基于数字移相器的逆变器系统相位跟踪控制

摘要：针对光伏分布式电源并网系统中的相位跟踪控制问题，分析了数字锁相环控制技术存在的缺点，提出一种基于数字移相器的相位跟踪控制方法。实验利用MSP430产生SPWM信号合成正弦波模拟光伏逆变电源系统。采用基于数字移相器思想的开环控制方式，实现了无误差频率跟踪，高精度的相位跟踪。实验结果表明，该方法控制速度快、精度高。
关键词：光伏逆变电源；相位跟踪；数字锁相环；开环控制；数字移相器

由于能源危机的不断恶化，新型能源，如太阳能、风能、核能等，越来越受到广泛的重视，并取得重大发展。这些新型能源绝大部分都要通过发电的方式转变为电能，然后并入电网，供人类生产生活使用。由于新能源发电的电力不稳定，需要通过逆变器转变为交流电。而逆变器的输出交流电流必须与电网电压同频同相才能并入电网使用。同频同相的控制效果对新型能源发电的效率与质量具有重大影响。因此，同频同相的控制方法研究已经成为电力电子技术领域一个重要的研究方向。
目前，在逆变电源并网系统中的相位跟踪控制主要采用数字锁相环技术，但控制速度慢，需要DSP、FPGA等高速器件作为控制器，而且具有成本高、控制复杂等缺点。本文针对数字锁相环的缺点，提出一种基于数字移相器的相位跟踪开环控制方法。在实验中采用MSP430F2544作为控制器模拟逆变系统，实现了同频同相跟踪控制。该控制方法简单高效，系统稳定，具有无误差频率跟踪、高精度相位跟踪的特点。

1 数字锁相环控制原理
数字锁相环技术在对电网电压的频率和相位的跟踪控制中应用较为广泛，其作用是使电网电压和逆变器的输出电流达到同步锁相，关键是实现对电网电压频率和相位的跟踪。数字锁相技术的主要方法有：先调频后调相和同时调频调相。
数字锁相环原理：假设控制器检测到逆变器输出与电网电压相位差为△ψ，T1为电网电压周期，T2为逆变器输出电流周期。令电网电压表达式为Umsin(w1t)，逆变器输出电流为Imsin(w2t+△ψ)。若要使两者同频同相，须使w1t=w2t+△ψ由于w=T／2π，则可推出T2=2πT1／(2πt-△ψ)。当△ψ=0且T1=T2时即达到要求。若△ψ为正，则需增大逆变器输出电流周期T2。若△ψ为负，则需减小逆变器输出电压周期T2。当系统达到稳定时，△ψ=0且逆变器输出与电网电压周期相等。数字锁相控制系统结构图如图1所示。

数字锁相环控制实际上是一种闭环负反馈控制方式。负反馈控制方式具有能实时跟踪环境变化的优点，但控制速度慢，而且当系统的传递函数存在极点时，系统易产生振荡。实际上当电网环境变化时，只要逆变器输出电流的频率仍处于后级滤波器的通带内，输出电流的相位延迟就不会改变，此时电网电压与逆变器的输出电流相位差与其频率有固定关系R：P=R(f)。因此只要滤波器带宽足够大，逆变器对电网的波动就有较强的免疫性。此时就可以采用开环控制方式。