于力+紀(jì)賀天+王祥宇+孫宇+唐奇

摘要：鑒于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)一旦孤島現(xiàn)象發(fā)生，且沒有及時(shí)切除并網(wǎng)的光伏系統(tǒng)，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞和威脅人身安全，因此孤島檢測(cè)要求快速、準(zhǔn)確，并要考慮到電能質(zhì)量。提出一種孤島檢測(cè)控制器的軟硬件設(shè)計(jì)方法，利用該設(shè)計(jì)思想可以實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)孤島的快速檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)；孤島；檢測(cè)；控制器；電能質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）12-0038-03

風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新型可再生能源微網(wǎng)系統(tǒng)是將發(fā)電機(jī)、新型能源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置及控制裝置等系統(tǒng)地結(jié)合在一起，形成一個(gè)單一可控的單元，同時(shí)向用戶和電網(wǎng)供給電能。然而微電網(wǎng)在為大電網(wǎng)提供補(bǔ)充和支撐的同時(shí)，對(duì)于大電網(wǎng)也存在一定的隱患。例如：注入大電網(wǎng)的諧波含量和電流畸變不能超過限制，不能對(duì)大電網(wǎng)中其他設(shè)備造成影響和損壞；另外，當(dāng)大電網(wǎng)由于故障或者檢修造成停電，此時(shí)如果微電網(wǎng)繼續(xù)為大電網(wǎng)供電，將危害到大電網(wǎng)中的設(shè)備和檢修人員的人身安全，造成不可估量的損失?；诖?，大電網(wǎng)對(duì)接入的微電網(wǎng)提出了兩個(gè)要求：一個(gè)是注入的大電網(wǎng)電能質(zhì)量，另一個(gè)是對(duì)大電網(wǎng)的安全性。這就要求微電網(wǎng)系統(tǒng)具有快速、準(zhǔn)確的孤島檢測(cè)能力，同時(shí)保證注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量滿足大電網(wǎng)的要求。因此，微網(wǎng)孤島檢測(cè)控制器對(duì)于微網(wǎng)的發(fā)展有著重要的意義。

1 光伏并網(wǎng)孤島檢測(cè)控制器的整體設(shè)計(jì)

孤島檢測(cè)控制器起到連接大電網(wǎng)和微網(wǎng)的作用，要求具有快速檢測(cè)和快速切斷脫離大電網(wǎng)的能力。因此，微網(wǎng)孤島檢測(cè)控制器在整體上有直流電壓和電流、交流電壓和電流及其直流母線電壓的檢測(cè)功能，根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)控制新能源的最大功率輸出，然后依據(jù)新能源的輸出功率情況控制并網(wǎng)的電流控制，同時(shí)根據(jù)交流側(cè)電壓和電流的檢測(cè)結(jié)果計(jì)算系統(tǒng)的頻率和有功功率，將有功功率的波動(dòng)結(jié)果引入正反饋的主動(dòng)頻移法孤島檢測(cè)方法中，使孤島檢測(cè)的速度得到提高，同時(shí)使并網(wǎng)電流畸變較小。

整個(gè)控制器主要包括檢測(cè)和運(yùn)算環(huán)節(jié)（如圖1所示）。開關(guān)Q5的控制實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤和直流母線的電壓穩(wěn)定，而開關(guān)Q1、開關(guān)Q2、開關(guān)Q3、開關(guān)Q4完成逆變器4個(gè)開關(guān)的合理控制，同時(shí)控制并網(wǎng)電流控制和孤島檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)（如圖2所示）。控制的最終目的是要通過一定的運(yùn)算處理得到適當(dāng)?shù)拈_關(guān)控制信號(hào)，使得光伏逆變系統(tǒng)正確、高效、可靠運(yùn)行。

2 光伏并網(wǎng)孤島檢測(cè)控制器的硬件設(shè)計(jì)

控制器必須具備強(qiáng)勁的運(yùn)算能力和實(shí)時(shí)響應(yīng)速度。其主要需要完成占空比擾動(dòng)MPPT算法、并網(wǎng)電流幅值和波形的聯(lián)合PWM控制及孤島效應(yīng)檢測(cè)算法等高速實(shí)時(shí)功能，同時(shí)預(yù)留通訊口與上位機(jī)完成數(shù)據(jù)交換的低速功能。微網(wǎng)孤島檢測(cè)控制器的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制過程可歸納為：電壓信號(hào)采集，根據(jù)MPPT、并網(wǎng)電流控制和孤島檢測(cè)方案求取開關(guān)占空比，數(shù)字化PWM調(diào)制并與故障保護(hù)邏輯綜合輸出PWM信號(hào)等。其中，與控制器硬件設(shè)計(jì)密切相關(guān)的包括模擬量的采集、開關(guān)占空比的求取、數(shù)字化PWM調(diào)制、輸出PWM信號(hào)的故障保護(hù)邏輯綜合以及與PC的通訊接口。

3 光伏并網(wǎng)孤島檢測(cè)控制器的軟件設(shè)計(jì)

基于有功變化的主動(dòng)頻移孤島檢測(cè)方法，采用正反饋主動(dòng)頻移法為主要理論思想。而在孤島檢測(cè)中，需要解決兩個(gè)問題：一是電網(wǎng)電流頻率的采樣與跟蹤，此處要求檢測(cè)的速度和精度；二是頻率偏移量的選取，偏移量取值大，平時(shí)正常情況下產(chǎn)生的畸變大，會(huì)大大影響注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量，而頻移量取值小，頻率偏出頻率限值的速度慢，會(huì)造成檢測(cè)能力下降。因此，為了更好地選擇合適的偏移量，采用有功功率變化的主動(dòng)頻移孤島檢測(cè)方法，根據(jù)發(fā)生孤島現(xiàn)象時(shí)往往伴隨著公共端處有功功率變化的實(shí)際情況，將有功功率的變化情況引入到頻率的偏移量中來，增加頻移的偏移量速度，縮短孤島檢測(cè)的時(shí)間。同時(shí)，未發(fā)生孤島時(shí)采用較小的頻率偏移量，使注入電網(wǎng)的畸變較小，保持電網(wǎng)電能質(zhì)量潔凈。具體的基于有功功率的主動(dòng)頻移法流程圖如圖4所示。

當(dāng)電網(wǎng)斷開時(shí)，有功功率的變化使頻率偏差增大，加速了頻率的偏移。在輸出頻率達(dá)到頻率保護(hù)閾值，檢測(cè)到孤島現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，光伏系統(tǒng)停止工作。與正反饋主動(dòng)頻移孤島檢測(cè)方法相比，該方法檢測(cè)到孤島所用的時(shí)間縮短了，且與正常運(yùn)行時(shí)相比輸出電流波形畸變的變化不大。

4 結(jié)語

光伏并網(wǎng)孤島檢測(cè)控制器包括軟硬件兩部分設(shè)計(jì)。本課題提出了整個(gè)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，圍繞光伏并網(wǎng)逆變器中孤島檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)整個(gè)后級(jí)逆變環(huán)節(jié)的硬件電路（如驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路、電網(wǎng)頻率捕獲電路等）和整個(gè)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并給出了基于有功變化的主動(dòng)頻移孤島檢測(cè)程序的流程圖。利用該控制器可以實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)孤島的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)。

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