作為小型并網能量收集系統的核心，逆變器在來自環境能源的高能量期間向電網輸送多余的電力。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 ）的相關設備的性能和功能來創建有效的 PLL 網格同步算法、Maxim Integrated、Microchip Technology、Microsemi、NXP Semiconductors、瑞薩電子、意法半導體和德州儀器。

　　連接到公用電網的小型住宅能量收集系統為客戶提供了通過將多余的發電電力輸送到電網來獲得信用的機會。作為這些系統的核心，并網逆變器負責無縫輸送多余的電力，滿足對電能質量的特定要求。在這些要求中，與電網緊密同步的需求至關重要。

　　在向電網供電時，并網逆變器必須提供穩定的正弦交流波形，根據公用事業標準與電網電壓和頻率相匹配。同步不良會導致負載不平衡、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的速度。然而，在能量收集系統中，電網同步依賴于對逆變器全橋輸出級的控制，用于產生所需的交流波形。

　　在逆變器設計中，直流轉換器為輸出級供電，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 提供了該同步過程的核心機制。

　　在其基本形式中，電網同步 PLL 結合了相位檢測器 （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） 將壓控振蕩器 （VCO） 輸出與測得的電網電壓同步，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 結構依賴于電網波形上的過零檢測器和一個計數器來測量過零之間的時間——根據需要調整逆變器輸出以匹配電網電壓過零（圖 2）。設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這個簡單的 PLL，以觸發來自硬件或軟件參考正弦波發生器的正弦輸出波形的下一個周期。

　　圖 2：通過控制直流轉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可以提供與電網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、電網故障和其他不利操作條件期間跟蹤電網電壓。因此，一般的電網同步和特別是合適的 PLL 算法的主題繼續成為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了各種復雜的 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，同步參考系或直接正交 PLL （DQ PLL） 增強了傳統的 PLL PD 以將計算轉移到同步旋轉參考系。在這里，PD 包括一個 Park 變換，它執行幀轉換，將電網的三個 AC 值減少到兩個 DC 值，從而簡化相位檢測計算。在大多數情況下，DQ PLL 能夠實現穩定運行，即使在三相公用電網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）。使用這種方法，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，例如二階廣義積分器 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）

　　鑒于實際網格同步算法的復雜性，相應 PLL 功能的實現依賴于強大的 32 位處理器。Analog Devices ADUCM360 MCU 等器件將高性能處理器內核與實施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 Σ-Δ （Σ-Δ） 模數轉換器 （ADC）、數字 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制器 （PWM），可用于控制逆變器的直流轉換器和全橋輸出級。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，以實現用于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。使用此類設備，設計人員可以為太陽能收集系統實現完整的逆變器控制子系統，使用嵌入式軟件例程執行最大功率點跟蹤 （MPPT） 和電網同步 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，允許設計人員根據需要獨立控制直流轉換器和全橋 SCR 器件以實現電網同步。（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。結合 C2000 32 位處理器內核和獨立的 32 位浮點數學加速器，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逆變器設計（圖 5）。

　　圖 5：憑借高性能 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逆變器的同步。（德州儀器提供）

　　結論

　　與電網的緊密同步對于通過并網能量收集系統無縫輸送多余電力至關重要。作為電網同步方法的核心，PLL 算法可以確保在不利的運行條件甚至電網故障的情況下正常運行。對于并網逆變器的設計人員，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。