1459-微电网逆变器锁相环的设计及实现

微电网逆变器锁相环的设计及实现
姬秋华，陈新，华淼杰 （南京航空航天大学，江苏 南京 210016）
摘要：微电网由分布式电源、储能装置及本地负载构成，既可并网运行也可孤岛运行。实现 2 种运行模态的平滑过渡和 切换是其关键技术之一，其中锁相环起到很重要的作用。微网主从控制结构中，主逆变器在并网运行时与电网电压同步，孤 岛运行时为从逆变器产生电压参考。本文给出一种提取电网电压正序分量的锁相环模型，可确保微网运行模式的平滑转化， 减少切换时的暂态影响，增强了系统的稳定性。最终，基于 TMS320F28335 搭建一台原理样机，实验结果表明文中给出的锁 相环模型的有效性和可行性。
Abstract： Micro-grid is formed by distributed power, energy storage, and local loads. It has two operation modes： grid-connected and island. Smooth transition and handover of the two operating status is one of the key technologies, in which the PLL plays an important role. In Master-Slave configuration, the master inverter is synchronized with the grid in grid-connected mode, and in island mode it generates a voltage reference to the slave inverters. This paper presents a PLL model for extracting the positive sequence component of the grid voltage, which can ensure the smooth transformation of the two modes and it will reduce the transient effects while switching as well as enhance the stability of the system. Finally, we built a prototype based on TMS320F28335. Experimental results are provided to confirm the effectiveness and feasibility of the proposed PLL model.
uref
+− ∑
kp C Amp
vα+ vβ+
(vα+ )2 + (vβ+ )2
图 5 幅值控制器结构框图
并网模式下，幅值控制器不起作用；在孤岛模式 下，基准电压与正序信号幅值的差值经过比例控制器 回馈给二阶广义积分器，从而构成负反馈，使得正交 信号跟踪逆变器输出电压幅值。
4．实验结果及分析 为了验证本文给出的微网用锁相环的可行性与性
锁相环需要给微网系统提供相位信息，从而产生 电流基准，所以其对微网模式的切换起到关键的作用。 目前用于微网的锁相环存在很多不足，文献[2]将三相
电压经过 Clark 变换得到其α , β 分量，进而得到其相
角值，这种方法对输入电压谐波的抑制作用弱。文献
[3]对基于 Park 变换的锁相环进行分析，其可以通过调 节锁相环的带宽，来获得较强的谐波抑制能力；但当 三相电压不平衡时，锁相角输出存在不可消除的 2 次 谐波，从而降低并网电能质量和系统稳定性。此外， 上述锁相方法主要用于微网的并网阶段，无法实现微 网不同模式的平滑切换。本文给出一种可提取电网电 压正序分量的锁相方法[4]，一方面解决了三相电压不 平衡的问题；另一方面在孤岛模式下可自振荡产生固 定频率的信号，并且可以在不同工作模式间进行平滑 的动态切换[5]。
为 DSOGI-PSC 模块的输入，该模块用来提取电网电压 正序分量 uα + 和 uβ + ； 孤岛运行时，S 打开，DSOGI 模块自振荡，产生幅值和频率可控的电压信号 uα + 和 uβ + 信号，从而为逆变器在孤岛模式提供相位信息。 正序分量进行 Park 变换后得到 q 轴分量，通过闭环调 节使得 q 轴分量恒等于零，这样 PI 调节器的输出即为
1 vβ+ 2
图 3 DSOGI-PSC 结构框图
正序分量提取需要两路正交信号，目前，常采用
二阶广义积分(Second Order Generalized Integrator，
SOGI)算法来构造 2 路正交信号。并网运行时，图中控
制开关 DF 为 0，分别对 Clark 变换的两路输出信号进
行二阶广义积分，从而分别得到其对应的正交信号，
本文首先介绍微网逆变器锁相环的工作原理；其 次，对文中给出的锁相环性能进行分析，介绍孤岛下 锁相环自振荡原理，并给出相应的数字实现方法；最 终，基于 F28335 搭建实验平台进行实验验证。
2．微网逆变器锁相环工作原理 2.1 微网逆变器系统结构
微网逆变器结构如图 1 所示，包括主逆变器拓扑、 控制电路、锁相环及公共电网等部分。
关键词：微网，逆变器，锁相环，正序分量，运行模式切换
Design and realization of phase-locked loop for Micro-grid inverter
JI Qiu-hua, CHEN Xin, HUA Miao-jie （Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，Nanjing 210016，China ）
能由锁频环来实现。
3.2 锁频环(FLL) 图 4 给出了锁频环的结构框图。
ε vα qvα' ε vβ qvβ'
×ε fα +
× ∑+
ε fβ
DF = 1 −kz
−γ DF = 0
∫
FLL
ω −+∑
ω0
ω ff
图 4 锁频环结构框图
图中， γ 是积分增益， ω ff 是初始化频率。并网
运行时，控制开关 DF 为 0，将 ω0 回馈给 SOGI 系统， 便可实现根据电网频率实时更新 ω0 ；孤岛运行时 DF 为 1，积分器输出 ω 经过 −kz 进行复位，稳态时趋于 0，
此时 ω0 等于额定频率 ω ff ，系统以恒定的角频率自振
荡，从而为微网提供频率支撑。
3.3 幅值控制器 系统在孤岛模式下运行时，要想锁相环能够自振
荡，必须给其一个初始的振荡条件，且为了使提取的 正序信号幅值与逆变器输出电压幅值一致，必须要跟 踪孤岛模式下逆变器输出电压基准值，为此本文给出
的锁相环系统中增加一个幅值控制器，如图 5 所示。
La , Lb , Lc
PLL
电压环
S
电流环
Vin
Cin
θ mod ∫
2π
d
− a
dq
SPWM +
b c
abc
ia , ib , ic
ua , ub , uc uga , ugb , ugc
abc dq
abc dq
abc αβ
Kp
+
Ki s
Kp
+
Ki s
Kp
+
Ki s
Ca , Cb ,Cc
ud α +β + uα+ DSOGI
C Amp
×
SOGI- QSG(α )
vα
× +−∑
DF = 1 ks
DF = 0
ε vα
+−∑ ω0
∫
×∫
ε vα
qvα'
C Amp
×
SOGI- QSG(β )
vβ
× +−
DF = 1 εvβ
∑
ks
DF = 0
+∑ − ω0
∫
×∫
εvβ
qvβ'
PSC vα' +−∑ qv+α'+∑
vβ'
qvβ'
1 vα+ 2
5．结 论 针对传统锁相环用于微网系统中存在诸多不足，
本文给出一种适用于微网系统的锁相环方法，对其性 能和各模块进行分析，并给出相应的数字实现方法； 最终，基于 F28335 搭建实验平台进行实验验证，并得 出如下结论：
(1) 系统锁频环能够实时跟踪电网角频率的变化； (2) 幅值控制器能够使得正序分量在孤岛模式下 跟踪逆变器输出电压基准； (3) 在模式切换过程中，文中给出的锁相环动态响 应快且可以实现平滑无缝切换。
图 6 PCC 处三相电压及锁相角波形
并网运行时，锁相角跟踪电网电压相位；当公共 电网故障时(此处为公共电网断开)，微网检测到孤岛， 改变控制方式，进入孤岛运行模式，锁相角输出为系 统自振荡产生的相角。
图 7 给出了并网和孤岛模式下正序分量输出波 形。孤岛时逆变器输出电压基准设置小于并网时电压 幅值。
∑u+−q*u=q d0q
uβ+ -PSC
S uα uβ
id − ∑
+
idref
Kp
+
Ki s
ud − ∑
+
udref
iq∑−+
iqref DF
Kp
+
Ki s
uq∑−+
uqref
图 1 微网系统结构图
主逆变器采用三相全桥结构，选用 LC 滤波器， 逆变器与公共电网之间通过静态开关 S 相连。微网不 同的工作模式，对应的控制方式不同：并网模式采取 单电流环控制，静态开关 S 闭合、控制开关 DF 断开， 此时锁相环跟踪电网相位，并产生电流基准；孤岛模 式采取电压外环电流内环的双环控制策略，静态开 关 S 打开、控制开关 DF 闭合，此时逆变器与电网 断开连接，锁相环内部自振荡，产生幅值和频率可 控的电压信号，为系统提供电压和频率支撑。
角频率 ω ，对其进行积分便可得到瞬时相位θ 。
3．孤岛模式锁相环支撑控制技术 本文给出的用于微网的锁相环主要包括双二次广
义积分-正序分量提取模块(DSOGI-PSC)、锁频环、幅 值控制器和 d-q 变换锁相。
3.1 双二次广义积分-正序分量提取
图 3 所示为双二次广义积分-正序分量提取模块的 结构框图。
图 7 并网和孤岛模式下正序分量输出波形
当 DF 为 0 时，提取电网电压正序分量；当 DF 为 1，由幅值控制器跟踪逆变器输出电压基准，获得逆变 器输出电压正序分量。从实验结果可得，切换过程中 正序分量能平滑过渡。
图 8 给出了并网和孤岛模式下，锁相角输出波形。
参考文献
[1] 王成山,杨占刚,王守相,车延博. 微网实验系统结构特征 及 控 制 模 式 分 析 [J]. 电 力 系 统 自 动 化 , 2010 ， 34(1):99-105.
能，基于 F28335 搭建实验平台。实验参数：开关器件 选用 SPM IGBT 模块，输入电压 280VDC，输出电压 110VAC，开关频率 18kHz，滤波电感和电容分别为 3mH 和 10μF。
图 6 所示为公共连接点(PCC)处三相电压及锁相 角波形。
图 8 锁相角输出波形
从实以可以实现微网由并网到孤岛模式 的平滑无缝切换。
再经过后面的 PSC 代数运算便可提取出电网电压的正
序分量；孤岛运行时 DF 为 1，幅值控制器输出 Camp
为系统自振荡提供初始条件，使得孤岛模式下锁相环
仍然能够工作。此外，并网运行时，当电网频率发生
变化时，为了实现对输入信号相位实时跟踪，需要对
谐振频率 ω0 进行自适应控制，实时更新 ω0 值，该功
2.2 锁相环性能分析
锁相环结构如图 2 所示。
uga
abc uα S
ugb
ugc
αβ uβ
vα+ vα+vβ+
uq −u+q∑* =
0 Kp
+
Ki s
ω
oθ
∫ mod
t θ
dq
2π
vβ+
ud
图 2 锁相环结构框图
并网运行时，开关 S 闭合，电网电压经过 Clark 变换，得到静止坐标系下的输出信号 uα 和 uβ ，并作
Keywords：Microgrids, Inverter, Phase-locked loop, Positive-sequence component, Operation mode transition
1．引 言 微电网是将分布式电源、储能单元、负荷以及监
控、保护装置结合在一起，形成一个对公共电网来说 单一可控的单元，同时也向用户提供能量。微网主要 有并网和孤岛两种运行模式。在微网的主从控制结构 中，并网运行时，主逆变器需要锁定电网相位，实现 与公共电网的精确同步；孤岛运行时，主逆变器需要 为微网建压，从而为从逆变器提供电压和频率参考。 为避免动态切换时产生过大的环流，切换过程必须平 稳连续[1]。