数字锁相环提高锁相稳定性的方法

电路

摘要：本文针对光伏并网发电系统中数字锁相环易受过零检测电路影响，稳定度差的问题，采用了相应的硬件和软件方法解决锁相环稳定性问题。硬件上通过提前过零检测来补偿加重滤波器带来的相位滞后；软件上加入判断过零点真伪的功能，以及先检测过零点再切换后级逆变桥的方法有效避免错误过零点造成的锁相失败问题，达到了很好的效果。

Abstract: since zero-crossing detection has negative impact on the  problem of stability of digital phase-locked loop, we use the  corresponding hardware and software solutions to improve the  phase-locked loop's stability in this paper. In terms of hardware, we  bring forward the zero-crossing detection to compensate for the phase  lag caused by filter. In terms of software, we add a method to judge the  authenticity of the zero-crossing, as well as firstly detecting  zero-crossing then switching inverter, which effectively avoid errors of  zero-crossing detection caused by phase-locked failure, and achieve  good results.

关键词：数字锁相环；稳定性；相位补偿；假过零点

Key words: digital phase-locked loop；Stability ；phase compensation； Pseudo-zero-crossing point

数字锁相，与传统锁相相比，能够减少对硬件电路参数的依赖，易于实现，而且控制方便。所以在逆变器并网中应用很多，但是数字锁相环也存在稳定性差，对过零检测电路要求高的问题。下面结合笔者所作光伏并网逆变器的结构，提出了增加锁相环稳定性的硬软件方法。
1 主电路拓扑和工作原理
笔者所作光伏逆变器主结构为带伪直流母线的两级隔离式结构，见图1。该电路由高频推挽逆变器、高频变压器、整流器、周波变换桥和相应的滤波器组成。电路为两级结构，前级通过推挽逆变将光伏电池板输出的直流电压采用类似SPWM方式斩波为高频脉冲电压，然后通过高频变压器隔离升压、整流以及滤波，获得正弦半波直流；后级通过全桥周波变换电路把伪直流母线上的正弦半波直流翻转成与电网同频同相的正弦波电流，从而实现并网。由于后级逆变器桥开关管为工频开断，能够有效减少开关损耗，增加系统效率。图2是各开关管的控制波形。


                           图1 光伏逆变器主电路结构                      图2 开关管驱动波形


                                                      图3 电网过零点检测电路
2  电网过零点检测电路
本文使用的电网过零检测电路见图3，这里过零检测电路以电压互感器TVA1421-01为核心构成。此电压互感器为电流型，先将待测电压转换成电流信号输入互感器的一次侧，电阻R2将互感器二次侧的输出电流流转换为电压信号。电阻R2和并联电容C1构成低通滤波器。
运放LM358的输出信号分成两路送至过零检测电路，将正弦信号转换为与电网电压同频同相的方波信号。因过零点存在毛刺，故此处选用由LM311（U1、U6）构成的迟滞比较器实现过零检测和方波整形。U1检测电网电压上升沿的过零点，U4检测电网电压下降沿的过零点。
3  改进锁相环稳定度的硬软件方法
过零检测电路对电网过零点的检测精度对数字锁相环有很大的影响，错误的相位信息会导致锁相存在很大的相位误差，进而导致开关管关断时电感在存在很大电流，这时关断会引起电网电压在过零点处存在很大的电压尖峰，这个高的电压尖峰又会导致电网过零检测电路过零点检测不准，进而导致数字锁相环产生更大的相位误差，如此反复形成恶性循环，导致数字锁相环迅速恶化，最终完全失锁。解决这个问题可以从硬件和软件两个方面着手。
3.1       硬件方法
硬件方面主要在电网过零点检测电路滤波电路，本检测电路使用的是RC滤波，这里主要通过减少RC滤波器的截止频率，加重滤波器对高频信号的衰减。但是减少 RC滤波器的截止频率存在一个严重的问题：检测信号将严重滞后于电网电压信号，试验中较好的滤波效果会造成500us左右的相位误差。解决这个问题方法是让过零比较器在比零稍大的电压处进行比较，这种方式即通过提前比较获得一个相位超前量来补偿滤波器造成的相位滞后。通过调节图3中R6、R7和R14、 R15的变比获得一个合适的相位提前量。此方法适合于输入电压变化不大的地方，输入电压变化大将导致相位超前时间变化，不能起到很好的补偿作用。因为电网电压比较稳定，所以有不错的效果。
3.2       软件方法
虽然通过加重滤波器方法可以滤除部分干扰信号，但是仍有可能检测出错，主要是由两方面的原因造成的，一是滤波只削弱了传导干扰，干扰可以来自辐射等干扰。二是在过零点由于开关切换造成很大的电压尖峰即使通过滤波器的衰减，也存在一个小峰，影响过零点。因此软件中必须具有判断过零点真伪的能力，这里采用图4 所示的算法，在电网电压过零捕获中断里判断此次中断和上次中断的时间是否在19.8ms和20.2ms之间，既频率为49.5Hz到50.5Hz之间，若不在之间，则认为此过零点为假，放弃此点，并在假点计数器中加一，假点计数器主要用于电网孤岛过频欠频检测。另外一个避免过零点尖峰的对锁相环影响的方法是在过零检测检测后再切换后级开关。这样能够有效避开尖峰。这里，笔者选用infineon公司XE166系列的XE164F单片机，该系列在电机控制、可再生能源、电源以及交通运输领域应用广泛。利用该单片机内部自带的16位捕获比较单元以及3路性能优越的PWM产生模块，轻松的实现了数字锁相环的功能。

图4 假点判断流程
4 结论
本文通过在硬件上提前过零检测来补偿加重滤波器带来的相位滞后；软件上加入判断过零点真伪的功能，以及先检测过零点再切换后级逆变桥的方法有效避免错误过零点造成的锁相失败问题，达到了很好的效果。

参考文献
[1]       IEEE recommended practice for utility interface of photovoltaic(PV) system[S],IEEE Std,929-2000
[2]       戴靖，光伏发电并网控制技术，南京，南京航天航空大学，2007
[3]    赵为，太阳能光伏并网发电的研究，合肥，合肥工业大学，2003
[4]    焦在强，单级式并网型光伏发电系统用逆变器的研究，中国科学院电工研究所，2004
[5]    董密，太阳能光伏并网发电系统的优化设计与控制策略研究，中南大学，2007

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