PEK-510模塊之單相逆變器之孤島保護(hù)

寫在前面的話：孤島效應(yīng)是指電網(wǎng)因電氣故障、人為誤操作或自然災(zāi)害等原因中斷供電時(shí)，分布式發(fā)電系統(tǒng)未能檢測(cè)出停電狀態(tài)而脫離電網(wǎng)，繼續(xù)向電網(wǎng)與周圍負(fù)載提供電能所形成的不受大電網(wǎng)   監(jiān)控的自發(fā)供電狀態(tài)。孤島效應(yīng)中非計(jì)劃性孤島由于危險(xiǎn)性較大，是不允許發(fā)生的。 

在PEK-510單相光伏并網(wǎng)逆變器電路控制學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，本期將利用單相光伏并網(wǎng)變換器通過主動(dòng)頻率偏移檢測(cè)，調(diào)整偏移角度使頻率超出系統(tǒng)所設(shè)定范圍的方式實(shí)現(xiàn)孤島保護(hù)的功能進(jìn)行教學(xué)與分析，為老師提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)與教學(xué)資源參考。PEK-510模組圖如圖所示。

PEK-510單相光伏并網(wǎng)逆變器

PEK-510模組介紹：

PEK-510 為單相光伏逆變器模組(Single Phase PV Inverter Module)，模組實(shí)物照片如圖1 所示，主要兩級(jí)組成，前級(jí)為升壓式轉(zhuǎn)換器(Boost Converter)，后級(jí)為單相全橋逆變器(Single Phase Inverter)，同時(shí)還具有主要變量的檢測(cè)和DSP控制功能部分。該模組實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫槭褂谜咛峁┗贒SP控制的電力變換器學(xué)習(xí)平臺(tái)，即借助 PSIM 軟件完成仿真和實(shí)驗(yàn)。第一實(shí)驗(yàn)者可以在PSIM上建立模擬（連續(xù)）仿真電路，以學(xué)習(xí)電力變換器的原理、分析和功能設(shè)計(jì)；第二將電力變換器的控制轉(zhuǎn)化去數(shù)字（離散）仿真部分，進(jìn)行仿真研學(xué)；第三借助DSP芯片內(nèi)部所具有的A/D轉(zhuǎn)化器、數(shù)據(jù)處理和PWM信號(hào)生成功能，再次進(jìn)行數(shù)字（離散）仿真；第四通過PSIM 之 C代碼生成功能，將控制部分生成C代碼；最后將生成的C代碼下載于PEK-510的DSP之中，以備實(shí)物實(shí)驗(yàn)。這樣設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)方便實(shí)驗(yàn)者能夠快速完成DSP對(duì)變換器主電路的控制。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)除需要PEK-510 模組外，仍需配置PEK-005A(輔助電源)和 PEK-006 (JTAG 下載器)等，并在 PTS-5000 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成。

PTS-5000 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

單相光伏并網(wǎng)逆變器組成

單相光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖3所示，即主要由DC電源、單相逆變電路、交流電源、檢測(cè)單元模塊和DSP數(shù)據(jù)采集、處理及PWM信號(hào)模塊組成。

單相光伏并網(wǎng)逆變器孤島控制方案

單相光伏并網(wǎng)逆變器孤島控制需要以下控制部分：（1）鎖相環(huán)控制；（2）逆變電壓電流雙環(huán)控制；（3）主動(dòng)頻率偏移孤島檢測(cè)控制。具有孤島保護(hù)的單相逆變器并網(wǎng)控制框圖如圖4所。下面對(duì)實(shí)現(xiàn)單相光伏并網(wǎng)逆變器孤島保護(hù)控制的主要控制單元進(jìn)行分析、討論。

（１）鎖相環(huán)（PLL）

鎖相環(huán) (phase locked loop)是一種利用相位同步產(chǎn)生的電壓，去調(diào)諧壓控振蕩器以產(chǎn)生目標(biāo)頻率的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。根據(jù)自動(dòng)控制原理，這是一種典型的反饋控制電路，利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤。鎖相環(huán)通常由鑒相器（PD，Phase Detector）、濾波器（LF，Loop Filter）和壓控振蕩器（VCO，Voltage Controlled Oscillator）3部分組成。鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

（２）單相逆變器控制模型

逆變控圖如圖6所示，

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，

這里，

1）電流控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)逆變器的輸出電流方程（3），設(shè)計(jì)PI控制器，設(shè)計(jì)框圖如圖7所示

２）電壓控制器設(shè)計(jì)

由于電流內(nèi)環(huán)的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電壓環(huán)，因此在設(shè)計(jì)電壓控制器時(shí)，電流環(huán)可以視為單位１，即電流環(huán)的輸出跟蹤輸入。電壓控制器采用２型控制器，以減小直流母線２次紋波電壓。電壓控制器設(shè)計(jì)框圖如圖8所示。

在圖8中，

3）主動(dòng)頻率偏移孤島檢測(cè)控制

孤島模式產(chǎn)生示意圖如圖9所示。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由于某種原因與主電網(wǎng)斷開連接，仍向負(fù)載供電，由此形成一個(gè)無電網(wǎng)控制的自給獨(dú)立供電系統(tǒng)。

在孤島檢測(cè)方法中，孤島效應(yīng)的主動(dòng)檢測(cè)方案主要是通過控制算法使逆變器輸出微弱的周期性擾動(dòng)。其中主動(dòng)頻率偏移檢測(cè)方案是最具有代表性的主動(dòng)孤島檢測(cè)方法之一。光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電流可表示為下式：

光伏逆變器通常采用電流控制來實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)，其基本原理是利用頻率或者相位干擾來達(dá)到公共耦合連接點(diǎn)（PCC）移頻的目的，即通過輸出電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率之間存在的一定的微小誤差（在并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)）。在電網(wǎng)正常運(yùn)行期間，由于鎖相環(huán)的校正，逆變器的輸出電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率之間的誤差始終在一個(gè)小的范圍內(nèi)，當(dāng)電網(wǎng)斷開連接時(shí)，PCC處測(cè)的電壓頻率為逆變器輸出的上一個(gè)周期電流頻率，箝位效應(yīng)消失，此時(shí)鎖相環(huán)不能進(jìn)行校正，逆變器輸出電壓的頻率會(huì)發(fā)生變化，由于微小擾動(dòng)的持續(xù)存在，這等同于增加一組頻率誤差來控制逆變器輸出電壓的頻率，重復(fù)此過程，逐漸積累持續(xù)偏移最終超過設(shè)定的頻率閾值，逆變器不再輸出電流，即成功檢測(cè)出孤島狀態(tài)并停止向負(fù)載供電。主動(dòng)頻率偏移檢測(cè)方案與控制流程如圖10、圖11。

結(jié)合PLL鎖相，采用主動(dòng)頻率偏移檢測(cè)的仿真設(shè)計(jì)如圖12

PSIM 仿真

在PSIM搭建模擬仿真圖如圖13所示。仿真結(jié)果如圖14、15與圖16所示。

實(shí)　驗(yàn)

應(yīng)用PTS-5000完成光伏單相逆變器孤島保護(hù)，其連接線圖如圖17所示。PSW160-7.2設(shè)定電壓為100V，電流1.5A，APS-300設(shè)置為50Hz，電壓40V，操作于1P2W模式下（注：APS-300接至AC Input后，再由單相測(cè)試線由AC Output接至PEK-510）。

(1) 未建立孤島運(yùn)行方式

當(dāng)PEK-510開關(guān)開啟后，可觀測(cè)得PSW提供功率為120W，APS-300亦提供單相8.4W功率，逆變器正常運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖18所示。

調(diào)整PSW輸出功率，使APS-300輸出功率降為零，當(dāng)PSW輸出電流調(diào)整為1.6A，PSW輸出功率為130W，此時(shí)APS-300輸出功率為零，(AC)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖19所示。逆變器正常運(yùn)行。

(２) 建立孤島運(yùn)行方式

將AC開關(guān)斷開（即斷開市電），逆變器因檢測(cè)到市電斷開而中斷運(yùn)行。AC開關(guān)狀態(tài)如圖20所示。

產(chǎn)生孤島現(xiàn)象后，通過PSIM的DSP示波器調(diào)整偏移角度, 偏移角度與輸出電壓頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系表1。

表1 偏移角度與輸出電壓頻率

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著偏移角度為正值增加，輸出電壓頻率逐漸增加，直至PEK-510逆變器不工作（輸出電壓頻率大于52Hz）；隨著偏移角度為負(fù)值增加，輸出電壓頻率逐漸下降，直至PEK-510逆變器不工作（輸出電壓頻率小于48Hz）。

結(jié)　論

由結(jié)果可以看出，主動(dòng)頻率偏移檢測(cè)可在系統(tǒng)處于孤島現(xiàn)象時(shí)利用調(diào)整偏移角度，使得頻率超出系統(tǒng)所設(shè)定之范圍，達(dá)到孤島保護(hù)的功能。