光伏并網孤島檢測控制器的軟硬件設計

于力+紀賀天+王祥宇+孫宇+唐奇

摘要：鑒于光伏并網系統一旦孤島現象發生，且沒有及時切除并網的光伏系統，可能會導致設備損壞和威脅人身安全，因此孤島檢測要求快速、準確，并要考慮到電能質量。提出一種孤島檢測控制器的軟硬件設計方法，利用該設計思想可以實現光伏并網孤島的快速檢測。

關鍵詞：光伏并網；孤島；檢測；控制器；電能質量

中圖分類號：TM464 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）12-0038-03

風力發電和光伏發電等新型可再生能源微網系統是將發電機、新型能源、負荷、儲能裝置及控制裝置等系統地結合在一起，形成一個單一可控的單元，同時向用戶和電網供給電能。然而微電網在為大電網提供補充和支撐的同時，對于大電網也存在一定的隱患。例如：注入大電網的諧波含量和電流畸變不能超過限制，不能對大電網中其他設備造成影響和損壞；另外，當大電網由于故障或者檢修造成停電，此時如果微電網繼續為大電網供電，將危害到大電網中的設備和檢修人員的人身安全，造成不可估量的損失。基于此，大電網對接入的微電網提出了兩個要求：一個是注入的大電網電能質量，另一個是對大電網的安全性。這就要求微電網系統具有快速、準確的孤島檢測能力，同時保證注入電網的電能質量滿足大電網的要求。因此，微網孤島檢測控制器對于微網的發展有著重要的意義。

1 光伏并網孤島檢測控制器的整體設計

孤島檢測控制器起到連接大電網和微網的作用，要求具有快速檢測和快速切斷脫離大電網的能力。因此，微網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，根據檢測的數據控制新能源的最大功率輸出，然后依據新能源的輸出功率情況控制并網的電流控制，同時根據交流側電壓和電流的檢測結果計算系統的頻率和有功功率，將有功功率的波動結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，同時使并網電流畸變較小。

整個控制器主要包括檢測和運算環節（如圖1所示）。開關Q5的控制實現光伏系統的最大功率點跟蹤和直流母線的電壓穩定，而開關Q1、開關Q2、開關Q3、開關Q4完成逆變器4個開關的合理控制，同時控制并網電流控制和孤島檢測方法的實現（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的開關控制信號，使得光伏逆變系統正確、高效、可靠運行。

2 光伏并網孤島檢測控制器的硬件設計

控制器必須具備強勁的運算能力和實時響應速度。其主要需要完成占空比擾動MPPT算法、并網電流幅值和波形的聯合PWM控制及孤島效應檢測算法等高速實時功能，同時預留通訊口與上位機完成數據交換的低速功能。微網孤島檢測控制器的硬件結構簡圖如圖3所示。

光伏并網系統的控制過程可歸納為：電壓信號采集，根據MPPT、并網電流控制和孤島檢測方案求取開關占空比，數字化PWM調制并與故障保護邏輯綜合輸出PWM信號等。其中，與控制器硬件設計密切相關的包括模擬量的采集、開關占空比的求取、數字化PWM調制、輸出PWM信號的故障保護邏輯綜合以及與PC的通訊接口。

3 光伏并網孤島檢測控制器的軟件設計

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，平時正常情況下產生的畸變大，會大大影響注入電網的電能質量，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，根據發生孤島現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，未發生孤島時采用較小的頻率偏移量，使注入電網的畸變較小，保持電網電能質量潔凈。具體的基于有功功率的主動頻移法流程圖如圖4所示。

當電網斷開時，有功功率的變化使頻率偏差增大，加速了頻率的偏移。在輸出頻率達到頻率保護閾值，檢測到孤島現象發生時，光伏系統停止工作。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 結語

光伏并網孤島檢測控制器包括軟硬件兩部分設計。本課題提出了整個控制系統的總體設計，圍繞光伏并網逆變器中孤島檢測功能的實現，對整個后級逆變環節的硬件電路（如驅動電路、采樣電路、電網頻率捕獲電路等）和整個系統的軟件進行了設計，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光伏并網孤島的快速、準確檢測。

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