結合同步鎖相的光伏并網發電系統孤島檢測技術

蔡逢煌 鄭必偉 王 武,3,4

（1.福州大學電氣工程與自動化學院 福州 350108 2.南京航空航天大學 南京 210016 3.華中科技大學 武漢 430074 4.漳州科華技術有限責任公司 漳州 363000）

1 引言

根據IEC62116《光伏并網系統用逆變器防孤島測試方法》的相關要求，并網逆變器產品必須嚴格進行出廠試驗和型式試驗，專用標準IEEE1547和UL1741也規定，要求所有的并網逆變器必須具備反孤島效應自動保護功能。具備防孤島效應保護是并網逆變器最重要功能要求之一[1,2]。

孤島檢測有被動檢測[3]和主動檢測。目前的主動檢測主要是以頻率擾動[4,5]、相位擾動[6,7]或電壓擾動[8]等等為主進行單獨研究，沒有和鎖相同步控制結合起來。但是在并網電流控制算法中，并網電流和公共點電壓的同步對輸出電流功率因數影響很大，所以必須把這兩種控制集中在一起考慮，找出一種既能快速同步，又能施加擾動的方法。本文提出一種同時進行頻率擾動和相位擾動的正反饋PWM周期擾動法，分析了算法檢測無盲區的充要條件，進行了仿真和實驗驗證。該擾動法在逆變器電流控制和同步鎖相控制的基礎上，通過控制逆變器輸出電流的周期達到頻率擾動和相位擾動的目的，使公共點頻率在孤島發生后偏離額定值而判出孤島。這樣就把被控制量變成一個，也就是輸出電流的周期，實現控制算法的統一，簡化了算法實現的難度。

2 PWM周期擾動法的提出

為了可靠并網發電，并網逆變器輸出電流的頻率、相位必須和電網電壓一致。鎖相控制、孤島判斷和孤島擾動算法都在公共點電壓捕獲中斷程序中完成。圖1為該部分的算法流程圖。孤島擾動算法根據公共點的周期信息計算下一周期的擾動量，并把該擾動量疊加到鎖相控制計算得到的周期中。這樣在孤島發生時可以改變輸出電流的頻率和下個捕獲周期的初始相位。

圖1 程序流程圖Fig.1 The program flowchart

設交流電網電壓u和并網逆變器輸出電流i分別為

式中，U與I分別為電網電壓幅值和逆變輸出電流幅值；f1與f2分別為電網電壓和逆變輸出電流的頻率；θ表示并網電流超前或滯后電網電壓的相位角。

由表達式可知，要實現鎖相，必須滿足

設計中SPWM調制比固定為400，DSP控制器的工作頻率為100MHz，程序中設定定時器的時鐘頻率和系統頻率一樣，即每10ns加1，計數方式采用同步增減計數模式。通過改變PWM的周期可以改變并網電流的頻率和相位，實現并網電流和電網電壓的同頻同相。

孤島擾動算法就是在同步鎖相的基礎上直接對PWM的周期施加一個擾動量，這樣只要通過控制PWM周期就可實現同步鎖相和孤島擾動算法。在添加PWM周期擾動后，在下一次捕獲中斷時檢測公共節點電壓的周期，如果周期變化規律快速跟隨擾動的變化規律（增大的幅度大于一定的值），就加大擾動周期的步長。否則進行反方向擾動。

正反饋PWM周期擾動法實際上是對并網電流周期進行正反饋擾動，為了實現正反饋，每一電流周期的擾動量ΔT(k)定義為頻率偏差的函數

式中，T(k) 為并網電流周期；Tg為市電周期；f為第k周期電網電壓周期偏差量的函數，由擾動方向和擾動后偏差量決定；ΔT0為初始最小擾動量，用于打破頻率平衡。分析如下：

（1）通過控制DSP的PWM輸出周期使輸出電流的周期與鎖相算法給定的周期存在一定的擾動誤差。

（2）孤島發生前，由于電網的穩定性和同步鎖相控制，逆變器輸出電流頻率、相位與電網電壓頻率、相位的誤差始終在一個較小的范圍內。

（3）孤島發生后，逆變器輸出端電壓的頻率、相位將發生變化，在逆變器下一個工頻周期內，系統將加上設定的頻率、相位誤差去控制逆變器輸出電流的頻率、相位，從而導致逆變器輸出電壓的頻率與額定頻率誤差進一步增加。該過程不斷重復，直至逆變器輸出電壓的頻率超出并網標準的規定，從而觸發孤島效應的保護動作，切斷逆變器與電網的連接。

該方案設計的重點在于確定反饋增益，既要保證在并網過程中對同步鎖相影響最小，又要在孤島產生時能破壞系統平衡。

3 PWM周期擾動法的無盲區分析

圖2為系統鎖相和主動周期擾動的模型。負載接RLC并聯諧振負載，G(s) 的傳遞函數和相頻特性為

圖2 系統鎖相和主動周期擾動等效模型Fig.2 Systems PLL and APD model

圖3中曲線1為G(j)ω的相頻特性圖，曲線2為孤島周期擾動算法產生的相位偏差(只畫出大于50Hz部分)，由于擾動有最大的限幅值，所以相位差也有對應的最大值。曲線3為并網公共點輸出電壓的相位差，是曲線1和曲線2的綜合。由相頻特性可知，隨著給定電流輸出周期的減小(頻率增大)，公共點輸出電壓的相位滯后增大，那么捕獲的周期將增大，也即頻率將減小，這樣會抵消掉擾動周期減小引起的相位超前，最后頻率增大變慢。圖3中A點為逆變器的動態穩定工作點。分析：當系統工作在A點右邊的C點時，相位滯后，捕獲的周期增大，根據同步算法下一周期的給定電流周期也要增加，即減小頻率，這樣工作點回到A點。工作在B點時同理。所以當A點落在孤島頻率范圍內時，孤島檢測失敗；當A點落在孤島頻率范圍外時，孤島檢測成功。根據規范孤島檢測的頻率范圍是（50±0.5）Hz，所以必須保證平衡點A對應的頻率在49.5～50.5Hz之外。可以看出，只要曲線2在頻率段49.5～50.5Hz之內提供的超前相位角大于負載引起的滯后相位角，那么公共點電壓的頻率將被單向推高(或降低)，平衡點A必然落在孤島頻率范圍之外，孤島能被成功檢測出來。

圖3 RLC負載的相頻特性示意圖Fig.3 Phase angle vs.Frequency behavior of parallel RLC

由Matlab分析獲得圖3曲線1幾個點的坐標為：(-0.002 98rad,50.1Hz)、(-0.006 99rad,50.2Hz)、(-0.011rad,50.3Hz)、(-0.015rad,50.4Hz) (-0.019 1rad,50.5Hz)、(-0.023rad,50.6Hz)。由式（5）可得曲線2提供的超前相位角擾動數字量最小為(50.1Hz，1.18)、(50.2Hz，2.77)、(50.3Hz，4.35) (50.4Hz，5.92)、(50.5Hz，7.52)、(50.6Hz，9.04)。實際算法中取整數，Δ為PWM的周期擾動量。調制比固定為400點，PWM設置為對稱輸出。

當并網運行時，由于電網的頻率基本維持在50Hz，孤島擾動量比較小，對電網的影響不大，當孤島發生時，隨著頻率的增大，擾動量相應增大，可以使頻率快速達到保護頻率點，孤島檢測成功。

并網逆變器采用并網電流直接數字控制模式，工作在近似單位功率因數下。當本地RLC負載的諧振頻率為50Hz且所需的有功無功與并網逆變器的輸出相匹配時，孤島發生后本地系統的電壓幅值與頻率無變化，這是孤島檢測最難的情況。因此，要求在此最惡劣工況下孤島檢測方法能準確檢測出孤島，則必須滿足PWM周期擾動引起的逆變器的電流相位角比并聯RLC負載的相角增加得更快[9,10]。

4 仿真分析

在PSIM仿真平臺下進行單相單級式光伏并網系統仿真。算法由PSIM中的DLL動態鏈接模塊實現。仿真參數為：電網電壓有效值Ugrid=220V，電網頻率fgrid=50Hz，輸出濾波電感L=4mH，電容C=30μF，功率管開關頻率fs=20kHz。圖4中fgrid為孤島后頻率的變化趨勢，Uout/Iout為逆變器并網端的電壓和并網電流變化趨勢，Ugrid為市電電壓，用于確定市電斷開瞬間的時刻。孤島保護的時間就是從市電斷開到并網電流Iout為零經過的時間。可以看出，純阻性負載的孤島檢測時間最少，感性負載和容性負載因為存在諧振的情況，所以檢測時間比純阻性負載長，但是也滿足規范要求。

圖4 仿真結果Fig.4 Simulation results

5 實驗驗證

實驗采用TI公司的TMS320F2812DSP為控制芯片，試制了6kW的單相并網型光伏逆變系統，負載采用中國臺灣省群菱公司的ACLT-3818M并網逆變器反孤島保護試驗檢測裝置。設置RLC諧振品質因數為1.0，諧振頻率為50Hz，通過調節負載電阻、電感和電容使得在單位功率因數下的逆變器輸出與負載消耗的無功和有功功率平衡。

圖5為并網逆變器的孤島檢測電路示意圖，具體測試步驟為：

（1）閉合S2，斷開S1，起動逆變器。通過調節逆變器輸出，使逆變器輸出功率等于給定功率。

（2）通過調節RLC電路使得Qf=1。

圖5 并網逆變器的孤島檢測電路Fig.5 Circuit used for assessing anti-islanding features of grid-connected inverter

（3）斷開S1把步驟（2）獲得的R、L、C設置好，合上負載開關S1。

（4）微調節R、L、C，通過參照功率分析儀，實時查看流過S2的基頻電流小于穩態時逆變器額定輸出電流的1%。

（5）斷開S2，通過示波器記錄S2斷開至逆變器輸出電流下降并維持在額定輸出電流的1%以下之間的時間t。

（6）按以上順序依次調節直流輸入源使得輸出的功率分別等于逆變器額定功率的33%、66%、100%，重復上面實驗。

圖6～圖8分別為33%、66%、100%額定負載時的孤島實驗波形，可以看出，在諧振情況下，孤島檢測時間分別為125ms、135ms和300ms。滿足標準要求（＜2s）。在多機運行情況下，由于算法的電流相角均由周期正反饋所決定，則合成相角的變化方向與單臺逆變器相角隨系統頻率的變化方向一致。只要逆變器在單機工作時滿足孤島檢測要求,則在多機工作時也能滿足檢測要求[10]。

圖6 33%額定負載時孤島實驗波形Fig.6 Experimental result of 33% rated load

圖7 66%額定負載時孤島實驗波形Fig.7 Experimental result of 66% rated load

圖8 100%額定負載時孤島實驗波形Fig.8 Experimental result of 100% rated load

6 結論

本文介紹了同時進行頻率擾動和相位擾動的PWM周期擾動法。在市電周期捕獲中斷中同時進行孤島擾動與同步鎖相控制算法，得出了孤島檢測無盲區的條件是必須滿足逆變器的電流相位角比并聯RLC負載的相角增加或減小得更快。在6kW的光伏逆變器實驗平臺上對幾組典型諧振負載進行了實驗，實驗結果表明了算法的可靠性。

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