光伏并網(wǎng)孤島檢測控制器的軟硬件設(shè)計

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，且沒有及時切除并網(wǎng)的光伏系統(tǒng)，可能會導(dǎo)致設(shè)備損壞和威脅人身安全，因此孤島檢測要求快速、準(zhǔn)確，并要考慮到電能質(zhì)量。提出一種孤島檢測控制器的軟硬件設(shè)計方法，利用該設(shè)計思想可以實現(xiàn)光伏并網(wǎng)孤島的快速檢測。

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

中圖分類號：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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、儲能裝置及控制裝置等系統(tǒng)地結(jié)合在一起，形成一個單一可控的單元，同時向用戶和電網(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，對于大電網(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)對接入的微電網(wǎng)提出了兩個要求：一個是注入的大電網(wǎng)電能質(zhì)量，另一個是對大電網(wǎng)的安全性。這就要求微電網(wǎng)系統(tǒng)具有快速、準(zhǔn)確的孤島檢測能力，同時保證注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量滿足大電網(wǎng)的要求。因此，微網(wǎng)孤島檢測控制器對于微網(wǎng)的發(fā)展有著重要的意義。

1 光伏并網(wǎng)孤島檢測控制器的整體設(shè)計

孤島檢測控制器起到連接大電網(wǎng)和微網(wǎng)的作用，要求具有快速檢測和快速切斷脫離大電網(wǎng)的能力。因此，微網(wǎng)孤島檢測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功能，根據(jù)檢測的數(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，同時根據(jù)交流側(cè)電壓和電流的檢測結(jié)果計算系統(tǒng)的頻率和有功功率，將有功功率的波動結(jié)果引入正反饋的主動頻移法孤島檢測方法中，使孤島檢測的速度得到提高，同時使并網(wǎng)電流畸變較小。

整個控制器主要包括檢測和運算環(huán)節(jié)（如圖1所示）。開關(guān)Q5的控制實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率點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個開關(guān)的合理控制，同時控制并網(wǎng)電流控制和孤島檢測方法的實現(xiàn)（如圖2所示）。控制的最終目的是要通過一定的運算處理得到適當(dāng)?shù)拈_關(guān)控制信號，使得光伏逆變系統(tǒng)正確、高效、可靠運行。

2 光伏并網(wǎng)孤島檢測控制器的硬件設(shè)計

控制器必須具備強(qiáng)勁的運算能力和實時響應(yīng)速度。其主要需要完成占空比擾動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)檢測算法等高速實時功能，同時預(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)孤島檢測控制器的硬件結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制過程可歸納為：電壓信號采集，根據(jù)MPPT、并網(wǎng)電流控制和孤島檢測方案求取開關(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信號等。其中，與控制器硬件設(shè)計密切相關(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)孤島檢測控制器的軟件設(shè)計

基于有功變化的主動頻移孤島檢測方法，采用正反饋主動頻移法為主要理論思想。而在孤島檢測中，需要解決兩個問題：一是電網(wǎng)電流頻率的采樣與跟蹤，此處要求檢測的速度和精度；二是頻率偏移量的選取，偏移量取值大，平時正常情況下產(chǎn)生的畸變大，會大大影響注入電網(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，會造成檢測能力下降。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頻移孤島檢測方法，根據(jù)發(fā)生孤島現(xiàn)象時往往伴隨著公共端處有功功率變化的實際情況，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，縮短孤島檢測的時間。同時，未發(fā)生孤島時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頻移法流程圖如圖4所示。

當(dāng)電網(wǎng)斷開時，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，檢測到孤島現(xiàn)象發(fā)生時，光伏系統(tǒng)停止工作。與正反饋主動頻移孤島檢測方法相比，該方法檢測到孤島所用的時間縮短了，且與正常運行時相比輸出電流波形畸變的變化不大。

4 結(jié)語

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

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