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)。

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。

微網(wǎng)逆變器鎖相環(huán)工作原理

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。

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)。

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。

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。

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。