在小型，并網能量收集系統的核心，逆變器在來自環境源的高能量期間向電網提供過剩的電力。在設計并網逆變器時，工程師需要確保這種多余的功率與電網緊密同步，通常是通過使用復雜的鎖相環（PLL）實現。為了應對各種同步挑戰，工程師可以利用ADI公司，賽普拉斯半導體公司，飛思卡爾半導體公司，英飛凌科技公司，IXYS公司，Littelfuse公司，Maxim Integrated公司等高度集成的MCU和相關器件的性能和功能，創建有效的PLL網格同步算法。 ，Microchip Technology，Microsemi，NXP Semiconductors，Renesas，STMicroelectronics和Texas Instruments。

小型住宅能源采集系統連接到公用電網，為客戶提供通過將過剩發電量輸入電網獲得信貸的機會。作為這些系統的核心，并網逆變器負責無縫地提供這些多余的電力，滿足電能質量的特定要求。在這些要求中，與電網電力緊密同步的需求是至關重要的。

當向電網供電時，并網逆變器必須提供穩定的正弦交流波形，以符合電網電壓和頻率，符合實用標準。同步不良可能導致負載不平衡，連接設備損壞，電網不穩定，甚至電網本身斷電。

在電力設施中，電網同步依賴于控制用于發電的大型渦輪機和發電機電機的速度。然而，在能量收集系統中，電網同步依賴于逆變器用于產生所需AC波形的全橋輸出級的控制。

在逆變器設計中，直流轉換器為輸出級供電，包括全橋高功率IGBT，如英飛凌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。通過仔細控制直流轉換器的操作并選通電橋的功率器件，逆變器可確保輸出波形與電網電壓，頻率和相位正確同步。在大多數逆變器設計中，PLL提供了同步過程核心的機制。

在基本形式中，網格同步PLL結合了相位檢測器（PD），濾波器和壓控振蕩器（VCO）（圖1）。這里，PLL PD將VCO輸出與電網電壓進行比較，并調整VCO輸出以匹配電網。

圖1：在基本鎖相環（PLL）結構中，相位檢測器（PD）同步壓控振蕩器（VCO）輸出到測量的電網電壓，而低通濾波器（LPF）有助于減少諧波。 （由德州儀器提供）

最簡單的形式是，合適的PLL結構依賴于電網波形上的過零檢測器和計數器來測量過零點之間的時間 - 根據需要調整逆變器輸出匹配電網電壓過零點（圖2）。設計人員可以使用差分運算放大器（如Maxim Integrated MAX9939，Microchip Technology MCP6022T或Texas Instruments THS4121CD）實現這種簡單的PLL，以觸發硬件或軟件中實現的參考正弦波發生器的下一個正弦輸出波形周期。

圖2：通過控制直流轉換器并選通逆變器的全橋輸出，使用過零檢測電路的簡單鎖相環可以提供與電網同步的交流輸出波形。 （由Microchip Technology提供）

然而，實際上，簡單的PLL實現可能無法在啟動，電網故障和其他不利操作條件期間跟蹤電網電壓。因此，一般的網格同步和特別適合的PLL算法的主題仍然是學術界和工業界積極研究的主題。然而，對于標稱工作條件，逆變器設計人員已經成功地使用各種復雜的PLL算法，這些算法有效地增強了基本PLL結構中的功能塊，以提供更高級的功能。

例如，同步參考幀或直接正交PLL（DQ PLL）增強了傳統的PLL PD，將計算轉移到同步旋轉參考幀。這里，PD包括執行幀轉換的Park變換，將網格的三個AC值減少到兩個DC值，從而簡化了相位檢測計算。在大多數情況下，即使存在諧波失真和三相公用電網電壓的頻率變化，DQ PLL也能夠實現穩定運行。此外，該算法可能對電壓不平衡和電網測量誤差敏感。

進一步改進，二階廣義積分器PLL（SOGI PLL），進一步增強了PLL結構的PD功能。在SOGI PLL中，PD通過生成正交信號并對結果執行Park變換來檢測相位誤差（圖3）。通過這種方法，設計人員可以調整正交信號發生器以抑制除電網頻率之外的其他頻率。即使存在接近電網基頻的低次諧波，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，如二階廣義積分器PLL（SOGI PLL）保留了基本的PLL結構，同時增強了相位檢測器 - 將同步問題轉換為參考幀，有助于簡化同步計算。 （由Texas Instruments提供）

鑒于實際網格同步算法的復雜性，相應PLL功能的實現依賴于功能強大的32位處理器。 ADI公司的ADUCM360 MCU等器件將高性能處理器內核與實現電網同步單元所需的全套外設相結合。 ADUCM360基于ARM 32位Cortex-M3內核，集成了一對多通道sigma-delta（Σ-Δ）模數轉換器（ADC），數字I/O和閃存，提供必要組件PLL解決方案

此外，高度集成的MCU，如模擬ADUCM360，瑞薩V850E，飛思卡爾半導體MC56F8013和MC56F8023，還包括一個高分辨率脈沖寬度調制器（PWM），可用于控制逆變器的直流轉換器和全橋輸出級。利用賽普拉斯半導體公司基于PSoC 5LP ARM Cortex-M3的系列及其可配置外設模塊結構，設計人員可以設置PSoC的集成可配置數字和模擬模塊，以實現測量電網電流和電壓的完整信號路徑。此外，設計人員可以配置PSoC的片上PWM模塊用于逆變器控制。

Microchip dsPiC系列的成員，如DSPIC33EP128MC206，提供多對獨立的PWM，允許靈活的逆變器控制選項。使用這類器件，設計人員可以為太陽能采集系統實現完整的逆變器控制子系統，使用嵌入式軟件程序執行最大功率點跟蹤（MPPT）和網格同步PLL功能的算法（圖4）。

圖4：高度集成的器件，如Microchip Technology dsPiC系列MCU，提供獨立的PWM，允許設計人員根據需要獨立控制DC轉換器和全橋SCR器件，以實現電網同步。 （由Microchip Technology提供）

德州儀器C2000 C28x Piccolo系列的成員，如德州儀器TMS320F28035 C2000 MCU，采用TI增強型PWM模塊（ePWM），提供具有極高分辨率和粒度的多個PWM通道控制。這些器件與C2000 32位處理器內核和獨立的32位浮點數學加速器相結合，可提供高性能單芯片解決方案，用于控制復雜的兩級并網逆變器設計（圖5）。

圖5：結合使用高性能32位處理器內核，獨立浮點數學加速器，模擬外設和增強型PWM通道，德州儀器（TI）TMS320F28035等MCU提供單芯片解決方案，用于控制并網逆變器的操作和輸出同步。 （德州儀器公司提供）

結論

與電網緊密同步對于通過并網能量收集系統無縫提供多余電力至關重要。作為網格同步方法的核心，PLL算法可以確保在不利的操作條件甚至電網故障的情況下正常運行。對于并網逆變器的設計人員而言，具有片上ADC和PWM的高度集成MCU可以顯著簡化實現有效電網同步所需的復雜PLL算法和控制機制的任務。