基于TMS320F28335的微網(wǎng)鎖相環(huán)的設計方案探討

微電網(wǎng)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(gè)對公共電網(wǎng)來(lái)說(shuō)單一可控的單元，同時(shí)也向用戶(hù)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(shí)，主逆變器需要鎖定電網(wǎng)相位，實(shí)現與公共電網(wǎng)的精確同步;孤島運行時(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(guò)大的環(huán)流，切換過(guò)程必須平穩連續。

鎖相環(huán)需要給微網(wǎng)系統提供相位信息，從而產(chǎn)生電流基準，所以其對微網(wǎng)模式的切換起到關(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[2]將三相電壓經(jīng)過(guò)Clark變換得到其α,β分量，進(jìn)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(jìn)行分析，其可以通過(guò)調節鎖相環(huán)的帶寬，來(lái)獲得較強的諧波抑制能力;但當三相電壓不平衡時(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)量和系統穩定性。此外，上述鎖相方法主要用于微網(wǎng)的并網(wǎng)階段，無(wú)法實(shí)現微網(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(wèn)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(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，并給出相應的數字實(shí)現方法;最終，基于F28335搭建實(shí)驗平臺進(jìn)行實(shí)驗驗證。

微網(wǎng)逆變器鎖相環(huán)工作原理

微網(wǎng)逆變器系統結構

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(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)S閉合、控制開(kāi)關(guān)DF斷開(kāi)，此時(shí)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)電流內環(huán)的雙環(huán)控制策略，靜態(tài)開(kāi)關(guān)S打開(kāi)、控制開(kāi)關(guān)DF閉合，此時(shí)逆變器與電網(wǎng)斷開(kāi)連接，鎖相環(huán)內部自振蕩，產(chǎn)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。鎖相環(huán)性能分析

鎖相環(huán)結構如圖2所示。

正序分量提取需要兩路正交信號，目前，常采用二階廣義積分(SecondOrderGeneralizedIntegrator，SOGI)算法來(lái)構造2路正交信號。并網(wǎng)運行時(shí)，圖中控制開(kāi)關(guān)DF為0，分別對Clark變換的兩路輸出信號進(jìn)行二階廣義積分，從而分別得到其對應的正交信號，再經(jīng)過(guò)后面的PSC代數運算便可提取出電網(wǎng)電壓的正序分量;孤島運行時(shí)DF為1，幅值控制器輸出Camp為系統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)運行時(shí)，當電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)，為了實(shí)現對輸入信號相位實(shí)時(shí)跟蹤，需要對諧振頻率0ω進(jìn)行自適應控制，實(shí)時(shí)更新0ω值，該功能由鎖頻環(huán)來(lái)實(shí)現。

鎖頻環(huán)(FLL)

圖4給出了鎖頻環(huán)的結構框圖。3.3幅值控制器

系統在孤島模式下運行時(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值，為此本文給出的鎖相環(huán)系統中增加一個(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，基準電壓與正序信號幅值的差值經(jīng)過(guò)比例控制器回饋給二階廣義積分器，從而構成負反饋，使得正交信號跟蹤逆變器輸出電壓幅值。