如何將小型光伏系統(tǒng)與網(wǎng)格進(jìn)行同步

在小型，并網(wǎng)能量收集系統(tǒng)的核心，逆變器在來自環(huán)境源的高能量期間向電網(wǎng)提供過剩的電力。在設(shè)計(jì)并網(wǎng)逆變器時(shí)，工程師需要確保這種多余的功率與電網(wǎng)緊密同步，通常是通過使用復(fù)雜的鎖相環(huán)（PLL）實(shí)現(xiàn)。為了應(yīng)對(duì)各種同步挑戰(zhàn)，工程師可以利用ADI公司，賽普拉斯半導(dǎo)體公司，飛思卡爾半導(dǎo)體公司，英飛凌科技公司，IXYS公司，Littelfuse公司，Maxim Integrated公司等高度集成的MCU和相關(guān)器件的性能和功能，創(chuàng)建有效的PLL網(wǎng)格同步算法。 ，Microchip Technology，Microsemi，NXP Semiconductors，Renesas，STMicroelectronics和Texas Instruments。

小型住宅能源采集系統(tǒng)連接到公用電網(wǎng)，為客戶提供通過將過剩發(fā)電量輸入電網(wǎng)獲得信貸的機(jī)會(huì)。作為這些系統(tǒng)的核心，并網(wǎng)逆變器負(fù)責(zé)無縫地提供這些多余的電力，滿足電能質(zhì)量的特定要求。在這些要求中，與電網(wǎng)電力緊密同步的需求是至關(guān)重要的。

當(dāng)向電網(wǎng)供電時(shí)，并網(wǎng)逆變器必須提供穩(wěn)定的正弦交流波形，以符合電網(wǎng)電壓和頻率，符合實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)。同步不良可能導(dǎo)致負(fù)載不平衡，連接設(shè)備損壞，電網(wǎng)不穩(wěn)定，甚至電網(wǎng)本身斷電。

在電力設(shè)施中，電網(wǎng)同步依賴于控制用于發(fā)電的大型渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)電機(jī)的速度。然而，在能量收集系統(tǒng)中，電網(wǎng)同步依賴于逆變器用于產(chǎn)生所需AC波形的全橋輸出級(jí)的控制。

在逆變器設(shè)計(jì)中，直流轉(zhuǎn)換器為輸出級(jí)供電，包括全橋高功率IGBT，如英飛凌TrenchStop，IXYS GenX3或Microsemi Thunderbolt IGBT系列或SCR等在Littelfuse S6016x，恩智浦BT152B或STMicroelectronics TN2015H系列中。通過仔細(xì)控制直流轉(zhuǎn)換器的操作并選通電橋的功率器件，逆變器可確保輸出波形與電網(wǎng)電壓，頻率和相位正確同步。在大多數(shù)逆變器設(shè)計(jì)中，PLL提供了同步過程核心的機(jī)制。

在基本形式中，網(wǎng)格同步PLL結(jié)合了相位檢測(cè)器（PD），濾波器和壓控振蕩器（VCO）（圖1）。這里，PLL PD將VCO輸出與電網(wǎng)電壓進(jìn)行比較，并調(diào)整VCO輸出以匹配電網(wǎng)。

圖1：在基本鎖相環(huán)（PLL）結(jié)構(gòu)中，相位檢測(cè)器（PD）同步壓控振蕩器（VCO）輸出到測(cè)量的電網(wǎng)電壓，而低通濾波器（LPF）有助于減少諧波。 （由德州儀器提供）

最簡單的形式是，合適的PLL結(jié)構(gòu)依賴于電網(wǎng)波形上的過零檢測(cè)器和計(jì)數(shù)器來測(cè)量過零點(diǎn)之間的時(shí)間 - 根據(jù)需要調(diào)整逆變器輸出匹配電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)（圖2）。設(shè)計(jì)人員可以使用差分運(yùn)算放大器（如Maxim Integrated MAX9939，Microchip Technology MCP6022T或Texas Instruments THS4121CD）實(shí)現(xiàn)這種簡單的PLL，以觸發(fā)硬件或軟件中實(shí)現(xiàn)的參考正弦波發(fā)生器的下一個(gè)正弦輸出波形周期。

圖2：通過控制直流轉(zhuǎn)換器并選通逆變器的全橋輸出，使用過零檢測(cè)電路的簡單鎖相環(huán)可以提供與電網(wǎng)同步的交流輸出波形。 （由Microchip Technology提供）

然而，實(shí)際上，簡單的PLL實(shí)現(xiàn)可能無法在啟動(dòng)，電網(wǎng)故障和其他不利操作條件期間跟蹤電網(wǎng)電壓。因此，一般的網(wǎng)格同步和特別適合的PLL算法的主題仍然是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界積極研究的主題。然而，對(duì)于標(biāo)稱工作條件，逆變器設(shè)計(jì)人員已經(jīng)成功地使用各種復(fù)雜的PLL算法，這些算法有效地增強(qiáng)了基本PLL結(jié)構(gòu)中的功能塊，以提供更高級(jí)的功能。

例如，同步參考幀或直接正交PLL（DQ PLL）增強(qiáng)了傳統(tǒng)的PLL PD，將計(jì)算轉(zhuǎn)移到同步旋轉(zhuǎn)參考幀。這里，PD包括執(zhí)行幀轉(zhuǎn)換的Park變換，將網(wǎng)格的三個(gè)AC值減少到兩個(gè)DC值，從而簡化了相位檢測(cè)計(jì)算。在大多數(shù)情況下，即使存在諧波失真和三相公用電網(wǎng)電壓的頻率變化，DQ PLL也能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。此外，該算法可能對(duì)電壓不平衡和電網(wǎng)測(cè)量誤差敏感。

進(jìn)一步改進(jìn)，二階廣義積分器PLL（SOGI PLL），進(jìn)一步增強(qiáng)了PLL結(jié)構(gòu)的PD功能。在SOGI PLL中，PD通過生成正交信號(hào)并對(duì)結(jié)果執(zhí)行Park變換來檢測(cè)相位誤差（圖3）。通過這種方法，設(shè)計(jì)人員可以調(diào)整正交信號(hào)發(fā)生器以抑制除電網(wǎng)頻率之外的其他頻率。即使存在接近電網(wǎng)基頻的低次諧波，該算法的其他變體也能夠精確檢測(cè)相位和頻率。

圖3：更高級(jí)的PLL算法，如二階廣義積分器PLL（SOGI PLL）保留了基本的PLL結(jié)構(gòu)，同時(shí)增強(qiáng)了相位檢測(cè)器 - 將同步問題轉(zhuǎn)換為參考幀，有助于簡化同步計(jì)算。 （由Texas Instruments提供）

鑒于實(shí)際網(wǎng)格同步算法的復(fù)雜性，相應(yīng)PLL功能的實(shí)現(xiàn)依賴于功能強(qiáng)大的32位處理器。 ADI公司的ADUCM360 MCU等器件將高性能處理器內(nèi)核與實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)同步單元所需的全套外設(shè)相結(jié)合。 ADUCM360基于ARM 32位Cortex-M3內(nèi)核，集成了一對(duì)多通道sigma-delta（Σ-Δ）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），數(shù)字I/O和閃存，提供必要組件PLL解決方案

此外，高度集成的MCU，如模擬ADUCM360，瑞薩V850E，飛思卡爾半導(dǎo)體MC56F8013和MC56F8023，還包括一個(gè)高分辨率脈沖寬度調(diào)制器（PWM），可用于控制逆變器的直流轉(zhuǎn)換器和全橋輸出級(jí)。利用賽普拉斯半導(dǎo)體公司基于PSoC 5LP ARM Cortex-M3的系列及其可配置外設(shè)模塊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員可以設(shè)置PSoC的集成可配置數(shù)字和模擬模塊，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量電網(wǎng)電流和電壓的完整信號(hào)路徑。此外，設(shè)計(jì)人員可以配置PSoC的片上PWM模塊用于逆變器控制。

Microchip dsPiC系列的成員，如DSPIC33EP128MC206，提供多對(duì)獨(dú)立的PWM，允許靈活的逆變器控制選項(xiàng)。使用這類器件，設(shè)計(jì)人員可以為太陽能采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完整的逆變器控制子系統(tǒng)，使用嵌入式軟件程序執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）和網(wǎng)格同步PLL功能的算法（圖4）。

圖4：高度集成的器件，如Microchip Technology dsPiC系列MCU，提供獨(dú)立的PWM，允許設(shè)計(jì)人員根據(jù)需要獨(dú)立控制DC轉(zhuǎn)換器和全橋SCR器件，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)同步。 （由Microchip Technology提供）

德州儀器C2000 C28x Piccolo系列的成員，如德州儀器TMS320F28035 C2000 MCU，采用TI增強(qiáng)型PWM模塊（ePWM），提供具有極高分辨率和粒度的多個(gè)PWM通道控制。這些器件與C2000 32位處理器內(nèi)核和獨(dú)立的32位浮點(diǎn)數(shù)學(xué)加速器相結(jié)合，可提供高性能單芯片解決方案，用于控制復(fù)雜的兩級(jí)并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)（圖5）。

圖5：結(jié)合使用高性能32位處理器內(nèi)核，獨(dú)立浮點(diǎn)數(shù)學(xué)加速器，模擬外設(shè)和增強(qiáng)型PWM通道，德州儀器（TI）TMS320F28035等MCU提供單芯片解決方案，用于控制并網(wǎng)逆變器的操作和輸出同步。 （德州儀器公司提供）

結(jié)論

與電網(wǎng)緊密同步對(duì)于通過并網(wǎng)能量收集系統(tǒng)無縫提供多余電力至關(guān)重要。作為網(wǎng)格同步方法的核心，PLL算法可以確保在不利的操作條件甚至電網(wǎng)故障的情況下正常運(yùn)行。對(duì)于并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)人員而言，具有片上ADC和PWM的高度集成MCU可以顯著簡化實(shí)現(xiàn)有效電網(wǎng)同步所需的復(fù)雜PLL算法和控制機(jī)制的任務(wù)。