小型光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

　　作為小型并網(wǎng)能量收集系統(tǒng)的核心，逆變器在來(lái)自環(huán)境能源的高能量期間向電網(wǎng)輸送多余的電力。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(guò)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)，工程師可以利用高度集成的 MCU 和制造商（包括ADI、賽普拉斯半導(dǎo)體、飛思卡爾半導(dǎo)體、英飛凌科技、IXYS、Littelfuse ）的相關(guān)設(shè)備的性能和功能來(lái)創(chuàng)建有效的 PLL 網(wǎng)格同步算法、Maxim Integrated、Microchip Technology、Microsemi、NXP Semiconductors、瑞薩電子、意法半導(dǎo)體和德州儀器。

　　連接到公用電網(wǎng)的小型住宅能量收集系統(tǒng)為客戶(hù)提供了通過(guò)將多余的發(fā)電電力輸送到電網(wǎng)來(lái)獲得信用的機(jī)會(huì)。作為這些系統(tǒng)的核心，并網(wǎng)逆變器負(fù)責(zé)無(wú)縫輸送多余的電力，滿(mǎn)足對(duì)電能質(zhì)量的特定要求。在這些要求中，與電網(wǎng)緊密同步的需求至關(guān)重要。

　　在向電網(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，根據(jù)公用事業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與電網(wǎng)電壓和頻率相匹配。同步不良會(huì)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(lài)于控制用于發(fā)電的大型渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的速度。然而，在能量收集系統(tǒng)中，電網(wǎng)同步依賴(lài)于對(duì)逆變器全橋輸出級(jí)的控制，用于產(chǎn)生所需的交流波形。

　　在逆變器設(shè)計(jì)中，直流轉(zhuǎn)換器為輸出級(jí)供電，該輸出級(jí)包括全橋大功率 IGBT，例如英飛凌TrenchStop、IXYS GenX3或 Microsemi Thunderbolt IGBT 系列或 SCR，例如 Littelfuse S6016x、NXP BT152B，或意法半導(dǎo)體TN2015H系列。通過(guò)仔細(xì)控制直流轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行并對(duì)電橋的功率器件進(jìn)行選通，逆變器可以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 提供了該同步過(guò)程的核心機(jī)制。

　　在其基本形式中，電網(wǎng)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）。在這里，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） 將壓控振蕩器 （VCO） 輸出與測(cè)得的電網(wǎng)電壓同步，而低通濾波器 （LPF） 有助于減少諧波。（德州儀器提供）

　　在其最簡(jiǎn)單的形式中，合適的 PLL 結(jié)構(gòu)依賴(lài)于電網(wǎng)波形上的過(guò)零檢測(cè)器和一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量過(guò)零之間的時(shí)間——根據(jù)需要調(diào)整逆變器輸出以匹配電網(wǎng)電壓過(guò)零（圖 2）。設(shè)計(jì)人員可以使用諸如 Maxim Integrated MAX9939、Microchip Technology MCP6022T或 Texas Instruments THS4121CD等差分運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)簡(jiǎn)單的 PLL，以觸發(fā)來(lái)自硬件或軟件參考正弦波發(fā)生器的正弦輸出波形的下一個(gè)周期。

　　圖 2：通過(guò)控制直流轉(zhuǎn)換器并對(duì)逆變器的全橋輸出進(jìn)行門(mén)控，使用過(guò)零檢測(cè)電路的簡(jiǎn)單鎖相環(huán)可以提供與電網(wǎng)同步的交流輸出波形。（微芯科技提供）

　　然而，在實(shí)踐中，簡(jiǎn)單的 PLL 實(shí)施可能無(wú)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，一般的電網(wǎng)同步和特別是合適的 PLL 算法的主題繼續(xù)成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界積極研究的主題。然而，對(duì)于標(biāo)稱(chēng)工作條件，逆變器設(shè)計(jì)人員已經(jīng)成功地使用了各種復(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，同步參考系或直接正交 PLL （DQ PLL） 增強(qiáng)了傳統(tǒng)的 PLL PD 以將計(jì)算轉(zhuǎn)移到同步旋轉(zhuǎn)參考系。在這里，PD 包括一個(gè) Park 變換，它執(zhí)行幀轉(zhuǎn)換，將電網(wǎng)的三個(gè) AC 值減少到兩個(gè) DC 值，從而簡(jiǎn)化相位檢測(cè)計(jì)算。在大多數(shù)情況下，DQ PLL 能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，即使在三相公用電網(wǎng)電壓存在諧波失真和頻率變化的情況下也是如此。盡管如此，該算法仍可能對(duì)電網(wǎng)測(cè)量中的電壓不平衡和誤差敏感。

　　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(guò)生成正交信號(hào)并對(duì)結(jié)果執(zhí)行 Park 變換來(lái)檢測(cè)相位誤差（圖 3）。使用這種方法，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，例如二階廣義積分器 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(wèn)題轉(zhuǎn)換為有助于簡(jiǎn)化同步計(jì)算的參考框架。（德州儀器提供）

　　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(lài)于強(qiáng)大的 32 位處理器。Analog Devices ADUCM360 MCU 等器件將高性能處理器內(nèi)核與實(shí)施電網(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 Σ-Δ （Σ-Δ） 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、數(shù)字 I/O 和閃存，提供了基本組件PLL 解決方案。

　　此外，Analog ADUCM360、Renesas V850E和飛思卡爾半導(dǎo)體MC56F8013和MC56F8023等高度集成的 MCU還包括一個(gè)高分辨率脈寬調(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)。借助基于 Cypress Semiconductor Corp 的PSoC 5LP ARM Cortex-M3 系列及其可配置外圍模塊結(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)用于測(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 模塊以進(jìn)行逆變器控制。

　　Microchip dsPiC 系列的成員（例如 DSPIC33EP128MC206）提供多對(duì)獨(dú)立的 PWM，允許靈活的逆變器控制選項(xiàng)。使用此類(lèi)設(shè)備，設(shè)計(jì)人員可以為太陽(yáng)能收集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完整的逆變器控制子系統(tǒng)，使用嵌入式軟件例程執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤 （MPPT） 和電網(wǎng)同步 PLL 功能的算法（圖 4）。

　　圖 4：Microchip Technology 的 dsPiC 系列 MCU 等高度集成的器件提供獨(dú)立的 PWM，允許設(shè)計(jì)人員根據(jù)需要獨(dú)立控制直流轉(zhuǎn)換器和全橋 SCR 器件以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)同步。（微芯科技提供）

　　Texas Instruments C2000 C28x Piccolo系列的成員（例如 Texas Instruments TMS320F28035 C2000 MCU）采用 TI 的增強(qiáng)型 PWM 模塊 （ePWM），可提供具有超高分辨率和精細(xì)控制的多個(gè) PWM 通道。結(jié)合 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，這些器件提供了一種高性能單芯片解決方案，用于控制甚至是復(fù)雜的兩級(jí)并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)（圖 5）。

　　圖 5：憑借高性能 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 通道的組合，Texas Instruments TMS320F28035 等 MCU 提供了用于控制操作和輸出的單芯片解決方案并網(wǎng)逆變器的同步。（德州儀器提供）

　　結(jié)論

　　與電網(wǎng)的緊密同步對(duì)于通過(guò)并網(wǎng)能量收集系統(tǒng)無(wú)縫輸送多余電力至關(guān)重要。作為電網(wǎng)同步方法的核心，PLL 算法可以確保在不利的運(yùn)行條件甚至電網(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，具有片上 ADC 和 PWM 的高度集成 MCU 可以顯著簡(jiǎn)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)。