字鉴相器
数字鉴相器通常可选用边沿控制型鉴相器、异或门鉴相器、同或门鉴相器或jk触发器组成的鉴相器等。本数字鉴相器是一个相位比较装置，主要通过比较输入信号v1(相位φ1)与输出信号v2(相位φ2)的相位来产生一个误差信号vd，其相位差为△φ=φ1-φ2。当△φ=φe(输入信号脉宽的一半)时，其鉴相器输出为方波，属于相位锁定阶段。在这种情况下，只要可逆计数器的k值足够大，其输出端就不会产生进位脉冲或借位脉冲。在环路未锁定时，若△φ<φe，其输出脉冲的占空比小于50%;而当△φ>;φe，其占空比大于50%，该输出电压vd将加到k模可逆计数器的updn输入端。
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2.2 数字滤波器本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/276084.htm
计数器可设计成一个17位可编程(可变模数)可逆计数器，计数范围为23～217，可由外部置数dcba控制。其输入频率fk=mfc。当鉴相器输出vd为高电平时，k模计数器进行减计数，计数到“0”时，输出一个借位脉冲dn;而当鉴相器输出vd为低电平时，k计数器进行加计数，当计数到某一设定值“dcba”时，将输出一个进位脉冲up。up和dn可作为脉冲加/减电路的“加”和“扣”脉冲控制信号。
2.3 数控振荡器
本电路由d触发器、jk触发器和与门、或门等电路组成。当数字滤波器up输出端输出一个进位脉冲时，系统便在inc下降沿到来后，在脉冲加/减电路的输出端fout插入一个脉冲信号，也就是使相位提前半个周期;反之，当数字滤波器dn端输出一个借位脉冲时，在dn下降沿到来后，系统就会在脉冲加/减电路的输出序列中扣除一个脉冲信号，也就是使相位滞后半个周期，且这个过程是连续发生的。这样，脉冲加，减电路的输出经n分频器模块(ncount)分频后，即可使输出信号的相位接受调整控制，最终达到锁定。当环路锁定后，输出与输入信号之间会存在一定的相位误差。
3 保护电路的设计与实现
本系统中的保护电路主要由pwm波形监视模块和系统参数监视模块组成，其保护电路结构如图3所示。
图3中的脉宽异常检测模块由3个9位使能计数器组成，dsp输出的三路pwm信号分别作为计数器的使能信号输入。当控制信号有效时，计数器开始计数，计数器的上限值为400，即200μs，当控制信号的有效宽度小于200 μs时(在本系统中dsp的控制周期为55μs)，即认为该pwm波正常，系统会将控制信号直接输出;如果大于200μs，则认为pwm波出现异常，此时系统将立即切断pwm波的有效输出而停机.并把异常中断信号和异常状态码信息报告给dsp。共态导通模块可用于监视逆变器系统，从而控制半桥高低端的两路对称spwm波信号，保证这两路信号输出不会出现共态导通的情况。另外，由模拟比较器产生的系统过电压、过电流和温度异常等报警信号，经过数字滤波后，将送人pwm波处理模块。这样，在系统出现异常时，即可由cpld实现硬件上的停机保护动作。
图4所示是保护电路的系统顶层图。图5所示是该保护电路的仿真波形。
4 结束语
本文介绍了基于cpld的光伏并网逆变器的锁相及保护电路的设计与实现方法，该电路目前已经在项目组的5 kw光伏并网逆变器中成功运用，实际使用证明，该电路可为系统的长时间稳定运行提供可靠的保障。
