如何将小型光伏系统与网格进行同步

在小型，并网能量收集系统的核心，逆变器在来自环境源的高能量期间向电网提供过剩的电力。在设计并网逆变器时，工程师需要确保这种多余的功率与电网紧密同步，通常是通过使用复杂的锁相环（PLL）实现。为了应对各种同步挑战，工程师可以利用ADI公司，赛普拉斯半导体公司，飞思卡尔半导体公司，英飞凌科技公司，IXYS公司，Littelfuse公司，Maxim Integrated公司等高度集成的MCU和相关器件的性能和功能，创建有效的PLL网格同步算法。 ，Microchip Technology，Microsemi，NXP Semiconductors，Renesas，STMicroelectronics和Texas Instruments。

小型住宅能源采集系统连接到公用电网，为客户提供通过将过剩发电量输入电网获得信贷的机会。作为这些系统的核心，并网逆变器负责无缝地提供这些多余的电力，满足电能质量的特定要求。在这些要求中，与电网电力紧密同步的需求是至关重要的。

当向电网供电时，并网逆变器必须提供稳定的正弦交流波形，以符合电网电压和频率，符合实用标准。同步不良可能导致负载不平衡，连接设备损坏，电网不稳定，甚至电网本身断电。

在电力设施中，电网同步依赖于控制用于发电的大型涡轮机和发电机电机的速度。然而，在能量收集系统中，电网同步依赖于逆变器用于产生所需AC波形的全桥输出级的控制。

在逆变器设计中，直流转换器为输出级供电，包括全桥高功率IGBT，如英飞凌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。通过仔细控制直流转换器的操作并选通电桥的功率器件，逆变器可确保输出波形与电网电压，频率和相位正确同步。在大多数逆变器设计中，PLL提供了同步过程核心的机制。

在基本形式中，网格同步PLL结合了相位检测器（PD），滤波器和压控振荡器（VCO）（图1）。这里，PLL PD将VCO输出与电网电压进行比较，并调整VCO输出以匹配电网。

图1：在基本锁相环（PLL）结构中，相位检测器（PD）同步压控振荡器（VCO）输出到测量的电网电压，而低通滤波器（LPF）有助于减少谐波。 （由德州仪器提供）

最简单的形式是，合适的PLL结构依赖于电网波形上的过零检测器和计数器来测量过零点之间的时间 - 根据需要调整逆变器输出匹配电网电压过零点（图2）。设计人员可以使用差分运算放大器（如Maxim Integrated MAX9939，Microchip Technology MCP6022T或Texas Instruments THS4121CD）实现这种简单的PLL，以触发硬件或软件中实现的参考正弦波发生器的下一个正弦输出波形周期。

图2：通过控制直流转换器并选通逆变器的全桥输出，使用过零检测电路的简单锁相环可以提供与电网同步的交流输出波形。 （由Microchip Technology提供）

然而，实际上，简单的PLL实现可能无法在启动，电网故障和其他不利操作条件期间跟踪电网电压。因此，一般的网格同步和特别适合的PLL算法的主题仍然是学术界和工业界积极研究的主题。然而，对于标称工作条件，逆变器设计人员已经成功地使用各种复杂的PLL算法，这些算法有效地增强了基本PLL结构中的功能块，以提供更高级的功能。

例如，同步参考帧或直接正交PLL（DQ PLL）增强了传统的PLL PD，将计算转移到同步旋转参考帧。这里，PD包括执行帧转换的Park变换，将网格的三个AC值减少到两个DC值，从而简化了相位检测计算。在大多数情况下，即使存在谐波失真和三相公用电网电压的频率变化，DQ PLL也能够实现稳定运行。此外，该算法可能对电压不平衡和电网测量误差敏感。

进一步改进，二阶广义积分器PLL（SOGI PLL），进一步增强了PLL结构的PD功能。在SOGI PLL中，PD通过生成正交信号并对结果执行Park变换来检测相位误差（图3）。通过这种方法，设计人员可以调整正交信号发生器以抑制除电网频率之外的其他频率。即使存在接近电网基频的低次谐波，该算法的其他变体也能够精确检测相位和频率。

图3：更高级的PLL算法，如二阶广义积分器PLL（SOGI PLL）保留了基本的PLL结构，同时增强了相位检测器 - 将同步问题转换为参考帧，有助于简化同步计算。 （由Texas Instruments提供）

鉴于实际网格同步算法的复杂性，相应PLL功能的实现依赖于功能强大的32位处理器。 ADI公司的ADUCM360 MCU等器件将高性能处理器内核与实现电网同步单元所需的全套外设相结合。 ADUCM360基于ARM 32位Cortex-M3内核，集成了一对多通道sigma-delta（Σ-Δ）模数转换器（ADC），数字I/O和闪存，提供必要组件PLL解决方案

此外，高度集成的MCU，如模拟ADUCM360，瑞萨V850E，飞思卡尔半导体MC56F8013和MC56F8023，还包括一个高分辨率脉冲宽度调制器（PWM），可用于控制逆变器的直流转换器和全桥输出级。利用赛普拉斯半导体公司基于PSoC 5LP ARM Cortex-M3的系列及其可配置外设模块结构，设计人员可以设置PSoC的集成可配置数字和模拟模块，以实现测量电网电流和电压的完整信号路径。此外，设计人员可以配置PSoC的片上PWM模块用于逆变器控制。

Microchip dsPiC系列的成员，如DSPIC33EP128MC206，提供多对独立的PWM，允许灵活的逆变器控制选项。使用这类器件，设计人员可以为太阳能采集系统实现完整的逆变器控制子系统，使用嵌入式软件程序执行最大功率点跟踪（MPPT）和网格同步PLL功能的算法（图4）。

图4：高度集成的器件，如Microchip Technology dsPiC系列MCU，提供独立的PWM，允许设计人员根据需要独立控制DC转换器和全桥SCR器件，以实现电网同步。 （由Microchip Technology提供）

德州仪器C2000 C28x Piccolo系列的成员，如德州仪器TMS320F28035 C2000 MCU，采用TI增强型PWM模块（ePWM），提供具有极高分辨率和粒度的多个PWM通道控制。这些器件与C2000 32位处理器内核和独立的32位浮点数学加速器相结合，可提供高性能单芯片解决方案，用于控制复杂的两级并网逆变器设计（图5）。

图5：结合使用高性能32位处理器内核，独立浮点数学加速器，模拟外设和增强型PWM通道，德州仪器（TI）TMS320F28035等MCU提供单芯片解决方案，用于控制并网逆变器的操作和输出同步。 （德州仪器公司提供）

结论

与电网紧密同步对于通过并网能量收集系统无缝提供多余电力至关重要。作为网格同步方法的核心，PLL算法可以确保在不利的操作条件甚至电网故障的情况下正常运行。对于并网逆变器的设计人员而言，具有片上ADC和PWM的高度集成MCU可以显着简化实现有效电网同步所需的复杂PLL算法和控制机制的任务。