光伏发电接入电网时，要求与电网同频同向。同步锁相是光伏并网系统的关键技术，其控制精度直接影响到系统的并网性能。如果锁相环不可靠，则在逆变器与电网并网切换时会造成逆变器与电网的环流，对设备造成冲击。

传统的模拟锁相存在着需要调整电路参数，以及器件的老化和温漂等问题。而数字锁相不仅能简化硬件电路的设计，降低成本，还可解决，大大提高了电路的可靠性和锁相精度。在此，讨论逆变器的输出电压数字锁相技术。

本文采用意法半导体推出的STM32F103系列，具有32位处理能力以及72MHz主频，并具有丰富的外设接口。本文提出了一种高精度的锁相环技术，并在逆变器样机上进行了实验，实验结果验证了锁相的精度，并给出了实验结果。

1. 锁相的原理

由于光伏并网逆变器接入电网时，频率和相位可能与电网不一致，则接入电网瞬间，电网电压和逆变器输出电压分别为：

                             (1)

                             (2)

   其中为电网电压的最大值，为逆变器输出的最大值。由于电网电压和频率是波动的，光伏逆变器必须能跟踪电网的频率与相位。则必须满足：

                                 (4)

                             (5)

                             (6)

由于初始相位差是确定的，通过改变逆变器载波周期ARR的值能改变逆变器输出的频率，消除相位差，当相位差为零后，跟随电网的频率，最终达到锁相目的。

2. 数字锁相的实现[3,4]

采用STM32F103系列控制芯片来实现数字锁相。信号处理过程如图1所示：

图1 过零点检测原理图

将逆变器输出电压和电网输出电压，通过过零检测电路变为方波信号。STM32的定时器捕获每个方波的上升沿，则对捕获单元2，由相邻两次的捕获值即可求出电网的频率。同时，捕获单元1与捕获单元2的差即为即为逆变器输出与电网输出的相位差。

下面以逆变器输出超前于电网输出为例，如图2所示：

图2 数字锁相的实现

逆变器相位超前于电网，逐渐增大逆变器输出的周期，缩小相位差。当相位差为零时，逆变器输出与电网频率一致，即可做到同频同向，完成锁相。同理，当逆变器相位落后于电网，逐渐减小逆变器输出的周期，缩小相位差。当相位差为零时，逆变器输出与电网频率一致，即成功锁相。

同时需要注意的是，为了避免因相位差过大而引起逆变器输出频率急剧的变化，需要限制每个周期逆变器输出周期的幅度。

由公式(6)可知，锁相后逆变器输出与电网频率以及相位差有关，则为了完成锁相，需要同时锁定频率和相位。则第K周期逆变器输出应与前一周期电网周期及相位差相关。

                                  (7)

                         (8)

        (9)

其中为第K周期电网的频率，B为相位修正系数

电网频率的变化也会变为相位差，那么根据相位差改变逆变器输出的频率，即可以达到锁相的目的。

由于电网频率波动不确定性，而常规PID控制只能利用一组固定参数进行控制，不能兼顾动态和静态性能，鲁棒性较差。故在此采用模糊PI控制进行闭环调节，求出载波周期的变化量，进而改变逆变器的输出频率，逐渐消除频率差和相位差。

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