CN102611134B - 一种基于捕获单元的电网电压相频跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于捕获单元的电网电压相频跟踪方法，利用相位指针标记电网相位值，并且在开始跟踪时的过零点归零，在每个控制周期对相位进行加1的操作，达到一个电网周期的控制点数后清零，然后继续进行加计数，因此，在每一个过零点，如果不为零，则将相位指针步进式拉回到零；另外，电网电压的频率采用m个电网周期的过零点计数进行滑动平均来获得准确的电网电压频率，可以更为准确获得电网电压相位，有效地避免了传统方法中，在过零点一次性将相位归零带来的控制电流波形抖动。

Description

一种基于捕获单元的电网电压相频跟踪方法

技术领域

本发明属于光伏逆变并网发电系统技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于捕获单元(Capture)的电网电压相频跟踪方法。

背景技术

目前太阳能光伏发电系统已经被全世界许多国家关注，光伏逆变器作为光伏逆变并网发电系统的关键部分也得到了很大的发展。

图1是光伏逆变并网发电系统基本结构图。

如图1所示，通常情况下，光伏逆变并网发电系统都是由太阳能电池板阵列、光伏逆变器组成。其中，光伏逆变器包括最大功率点跟踪（Maximum PowerPoint Tracking，简称MPPT）模块、母线电路、逆变桥电路和控制电路四个部分，其功能是将太阳能电池板阵列输出的直流量电能转换成交流量电能并将电能输送到电网。

太阳能电池板阵列的功能是将太阳能转化为电能，最大功率点跟踪（MPPT）模块与太阳能电池板相连，调节太阳能电池板的工作状态，使太阳能电池板阵列工作在最大功率点上。母线电路通过最大功率点跟踪模块上的升压电路与太阳能电池板阵列相连，当母线电压升高到指定值时系统开始进行能量传输，将太阳能电池板转化的电能输送到逆变桥电路上。逆变桥电路功能是将母线电路传送的直流电转化为交流电。控制电路是整个光伏并网逆变发电系统稳定工作的关键，最大功率点跟踪的实现、母线电压的平衡和稳定的控制、逆变桥电路电流的跟踪控制都要依靠控制电路进行运算和调度。

光伏逆变器并网电流跟踪控制是实现并网传输能量的关键，而获得与电网电压同频同相的并网电流，并保证其波形畸变在规定范围之内，是实现并网的核心，也是逆变器控制的重点和难点，而准确获得电网电压相位频率信息是实现有效跟踪并网电流的前提。

通常获取电网电压相位频率值的方法是直接利用DSP的Capture捕获单元捕获电网电压过零点，以此计算得出电网电压相位频率，此方法简单、方便。然而在某些条件下，电网存在波动，会产生例如过零点抖动、过零点失真、多个过零点等问题，并且硬件捕获电路也存在误差，这会导致Captrue捕获单元捕获到的电网电压过零点出现错误，最终会导致并网电流波动、波形失真和谐波含量高等问题，使整个并网逆变器工作效率较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于DSP的Capture捕获单元的电网电压相频跟踪方法，准确获得电网电压相频特性，以消除并网电流波形抖动，解决波形失真和谐波含量高的问题。

为实现上述发明目的，本发明基于捕获单元的电网电压相频跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、利用捕获单元捕获逆变器运行时电网电压的过零点，并作为零相位点；此处电网电压是指的三相电网电压的一相电网电压，过零点是指的电网电压在下降过程中为0时的时间点；

（2）、相位跟踪

2.1）、利用相位指针标记电网相位值，在开始相位跟踪的第一个电网周期的过零点处，将相位指针归为零，并在每个控制周期对相位指针加1，相位指针加计数到达一个电网周期的控制点数后清零，然后继续进行加计数；

2.2）、在之后的每个电网周期过零点中断程序中，判断相位指针在零相位点是否为零，如果是，则无需动作，否则，就将相位指针步进式拉回到零；

2.3）、将相位指针除以一个电网周期的控制点数，然后乘以360度，得到电网电压的相位值，实现相位的跟踪；

（3）、频率跟踪

3.1）、用一计数器在新捕获的过零点与上一次捕获的过零点之间计数，并存储计数值；

3.2）、在开始频率跟踪时，对每次新捕获的过零点与上一次捕获的过零点之间计数值进行累加，累加值为N_sum，当累加了m个计数值，即m个电网周期后，将累加值N_sum除以个数m，得到平均计数值N；

3.3）、在之后的每个电网周期结束时，即捕获到新的过零点后，均将当前电网周期的过零点计数值与累加值N_sum进行相加，并减去当前计数值前面的第m个计数值，得到更新后的累加值N_sum，然后除以个数m，得到平均计数值N；

3.4）、将每次得到平均计数值N的倒数乘以计数器的时钟频率f_clk得到电网电压的频率f_grid，实现频率的跟踪。

本发明的目的是这样实现的：

在本发明中，利用相位指针标记电网相位值，并且在开始跟踪时的过零点归零，在每个控制周期对相位进行加1的操作，达到一个电网周期的控制点数后清零，然后继续进行加计数，因此，在每一个过零点，如果不为零，则将相位指针步进式拉回到零，这种步进式相位跟踪电网过零点的方法，可以更为准确获得电网电压相位，有效地避免了传统方法中，在过零点一次性将相位归零带来的控制电流波形抖动。另外，电网电压的频率采用m个电网周期的过零点计数进行滑动平均来获得准确的电网电压频率，可以更为准确获得电网电压频率，有效地避免了传统方法中，一个电网周期过零点计数值直接计数电网电压频率带来的控制电流波形抖动。通过本发明基于捕获单元的电网电压相频跟踪方法，消除了并网电流波形抖动，解决波形失真和谐波含量高的问题。

附图说明

图1是光伏逆变并网发电系统基本结构图；

图2是本发明基于捕获单元的电网电压相频跟踪方法中相位跟踪的一具体实施方式流程图；

图3是相位指针计数值可能出现的情况及判断示意图；

图4是本发明基于捕获单元的电网电压相频跟踪方法中频率跟踪的一具体实施方式流程图；

图5是滑动平均示意图；

图6是控制频率示意图；

图7是采用本发明相频跟踪方法后的a相并网电流波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

光伏逆变器控制频率f_con确定后，继而也确定了一个电网周期的控制点数N_con=f_con/f_grid即电网周期T_grid除以控制周期T_con。

图2是本发明基于捕获单元的电网电压相频跟踪方法中相位跟踪的一具体实施方式流程图。

在本实施例中，如图2所示，过零点中断程序即capture中断程序中，首先判断，是否是相位跟踪的第一个电网周期，如果是，则将相位指针归为零，并在随后的每个控制周期对相位指针加1，相位指针加计数到达一个电网周期的控制点数N_con后清零，然后继续进行加计数。

如果不是相位跟踪的第一个电网周期，相位指针不再归零，而是判断相位指针在零相位点是否为零。如果是，则无需动作，否则，就将相位指针步进式拉回到零：相位指针已经超出了零相位值时，对相位指针减1计数；而相位指针还未到达零相位值时，对相位指针加1计数，这种步进式相位跟踪电网过零点的方法，可以更为准确获得电网电压相位，有效地避免了传统方法中，在过零点一次性将相位归零带来的控制电流波形抖动。

在本发明中，每个电网周期下降沿过零点都会产生capture捕获中断，在具体实施过程中也可以采用上升沿过零点产生capture捕获中断。这两种方式是等同的。

由于光伏逆变器启动时不会并网，有一段时间可供相位跟踪。第一个Capture捕获中断产生时，对相位指针归零。此后的每个Capture捕获中断程序中，判断相位指针是否为零相位点，如果是，无需动作，不是，则要进一步判断。

相位指针计数值N_count在一个电网周期时间内，可能出现还未计数到控制点数N_con，也可能出现计数已经超出了控制点数N_con而后清零重新再计数。

图3是相位指针计数值可能出现的情况及判断示意图。

在本实施例中，如图3所示，设定一个临界值N_boundary，判断相位指针计数值N_count小于临界值N_boundary是否成立，如果成立，则相位指针计数值超出零相位值。反之则未到零相位值，临界值N_boundary的值根据具体实施过程中的具体要求设定，一般为控制点数的1/10～1/30。

理想情况下，电网稳定，电网电压周期也为固定。但实际电网不可能绝对稳定，总是会存在波动，采样电路也存在误差。

为减小误差，在本发明中，采用m个电网周期的过零点计数进行滑动平均来获得准确的电网电压频率，可以更为准确获得电网电压频率。在本实施例中，m=64，如图4、5所示，利用控制电路内部计数器，在两个过零点之间计数，计数值为n_k，k当前周期，在前63个电网周期，累加计数值n_k。在第64个电网周期时，累加计数值n_k后再除以64得到平均计数值N。之后每个Capture捕获中断程序中，加上当前计数值n_k后，再减去当前计数值n_k前面的第64个计数值n_k-64，得到更新后的累加值N_sum，然后除以个数64，得到平均计数值N。

将每次得到平均计数值N的倒数乘以计数器的时钟频率f_clk得到电网电压的频率f_grid，实现频率的跟踪。逆变器刚启动时不并网，有足够的时间跟踪电网频率。

在获得准确的电网电压频率值f_grid后，将频率值f_grid运用到并网逆变器控制过程中，其作用就是要使得并网逆变器输出的电流频率与电网频率相同，以准确的电网电压频率值f_grid作为并网逆变器电流控制的基准。

电网电压频率值f_grid在并网逆变器控制中的具体实施过程：并网逆变器控制频率是由控制电路，具体实施过程中由数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)的事件管理器（EV）的周期寄存器设定值（T1PR）决定。将得到的T1PR值赋给周期寄存器，以此改变逆变器输出电流频率。定时器设定为连续增减模式，即计数器递增计数到周期寄存器设定值（T1PR）后再递减计数到0，此为一个控制周期，时长为2T1PR，其控制关系如下：

N/f_clk=2×N_con×T1PR/f_ev   (1)

式中：f_clk为时钟频率；

T1PR为周期寄存器设定值；

N_con为一个电网周期控制点数；

N为平均计数值；

f_ev为EV时钟频率；

如图6所示，式（1）的含义为一个电网周期时间N/f_clk与一个控制周期2T1PR/f_ev乘以控制点数N_con的时间相等。

将公式进行一下变换，最终得到周期寄存器设定值：

$T1\mathrm{PR}=\frac{N\×f_{\mathrm{ev}}}{2\×N_{\mathrm{con}}\×f_{\mathrm{clk}}}$

根据实时的电网电压频率f_grid，即对应的平均计数值N，改变周期寄存器设定值，使得并网逆变器控制周期有效跟踪电网周期。

测试结果

将本发明基于捕获单元的电网电压相频跟踪方法跟踪得到的电网电压相位频率运用到并网逆变器控制算法中，并网电流波形明显改善。如图7所示，5、7次谐波含量降低，THD值降低。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种基于捕获单元的电网电压相频跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、利用捕获单元捕获逆变器运行时电网电压的过零点，并作为零相位点；此处电网电压是指的三相电网电压的一相电网电压，过零点是指的电网电压在下降过程中为0时的时间点；

（2）、相位跟踪

2.1）、利用相位指针标记电网相位值，在开始相位跟踪的第一个电网周期的过零点处，将相位指针归为零，并在每个控制周期对相位指针加1，相位指针加计数到达一个电网周期的控制点数后清零，然后继续进行加计数；

2.2）、在之后的每个电网周期过零点中断程序中，判断相位指针在零相位点是否为零，如果是，则无需动作，否则，就将相位指针步进式拉回到零；

2.3）、将相位指针除以一个电网周期的控制点数，然后乘以360度，得到电网电压的相位值，实现相位的跟踪；

（3）、频率跟踪

3.1）、用一计数器在新捕获的过零点与上一次捕获的过零点之间计数，并存储计数值；

3.2）、在开始频率跟踪时，对每次新捕获的过零点与上一次捕获的过零点之间计数值进行累加，累加值为N_sum，当累加了m个计数值，即m个电网周期后，将累加值为N_sum除以个数m，得到平均计数值N；

3.3）、在之后的每个电网周期结束时，即捕获到新的过零点后，均将当前电网周期的过零点计数值与累加值N_sum进行相加，并减去当前计数值前面的第m个计数值，得到更新后的累加值N_sum，然后除以个数m，得到平均计数值N；

3.4）、将每次得到平均计数值N的倒数乘以计数器的时钟频率f_clk得到电网电压的频率f_grid，实现频率的跟踪。

2.根据权利要求1所述的基于捕获单元的电网电压相频跟踪方法，其特征在于，所述的相位指针步进式拉回到零为：

相位指针已经超出了零相位值时，对相位指针减1计数；而相位指针还未到达零相位值时，对相位指针加1计数。

3.根据权利要求2所述的基于捕获单元的电网电压相频跟踪方法，其特征在于，所述的相位指针超出或未到达零相位值的判断为：

设定一个临界值N_boundary，判断相位指针计数值N_count小于临界值N_boundary是否成立，如果成立，则相位指针计数值超出零相位值，反之则未到零相位值。

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