微電網逆變器鎖相環的設計及實現

摘要：微電網由分布式電源、儲能裝置及本地負載構成，既可并網運行也可孤島運行。實現2種運行模態的平滑過渡和切換是其關鍵技術之一，其中鎖相環起到很重要的作用。微網主從控制結構中，主逆變器在并網運行時與電網電壓同步，孤島運行時為從逆變器產生電壓參考。本文給出一種提取電網電壓正序分量的鎖相環模型，可確保微網運行模式的平滑轉化，減少切換時的暫態影響，增強了系統的穩定性。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模型的有效性和可行性。

關鍵詞：微網，逆變器，鎖相環，正序分量，運行模式切換 智能電網

1.引言

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

鎖相環需要給微網系統提供相位信息，從而產生電流基準，所以其對微網模式的切換起到關鍵的作用。目前用于微網的鎖相環存在很多不足，文獻[2]將三相電壓經過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變換的鎖相環進行分析，其可以通過調節鎖相環的帶寬，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，從而降低并網電能質量和系統穩定性。此外，上述鎖相方法主要用于微網的并網階段，無法實現微網不同模式的平滑切換。本文給出一種可提取電網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切換[5]。

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

2.微網逆變器鎖相環工作原理

2.1微網逆變器系統結構

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

逆變器與公共電網之間通過靜態開關S相連。微網不同的工作模式，對應的控制方式不同：并網模式采取單電流環控制，靜態開關S閉合、控制開關DF斷開，此時鎖相環跟蹤電網相位，并產生電流基準;孤島模式采取電壓外環電流內環的雙環控制策略，靜態開關S打開、控制開關DF閉合，此時逆變器與電網斷開連接，鎖相環內部自振蕩，產生幅值和頻率可控的電壓信號，為系統提供電壓和頻率支撐。

2.2鎖相環性能分析

鎖相環結構如圖2所示。

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