并网逆变器中全软件锁相环之设计与实现

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1、并网逆变器中全软件锁相环之设计与实现1绪论1.1课题的背景意义自从工业革命以后，能源一直是推动人类社会进步的重要驱动力量。从最初的煤炭到后来的石油、天然气等，化石能源为人类社会发展做出了巨大的贡献。但随着化石能源的大量使用，种种问题也随之而来：一是煤炭、石油、天然气等都不是可在生能源，能源危机越来越成为人类不容忽视的威胁。二是化石能源排放的废气会造成严重的环境污染，如大气污染、温室效应造成的水平面上升及气候变暖等现象。由于过度使用化石能源而产生的种种问题如今也慢慢被各国政府所重视，如减少碳排放量如今也成为我国衡量地区发展的指标之一。解决这些问题的有效手段有发展新能源

2、和节能减排等措施，而发展新能源是解决这一问题的根本办法。新能源包括水能、风能、太阳能、核能等。与水能、风能、核能相比，太阳能发电由于没有地域限制、便于采集、没有任何污染排放等优点而备受人们瞩目。且除大规模并网发电应用外，太阳能还可以通过各种各样的方式储存，比如说抽水、蓄电池等。通过蓄能和太阳能发电的方式，基本能够满足未来的能源需求。正因为上述的优点，太阳能己被认为是未来最安全可靠的能源，各个国家在长期规划中也把对太阳能的开发利用作为能源革命中的一个重要内容，太阳能技术衍生的光伏产业也成为国际上继信息革命时的IT行业后又一爆炸式发展的行业。随着太阳能等新能源技术的迅猛

3、发展，为了能够最大程度的发挥它们的作用，就必然要将它们并入现有的电网，并网逆变技术也随之而来。所谓的并网逆变器是指将太阳能或风能等能源产生的直流电转为交流电，再与电网并联或串联，或者也可以通过电抗器、变压器等与电网相连接。并网逆变技术中很重要的一点是要保证逆变器与电网同步运行。为了实现这一目的，我们必须要能够检测出电网电压的相位与频率，从而依据这个来控制逆变器，这就是锁相环要能实现的功能。1.2锁相环技术的发展及研究现状锁相技术的历史最早可以追溯到Bellescize在1932年提出并公开发表的同步检波理论。该理论设计了一个可以跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统，但

4、该理论设计的电路很复杂，且所需成本比较高，因此在当时并没有被人们所重视。直到1943年，锁相环才被用于黑白电视机的水平和垂直扫描同步电路中，这是它的第一次正式应用。二十世纪五十年代，随着苏联第一颗人造卫星的上天，美苏两个超级大国之间的太空争霸也拉开了帷幕，而锁相环技术在太空领域的潜力也开始被科学家们开发出来。由于太空飞行器距离地球有几千公里之遥，因此接收机所接收到的信号极其微弱，且由于多普勒频移等不良影响的存在，所以必须把接收机带宽设计的很宽，这样带来的问题就是信噪比极低，传统的接收机并不能将所需信号从噪声中分离出来，而在当时只有基于锁相环的窄带跟踪器才能做到。也就

5、是这段时间，锁相环技术不管是从理论到实际应用都有了很大的进步。到了七十年代，半导体等技术的迅速发展，为锁相环技术的又一次飞跃提供了契机。随着成本的降低和技术的成熟，如今锁相环已经被广泛应用于各个领域，如频率合成、电力电子、电机控制、调频/调幅的调制与解调等。可以说基本所有的现代通信产品中都有锁相环的身影。在锁相环的集成电路被发明以后，由于成本低廉和高性能，它已经在工业界大展拳脚，逐渐成为电力电子和通信领域的一个常用器件。2锁相环的基本原理2.1锁相环的结构在实际工程应用中，锁相环的鉴相器其实是多种多样的，因而它们的鉴相特性也是各有不同。而这些鉴相器在信噪比较低的时候

6、，它们的鉴相特性往往趋向于正弦特性。模拟乘法器就是一个常用的鉴相器，我们可以把它作为模型，来分析一般鉴相器的工作原理。从模拟乘法鉴相器中可以看到，鉴相器的作用就是检测两个信号间的相位差并以Ue(t)的形式输出，由式(2.7)可知，若是输入信号与输出信号角频率相等的话，将为一个定值，而也将保持稳定。从式(2.13)中可以看到，模拟乘法器的输出波形是一个正弦波，也就是说它是一个正弦波鉴扣器。它的数学模.型和鉴扣特件如图2.3和图2.4所示。从传递函数中就可以看出，有源比例积分滤波器中的传递函数中有一个超前相位因子1+57：2,它能很有效的提高整个电路的稳定性。而且在运算

7、放大器的增益无限趋于无穷时，传递函数的极点将趋向于原点，这就相当于在整个环路引入了一个理想的积分环节。除此以外，相比较于常用的那些无源滤波器，有源比例积分滤波器还有很多极为出众的优点：1)它的直流增益无穷大，可以确保锁定状态下的锁相环的相差为零。2)若是信号的频率平滑变化，它依然可以锁定。而很多无源滤波器就不行。3)由维纳滤波理论可以推出，在频率阶跃变化时，它也是能锁定的最好的环路滤波器。基于以上优点，有源比例积分环路滤波器是使用最多的环路滤波器之一，而在软件锁相环屮，也将使用与之对应的环路滤波器。2.2锁相环的锁相过程电网电压的一些常见问题，如电压突降、电压闪