微電網(wǎng)逆變器鎖相環(huán)的設計及實現(xiàn)

摘要：微電網(wǎng)由分布式電源、儲能裝置及本地負載構成，既可并網(wǎng)運行也可孤島運行。實現(xiàn)2種運行模態(tài)的平滑過渡和切換是其關鍵技術之一，其中鎖相環(huán)起到很重要的作用。微網(wǎng)主從控制結構中，主逆變器在并網(wǎng)運行時與電網(wǎng)電壓同步，孤島運行時為從逆變器產(chǎn)生電壓參考。本文給出一種提取電網(wǎng)電壓正序分量的鎖相環(huán)模型，可確保微網(wǎng)運行模式的平滑轉(zhuǎn)化，減少切換時的暫態(tài)影響，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最終，基于TMS320F28335搭建一臺原理樣機，實驗結果表明文中給出的鎖相環(huán)模型的有效性和可行性。

關鍵詞：微網(wǎng)，逆變器，鎖相環(huán)，正序分量，運行模式切換 智能電網(wǎng)

1.引言

微電網(wǎng)是將分布式電源、儲能單元、負荷以及監(jiān)控、保護裝置結合在一起，形成一個對公共電網(wǎng)來說單一可控的單元，同時也向用戶提供能量。微網(wǎng)主要有并網(wǎng)和孤島兩種運行模式。在微網(wǎng)的主從控制結構中，并網(wǎng)運行時，主逆變器需要鎖定電網(wǎng)相位，實現(xiàn)與公共電網(wǎng)的精確同步;孤島運行時，主逆變器需要為微網(wǎng)建壓，從而為從逆變器提供電壓和頻率參考。為避免動態(tài)切換時產(chǎn)生過大的環(huán)流，切換過程必須平穩(wěn)連續(xù)[1]。

鎖相環(huán)需要給微網(wǎng)系統(tǒng)提供相位信息，從而產(chǎn)生電流基準，所以其對微網(wǎng)模式的切換起到關鍵的作用。目前用于微網(wǎng)的鎖相環(huán)存在很多不足，文獻[2]將三相電壓經(jīng)過Clark變換得到其α,β分量，進而得到其相角值，這種方法對輸入電壓諧波的抑制作用弱。文獻[3]對基于Park變換的鎖相環(huán)進行分析，其可以通過調(diào)節(jié)鎖相環(huán)的帶寬，來獲得較強的諧波抑制能力;但當三相電壓不平衡時，鎖相角輸出存在不可消除的2次諧波，從而降低并網(wǎng)電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，上述鎖相方法主要用于微網(wǎng)的并網(wǎng)階段，無法實現(xiàn)微網(wǎng)不同模式的平滑切換。本文給出一種可提取電網(wǎng)電壓正序分量的鎖相方法[4]，一方面解決了三相電壓不平衡的問題;另一方面在孤島模式下可自振蕩產(chǎn)生固定頻率的信號，并且可以在不同工作模式間進行平滑的動態(tài)切換[5]。

本文首先介紹微網(wǎng)逆變器鎖相環(huán)的工作原理;其次，對文中給出的鎖相環(huán)性能進行分析，介紹孤島下鎖相環(huán)自振蕩原理，并給出相應的數(shù)字實現(xiàn)方法;最終，基于F28335搭建實驗平臺進行實驗驗證。

2.微網(wǎng)逆變器鎖相環(huán)工作原理

2.1微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結構

微網(wǎng)逆變器結構如圖1所示，包括主逆變器拓撲、控制電路、鎖相環(huán)及公共電網(wǎng)等部分。

逆變器與公共電網(wǎng)之間通過靜態(tài)開關S相連。微網(wǎng)不同的工作模式，對應的控制方式不同：并網(wǎng)模式采取單電流環(huán)控制，靜態(tài)開關S閉合、控制開關DF斷開，此時鎖相環(huán)跟蹤電網(wǎng)相位，并產(chǎn)生電流基準;孤島模式采取電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略，靜態(tài)開關S打開、控制開關DF閉合，此時逆變器與電網(wǎng)斷開連接，鎖相環(huán)內(nèi)部自振蕩，產(chǎn)生幅值和頻率可控的電壓信號，為系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐。

2.2鎖相環(huán)性能分析

鎖相環(huán)結構如圖2所示。

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