作為小型并網(wǎng)能量收集系統(tǒng)的核心，逆變器在來自環(huán)境能源的高能量期間向電網(wǎng)輸送多余的電力。在設(shè)計并網(wǎng)逆變器時，工程師需要確保這種多余的功率與電網(wǎng)緊密同步，通常是通過使用復雜的鎖相環(huán) （PLL） 實現(xiàn)。為了應(yīng)對各種同步挑戰(zhàn)，工程師可以利用高度集成的 MCU 和制造商（包括ADI、賽普拉斯半導體、飛思卡爾半導體、英飛凌科技、IXYS、Littelfuse ）的相關(guān)設(shè)備的性能和功能來創(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)為客戶提供了通過將多余的發(fā)電電力輸送到電網(wǎng)來獲得信用的機會。作為這些系統(tǒng)的核心，并網(wǎng)逆變器負責無縫輸送多余的電力，滿足對電能質(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，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)標準與電網(wǎng)電壓和頻率相匹配。同步不良會導致負載不平衡、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)電的大型渦輪機和發(fā)電機的速度。然而，在能量收集系統(tǒng)中，電網(wǎng)同步依賴于對逆變器全橋輸出級的控制，用于產(chǎn)生所需的交流波形。

　　在逆變器設(shè)計中，直流轉(zhuǎn)換器為輸出級供電，該輸出級包括全橋大功率 IGBT，例如英飛凌TrenchStop、IXYS GenX3或 Microsemi Thunderbolt IGBT 系列或 SCR，例如 Littelfuse S6016x、NXP BT152B，或意法半導體TN2015H系列。通過仔細控制直流轉(zhuǎn)換器的運行并對電橋的功率器件進行選通，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)計中，PLL 提供了該同步過程的核心機制。

　　在其基本形式中，電網(wǎng)同步 PLL 結(jié)合了相位檢測器 （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，相位檢測器 （PD） 將壓控振蕩器 （VCO） 輸出與測得的電網(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）

　　在其最簡單的形式中，合適的 PLL 結(jié)構(gòu)依賴于電網(wǎng)波形上的過零檢測器和一個計數(shù)器來測量過零之間的時間——根據(jù)需要調(diào)整逆變器輸出以匹配電網(wǎng)電壓過零（圖 2）。設(shè)計人員可以使用諸如 Maxim Integrated MAX9939、Microchip Technology MCP6022T或 Texas Instruments THS4121CD等差分運算放大器來實現(xiàn)這個簡單的 PLL，以觸發(fā)來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周期。

　　圖 2：通過控制直流轉(zhuǎn)換器并對逆變器的全橋輸出進行門控，使用過零檢測電路的簡單鎖相環(huán)可以提供與電網(wǎng)同步的交流輸出波形。（微芯科技提供）

　　然而，在實踐中，簡單的 PLL 實施可能無法在啟動、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)成為學術(shù)界和工業(yè)界積極研究的主題。然而，對于標稱工作條件，逆變器設(shè)計人員已經(jīng)成功地使用了各種復雜的 PLL 算法，這些算法有效地增強了基本 PLL 結(jié)構(gòu)中的功能塊，以提供更高級的功能。

　　例如，同步參考系或直接正交 PLL （DQ PLL） 增強了傳統(tǒng)的 PLL PD 以將計算轉(zhuǎn)移到同步旋轉(zhuǎn)參考系。在這里，PD 包括一個 Park 變換，它執(zhí)行幀轉(zhuǎn)換，將電網(wǎng)的三個 AC 值減少到兩個 DC 值，從而簡化相位檢測計算。在大多數(shù)情況下，DQ PLL 能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運行，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，該算法仍可能對電網(wǎng)測量中的電壓不平衡和誤差敏感。

　　進一步改進，二階廣義積分器 PLL （SOGI PLL），進一步增強了 PLL 結(jié)構(gòu)的 PD 功能。在 SOGI PLL 中，PD 通過生成正交信號并對結(jié)果執(zhí)行 Park 變換來檢測相位誤差（圖 3）。使用這種方法，設(shè)計人員可以調(diào)整正交信號發(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相位和頻率。

　　圖 3：更高級的 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)，同時增強了相位檢測器- 將同步問題轉(zhuǎn)換為有助于簡化同步計算的參考框架。（德州儀器提供）

　　鑒于實際網(wǎng)格同步算法的復雜性，相應(yīng) PLL 功能的實現(xiàn)依賴于強大的 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和飛思卡爾半導體MC56F8013和MC56F8023等高度集成的 MCU還包括一個高分辨率脈寬調(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。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)計人員可以設(shè)置 PSoC 的集成可配置數(shù)字和模擬模塊，以實現(xiàn)用于測量電網(wǎng)電流和電壓的完整信號路徑。此外，設(shè)計人員可以配置 PSoC 的片上 PWM 模塊以進行逆變器控制。

　　Microchip dsPiC 系列的成員（例如 DSPIC33EP128MC206）提供多對獨立的 PWM，允許靈活的逆變器控制選項。使用此類設(shè)備，設(shè)計人員可以為太陽能收集系統(tǒng)實現(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立的 PWM，允許設(shè)計人員根據(jù)需要獨立控制直流轉(zhuǎn)換器和全橋 SCR 器件以實現(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 的增強型 PWM 模塊 （ePWM），可提供具有超高分辨率和精細控制的多個 PWM 通道。結(jié)合 C2000 32 位處理器內(nèi)核和獨立的 32 位浮點數(shù)學加速器，這些器件提供了一種高性能單芯片解決方案，用于控制甚至是復雜的兩級并網(wǎng)逆變器設(shè)計（圖 5）。

　　圖 5：憑借高性能 32 位處理器內(nèi)核、獨立浮點數(shù)學加速器、模擬外設(shè)和增強型 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)的緊密同步對于通過并網(wǎng)能量收集系統(tǒng)無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行條件甚至電網(wǎng)故障的情況下正常運行。對于并網(wǎng)逆變器的設(shè)計人員，具有片上 ADC 和 PWM 的高度集成 MCU 可以顯著簡化實現(xiàn)有效電網(wǎng)同步所需的復雜 PLL 算法和控制機制的任務(wù)。