基于ARM的主動頻率偏移孤島檢測法的實現

閻天仕 任國臣

（遼寧工業大學電氣工程學院，遼寧 錦州 121000）

1 引言

光伏能源是21世紀最具有發展潛力的能源之一。它具有環保、節能、零污染、零排放等眾多優點。光伏系統發出的直流電既可以通過蓄電池進行存儲，也可以經過逆變器變為交流電滿足日常生活用電的需要。由光伏電源通過逆變器輸出交流電，可以帶動區域性負載進行工作，這樣就大大緩解了電網過載運行的壓力。并且其富余的電力還可以傳輸到電網，對電網負荷進行必要的補充。

但是在光伏發電系統并網過程中，有一個不可忽視的問題，那就是孤島效應。何為孤島效應，根據美國國家實驗室（Sandia）指出，當電力公司的供電，因故障事故或停電維修而跳閘時，用戶端的光伏并網發電系統未能及時檢測出停電狀態而將自身切離電網，而形成由光伏并網發電系統和周圍的負載組成的一個電力公司無法掌握的自給供電系統。事實上，所有的分布式發電系統都會存在這樣的問題。顯而易見，這種情況的危害是十分大的，是分布式發電系統當中的用戶所不愿看到的。這就需要一套先進科學的檢測方法，能夠迅速及時的把孤島效應檢測出來。就目前的發展情況看，被動式的檢測方法由于其檢測盲區（NDZ）大，并沒被廣泛應用。主動檢測方法中的主動頻率偏移法，因其檢測時間短，盲區小，對電能質量干擾少等優點，目前被廣泛的應用到孤島的檢測之中。主動頻率偏移方法的實現手段有很多種，其CPU控制器部分就包括基于單片機，ARM，DSP等微控制器發出偏移指令信號，對逆變器端的頻率進行偏移。本文選用ARM做為控制器，選取固定的偏差范圍，通過計算得出其調整頻偏的可行性。

2 孤島效應的危害

在一套完備的電網系統中，必要的電流，電壓，頻率，過熱，短路等保護是應該具備的。

如圖1所示，當光伏發電系統所發出的電，在滿足供應本地重要負載1或2之后有盈余或欠缺，這時它將向電網上其余的重要負載3饋送多余的電量或者是電網發出一部分電量給重要負載1或2?？上攵?，這時如果電網因故障或檢修而瞬間跳閘時，每一個分布式的光伏系統將會成為一個自給自足的小系統。

當本地負載與光伏系統發出的功率不匹配時，光伏系統發出的電量滿足不了本地負載的需求或者超出負載的額定功率，這時線路上的保護裝置就會動作，我們可通過設在線路上的電壓、頻率保護裝置使光伏系統停止工作。

但如果是本地負載與光伏系統發出的功率正好匹配時，電壓、頻率檢測裝置將會失效，從而產生孤島效應。

圖1 光伏裝置并網原理框圖

孤島效應對設備和人員安全存在重大隱患，主要體現在：

（1）如果是非三相運行、有較大的諧波含量以及頻率不穩時，都將使孤島現象擴大。

（2）孤島的電壓相量會相對于主網產生漂移，當電網快速恢復時，這可能會干擾重合閘。

（3）當因電網故障造成停電時，若并網逆變器仍工作，一旦電網回復供電，電網電壓、并網逆變器的輸出電壓在相位上可能有較大差異，會在瞬間產生很大的沖擊電流，從而損壞設備。

（4）當檢修人員停止電網的供電，并對電力系統線路和設備進行檢修時，如果并網太陽能發電系統仍繼續供電，可造成人員傷亡事故。

（5）可能出現由單相并網系統供電給三相負載的情況，會造成三相負載的缺相運行，造成危害。

3 主動頻偏方法的實現

3.1 主動頻偏原理

為了杜絕孤島效應造成的危害，可以采用對光伏系統經過逆變器輸出的電壓頻率施加擾動進行偏移的方法來檢測孤島效應的發生。當電網正常運行時，由于其鉗位作用，偏移的頻率會維持在誤差所允許的范圍內；但當電網斷開時，失去了電網的制約，頻率的波動值會超過過頻保護的設定值從而使光伏系統跳閘與負載斷開。以上就是主動頻偏法檢測孤島效應發生的基本原理。

在傳統的對并網逆變器端施加擾動偏移時，應該考慮其偏移程度不能在49.5～50.5Hz范圍之內，否則頻率保護將認為這是電網正常的誤差范圍，從而不動作使孤島檢測失效；如果對頻率偏移過大（假設超過5Hz），電網并沒有因為停電故障而跳閘，將會對電網的頻率產生沖擊，從而使逆變器端電壓與電網電壓不同步，降低電能的質量，破壞電網運行的穩定性。所以，傳統頻率偏移方法檢測孤島的局限性還是存在的。

基于ARM的主動頻率偏移檢測法在傳統的檢測方法基礎上進行了改進，利用ARM調整頻率的精度高的特性，對PWM輸出的波形進行調制?？梢栽陔娋W正常的波動范圍內，把對電網電能干擾減到最小的情況下，來檢測孤島的發生。

3.2 PWM波的輸出

對頻率偏移的實現是通過SPWM脈沖寬度調制來實現的，而其中的核心構件是由ARM微控制器發出偏移指令，從而對頻率進行偏移。

ARM 7TDM I-S是通用的32位微處理器，它具有高性能和低功耗的特性。LPC2106帶有一個支持實時仿真和跟蹤的ARM 7TDM I-S CPU，并嵌入了128KB高速Flash存儲器。

ARM的7個匹配寄存器，可實現6個單邊沿控制或3個雙邊沿控制PWM輸出，本文采用單邊沿輸出。 單邊沿控制PWM輸出在每個周期開始時總是為高電平，除非輸出保持恒定低電平。

LPC2106只將其PWM功能輸出到引腳。定時器對外設始終進行計數，可選擇產生中斷或基于7個匹配寄存器，在到達指定的定時值執行其他動作。

2個匹配寄存器可用于提供單邊沿控制的PWM輸出。匹配寄存器MR0通過匹配時重新設置計數值來控制PWM周期率。其他的匹配寄存器控制PWM邊沿的位置。每個額外的單邊沿控制PWM邊沿的位置。每個額外的邊沿控制PWM輸出只需要一個匹配寄存器，因為所有PWM 輸出的重復速率是相同的。多個單邊沿控制PWM輸出在每個PWM周期的開始，當MR0發生匹配時，都有一個上升沿。

單邊沿控制的PWM輸出規則：

（1）所有單邊沿控制的PWM輸出在PWM周期開始時都為高電平，除非他們的匹配值等于0。

（2）每個PWM輸出在到達其匹配值時都會變為低電平。如果沒有發生匹配（即匹配值大于PWM速率），PWM將一直保持高電平。

如圖2所示，設置PWM 1為單邊沿控制的PWM輸出，PWM周期由匹配寄存器0控制。當匹配寄存器0匹配時，PWM 1輸出高電平，PWM占空比由匹配寄存器1控制；當匹配寄存器1匹配時PWM 1輸出低電平。其程序流程圖如圖3。

圖2 生成PWM示意圖

圖3 生成PWM程序流程圖

PWM控制技術在逆變電路中的應用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻?，F在大量應用的逆變電路中，絕大部分都是PWM型逆變電路。

由于電網的波形趨近于正弦波形式，所以采用PWM脈沖信號輸出時會產生較大的誤差。所以應選擇用多個PWM波來代替正弦波對電網輸出的頻率進行調節。采用SPWM技術理論上可以不產生低次諧波，所含的組要諧波的頻率要比幾波頻率高得多，是很容易濾除的。載波頻率越高，SPWM波形中諧波頻率就越高，所需濾波器的體積就越小。另外，一般的濾波器都有一定的帶寬，如按載波頻率設計濾波器，載波附近的諧波也可濾除。如濾波器設計為高通濾波器，且按載波頻率cω來設計，那么角頻率為2cω，3cω等及其附近的諧波也就同時被濾除了。

正是由于SPWM技術具有良好的去低次諧波性，大大減小了調整頻偏時產生的誤差，提高了調整的精度。

把圖4（a）中的正弦波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N個彼此相連的脈沖序列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于π/N，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積（沖量）相等，就得到圖4（b）所示的脈沖序列。這就是PWM波形?？梢钥闯?，各脈沖的幅值相等，而寬度是按正弦規律變化的。根據面積等效原理PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（Sinusoidal PWM）波形。

圖4 用PWM波代替正弦半波

3.3 頻偏調整范圍的分析

IEEE Std 1547-2003規定了60Hz系統適用的光伏系統并網標準。根據此標準，對于中國50Hz交流系統來說，換算后的系統正常頻率工作范圍是49.5～50.5Hz。由此規定，可以得出，當光伏并網系統公共耦合點處的頻率超出500.5Hz時，即視為發生了孤島效應，應立即切斷逆變器與電網的聯系。

ARM 7TDM I核通過使用三級流水線和大量使用內部寄存器來提高指令流的執行速度，其調整波形的精度是非常高的。這就可以使我們利用其精度高的優點，把偏差的范圍控制在電網頻率偏差允許的范圍之內，從而減小了對電網電能的不必要的擾動。例如選取電網頻率偏差范圍的上下限制值0.5Hz，相對于50Hz頻率的偏差范圍為1%。

本文選取的ARM 7TDM I-S系統的CPU型號為LPC2106，它的晶體振蕩器的頻率Fosc為11.0592MHz，而ARM系統的時鐘頻率為Fcclk，本系統連接PLL（鎖相環）后，輸入頻率通過一個電流控制振蕩器（CCO）倍增到范圍10～60MHz，由于CPU最高頻率的限制，LPC2106的倍頻值不能高于6，且規定Fcclk＜60MHz。為了提高計算的精度選擇倍頻M=4，則ARM系統的時鐘頻率Fcclk=Fosc×M= 11.0592×4=44.2368MHz。而ARM 7TDM I-S的CPU LPC2106能提供0. 9M IPS/MHz的指令執行速度，則指令周期為1/(0.9×44.2368)=0.02512μs，約為25ns。由于輸出分頻器的最小值為2，即P=2。它保證了PLL輸出有50%的占空比。由此可以得出Fcco= Fcclk×2×P=44.2368×2×2=176.9472MHz，在CCO的操作頻率范圍內。VPB分頻器采用復位默認值，即Fpclk=Fcclk/4=44.2368/4=11.0592MHz。

在計算時，如圖4把正弦半波7等分，則每份的周期為T=0.01/7=1.4ms。每等分對應的脈沖個數為N=1.4×10-3/25×10-9=56000，56000×1%=560，其對應的頻率偏移量為0.5Hz，即調整560個脈沖寬度，可以使頻率偏移0.5Hz。又因為頻率與周期是反比的關系，所以要想調成49.5Hz應該加上560個脈沖信號。同理，要想調成50.5Hz應該減去560個脈沖信號。

由計算可知，在設計ARM系統控制策略時，可先令其發出56560個脈沖信號。此時電網頻率偏移到49.5Hz；再發出55440個脈沖信號，此時電網頻率偏移到50.5Hz。通過觀察安裝在逆變器端的頻率檢測裝置，會出現以下兩種情況中的一種：

（1）如果檢測到的頻率變化范圍和調整頻偏的變化范圍相同，都是從49.5Hz變為50.5Hz，則表示電網失去鉗位作用，已經斷電，發生了孤島效應，應立即跳閘。

（2）如果檢測到的頻率為50Hz,未出現明顯波動，則表明電網正常工作，保護裝置無需動作。

4 結論

光伏并網系統中增加孤島檢測是必不可少的環節。在主動頻率偏移檢測方法中，利用基于ARM系統的脈寬調制器（PWM）代替正弦波對逆變器輸出的頻率進行偏移，來起到檢測孤島發生的作用。通過驗證我們可以得出，使用基于ARM系統產生的SPWM波形來調整頻偏，可以在電網波動值的正常范圍內進行，從而大大減小了對電能質量的干擾，具有快速、準確，無檢測盲區等優點。

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[5] IEEE Std.1547-2003,IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources With Electric Power Systems.