微電網(wǎng)逆變器鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

摘要：微電網(wǎng)由分布式電源、儲(chǔ)能裝置及本地負(fù)載構(gòu)成，既可并網(wǎng)運(yùn)行也可孤島運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)2種運(yùn)行模態(tài)的平滑過渡和切換是其關(guān)鍵技術(shù)之一，其中鎖相環(huán)起到很重要的作用。微網(wǎng)主從控制結(jié)構(gòu)中，主逆變器在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)與電網(wǎng)電壓同步，孤島運(yùn)行時(shí)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(yùn)行模式的平滑轉(zhuǎn)化，減少切換時(shí)的暫態(tài)影響，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最終，基于TMS320F28335搭建一臺(tái)原理樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明文中給出的鎖相環(huán)模型的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：微網(wǎng)，逆變器，鎖相環(huán)，正序分量，運(yùn)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(chǔ)能單元、負(fù)荷以及監(jiān)控、保護(hù)裝置結(jié)合在一起，形成一個(gè)對(duì)公共電網(wǎng)來說單一可控的單元，同時(shí)也向用戶提供能量。微網(wǎng)主要有并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式。在微網(wǎng)的主從控制結(jié)構(gòu)中，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，主逆變器需要鎖定電網(wǎng)相位，實(shí)現(xiàn)與公共電網(wǎng)的精確同步;孤島運(yùn)行時(shí)，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(dòng)態(tài)切換時(shí)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(zhǔn)，所以其對(duì)微網(wǎng)模式的切換起到關(guān)鍵的作用。目前用于微網(wǎng)的鎖相環(huán)存在很多不足，文獻(xiàn)[2]將三相電壓經(jīng)過Clark變換得到其α,β分量，進(jìn)而得到其相角值，這種方法對(duì)輸入電壓諧波的抑制作用弱。文獻(xiàn)[3]對(duì)基于Park變換的鎖相環(huán)進(jìn)行分析，其可以通過調(diào)節(jié)鎖相環(huán)的帶寬，來獲得較強(qiáng)的諧波抑制能力;但當(dāng)三相電壓不平衡時(shí)，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(shí)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(hào)，并且可以在不同工作模式間進(jìn)行平滑的動(dòng)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(duì)文中給出的鎖相環(huán)性能進(jìn)行分析，介紹孤島下鎖相環(huán)自振蕩原理，并給出相應(yīng)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法;最終，基于F28335搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jié)構(gòu)

微網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括主逆變器拓?fù)?、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(guān)S相連。微網(wǎng)不同的工作模式，對(duì)應(yīng)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(guān)S閉合、控制開關(guān)DF斷開，此時(shí)鎖相環(huán)跟蹤電網(wǎng)相位，并產(chǎn)生電流基準(zhǔn);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(guān)S打開、控制開關(guān)DF閉合，此時(shí)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(hào)，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(jié)構(gòu)如圖2所示。

正序分量提取需要兩路正交信號(hào)，目前，常采用二階廣義積分(SecondOrderGeneralizedIntegrator，SOGI)算法來構(gòu)造2路正交信號(hào)。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，圖中控制開關(guān)DF為0，分別對(duì)Clark變換的兩路輸出信號(hào)進(jìn)行二階廣義積分，從而分別得到其對(duì)應(yīng)的正交信號(hào)，再經(jīng)過后面的PSC代數(shù)運(yùn)算便可提取出電網(wǎng)電壓的正序分量;孤島運(yùn)行時(shí)DF為1，幅值控制器輸出Camp為系統(tǒng)自振蕩提供初始條件，使得孤島模式下鎖相環(huán)仍然能夠工作。此外，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)相位實(shí)時(shí)跟蹤，需要對(duì)諧振頻率0ω進(jìn)行自適應(yīng)控制，實(shí)時(shí)更新0ω值，該功能由鎖頻環(huán)來實(shí)現(xiàn)。

3.2鎖頻環(huán)(FLL)

圖4給出了鎖頻環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖。

3.3幅值控制器

系統(tǒng)在孤島模式下運(yùn)行時(shí)，要想鎖相環(huán)能夠自振蕩，必須給其一個(gè)初始的振蕩條件，且為了使提取的正序信號(hào)幅值與逆變器輸出電壓幅值一致，必須要跟蹤孤島模式下逆變器輸出電壓基準(zhǔn)值，為此本文給出的鎖相環(huán)系統(tǒng)中增加一個(gè)幅值控制器，如圖5所示。

并網(wǎng)模式下，幅值控制器不起作用;在孤島模式下，基準(zhǔn)電壓與正序信號(hào)幅值的差值經(jīng)過比例控制器回饋給二階廣義積分器，從而構(gòu)成負(fù)反饋，使得正交信號(hào)跟蹤逆變器輸出電壓幅值。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證本文給出的微網(wǎng)用鎖相環(huán)的可行性與性能，基于F28335搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：開關(guān)器件選用SPMIGBT模塊，輸入電壓280VDC，輸出電壓110VAC，開關(guān)頻率18kHz，濾波電感和電容分別為3mH和10μF。圖6所示為公共連接點(diǎn)(PCC)處三相電壓及鎖相角波形。

當(dāng)DF為0時(shí)，提取電網(wǎng)電壓正序分量;當(dāng)DF為1，由幅值控制器跟蹤逆變器輸出電壓基準(zhǔn)，獲得逆變器輸出電壓正序分量。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，切換過程中正序分量能平滑過渡。

圖8給出了并網(wǎng)和孤島模式下，鎖相角輸出波形。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在動(dòng)態(tài)切換過程中，鎖相角基本無波動(dòng)，所以可以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)由并網(wǎng)到孤島模式的平滑無縫切換。

5、結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)鎖相環(huán)用于微網(wǎng)系統(tǒng)中存在諸多不足，本文給出一種適用于微網(wǎng)系統(tǒng)的鎖相環(huán)方法，對(duì)其性能和各模塊進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法;最終，基于F28335搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并得出如下結(jié)論：

(1)系統(tǒng)鎖頻環(huán)能夠?qū)崟r(shí)跟蹤電網(wǎng)角頻率的變化;

(2)幅值控制器能夠使得正序分量在孤島模式下

跟蹤逆變器輸出電壓基準(zhǔn);

(3)在模式切換過程中，文中給出的鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)響

應(yīng)快且可以實(shí)現(xiàn)平滑無縫切換。

參考文獻(xiàn)

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