PEK-510模塊之單相逆變器之孤島保護

寫在前面的話：孤島效應是指電網(wǎng)因電氣故障、人為誤操作或自然災害等原因中斷供電時，分布式發(fā)電系統(tǒng)未能檢測出停電狀態(tài)而脫離電網(wǎng)，繼續(xù)向電網(wǎng)與周圍負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)。孤島效應中非計劃性孤島由于危險性較大，是不允許發(fā)生的。 

在PEK-510單相光伏并網(wǎng)逆變器電路控制學習的基礎上，本期將利用單相光伏并網(wǎng)變換器通過主動頻率偏移檢測，調整偏移角度使頻率超出系統(tǒng)所設定范圍的方式實現(xiàn)孤島保護的功能進行教學與分析，為老師提供相關實驗與教學資源參考。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)，模組實物照片如圖1 所示，主要兩級組成，前級為升壓式轉換器(Boost Converter)，后級為單相全橋逆變器(Single Phase Inverter)，同時還具有主要變量的檢測和DSP控制功能部分。該模組實驗目的是為使用者提供基于DSP控制的電力變換器學習平臺，即借助 PSIM 軟件完成仿真和實驗。第一實驗者可以在PSIM上建立模擬（連續(xù)）仿真電路，以學習電力變換器的原理、分析和功能設計；第二將電力變換器的控制轉化去數(shù)字（離散）仿真部分，進行仿真研學；第三借助DSP芯片內部所具有的A/D轉化器、數(shù)據(jù)處理和PWM信號生成功能，再次進行數(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，以備實物實驗。這樣設計的最大優(yōu)點方便實驗者能夠快速完成DSP對變換器主電路的控制。

進行實驗除需要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 的實驗平臺上完成。

PTS-5000 實驗平臺

單相光伏并網(wǎng)逆變器組成

單相光伏并網(wǎng)逆變器實驗系統(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、檢測單元模塊和DSP數(shù)據(jù)采集、處理及PWM信號模塊組成。

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）主動頻率偏移孤島檢測控制。具有孤島保護的單相逆變器并網(wǎng)控制框圖如圖4所。下面對實現(xiàn)單相光伏并網(wǎng)逆變器孤島保護控制的主要控制單元進行分析、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生的電壓，去調諧壓控振蕩器以產生目標頻率的負反饋控制系統(tǒng)。根據(jù)自動控制原理，這是一種典型的反饋控制電路，利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內部振蕩信號的頻率和相位，實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤。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）電流控制器設計

根據(jù)逆變器的輸出電流方程（3），設計PI控制器，設計框圖如圖7所示

２）電壓控制器設計

由于電流內環(huán)的頻帶寬度遠遠高于電壓環(huán)，因此在設計電壓控制器時，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。電壓控制器設計框圖如圖8所示。

在圖8中，

3）主動頻率偏移孤島檢測控制

孤島模式產生示意圖如圖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，仍向負載供電，由此形成一個無電網(wǎng)控制的自給獨立供電系統(tǒng)。

在孤島檢測方法中，孤島效應的主動檢測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。其中主動頻率偏移檢測方案是最具有代表性的主動孤島檢測方法之一。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現(xiàn)孤島檢測，其基本原理是利用頻率或者相位干擾來達到公共耦合連接點（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)標準允許范圍內）。在電網(wǎng)正常運行期間，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小的范圍內，當電網(wǎng)斷開連接時，PCC處測的電壓頻率為逆變器輸出的上一個周期電流頻率，箝位效應消失，此時鎖相環(huán)不能進行校正，逆變器輸出電壓的頻率會發(fā)生變化，由于微小擾動的持續(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，重復此過程，逐漸積累持續(xù)偏移最終超過設定的頻率閾值，逆變器不再輸出電流，即成功檢測出孤島狀態(tài)并停止向負載供電。主動頻率偏移檢測方案與控制流程如圖10、圖11。

結合PLL鎖相，采用主動頻率偏移檢測的仿真設計如圖12

PSIM 仿真

在PSIM搭建模擬仿真圖如圖13所示。仿真結果如圖14、15與圖16所示。

實　驗

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

(1) 未建立孤島運行方式

當PEK-510開關開啟后，可觀測得PSW提供功率為120W，APS-300亦提供單相8.4W功率，逆變器正常運行，實驗結果如圖18所示。

調整PSW輸出功率，使APS-300輸出功率降為零，當PSW輸出電流調整為1.6A，PSW輸出功率為130W，此時APS-300輸出功率為零，(AC)，實驗結果如圖19所示。逆變器正常運行。

(２) 建立孤島運行方式

將AC開關斷開（即斷開市電），逆變器因檢測到市電斷開而中斷運行。AC開關狀態(tài)如圖20所示。

產生孤島現(xiàn)象后，通過PSIM的DSP示波器調整偏移角度, 偏移角度與輸出電壓頻率對應關系表1。

表1 偏移角度與輸出電壓頻率

由實驗結果可以看出，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　論

由結果可以看出，主動頻率偏移檢測可在系統(tǒng)處于孤島現(xiàn)象時利用調整偏移角度，使得頻率超出系統(tǒng)所設定之范圍，達到孤島保護的功能。