基于ARM的主动频率偏移孤岛检测法的实现

阎天仕 任国臣

（辽宁工业大学电气工程学院，辽宁 锦州 121000）

1 引言

光伏能源是21世纪最具有发展潜力的能源之一。它具有环保、节能、零污染、零排放等众多优点。光伏系统发出的直流电既可以通过蓄电池进行存储，也可以经过逆变器变为交流电满足日常生活用电的需要。由光伏电源通过逆变器输出交流电，可以带动区域性负载进行工作，这样就大大缓解了电网过载运行的压力。并且其富余的电力还可以传输到电网，对电网负荷进行必要的补充。

但是在光伏发电系统并网过程中，有一个不可忽视的问题，那就是孤岛效应。何为孤岛效应，根据美国国家实验室（Sandia）指出，当电力公司的供电，因故障事故或停电维修而跳闸时，用户端的光伏并网发电系统未能及时检测出停电状态而将自身切离电网，而形成由光伏并网发电系统和周围的负载组成的一个电力公司无法掌握的自给供电系统。事实上，所有的分布式发电系统都会存在这样的问题。显而易见，这种情况的危害是十分大的，是分布式发电系统当中的用户所不愿看到的。这就需要一套先进科学的检测方法，能够迅速及时的把孤岛效应检测出来。就目前的发展情况看，被动式的检测方法由于其检测盲区（NDZ）大，并没被广泛应用。主动检测方法中的主动频率偏移法，因其检测时间短，盲区小，对电能质量干扰少等优点，目前被广泛的应用到孤岛的检测之中。主动频率偏移方法的实现手段有很多种，其CPU控制器部分就包括基于单片机，ARM，DSP等微控制器发出偏移指令信号，对逆变器端的频率进行偏移。本文选用ARM做为控制器，选取固定的偏差范围，通过计算得出其调整频偏的可行性。

2 孤岛效应的危害

在一套完备的电网系统中，必要的电流，电压，频率，过热，短路等保护是应该具备的。

如图1所示，当光伏发电系统所发出的电，在满足供应本地重要负载1或2之后有盈余或欠缺，这时它将向电网上其余的重要负载3馈送多余的电量或者是电网发出一部分电量给重要负载1或2。可想而知，这时如果电网因故障或检修而瞬间跳闸时，每一个分布式的光伏系统将会成为一个自给自足的小系统。

当本地负载与光伏系统发出的功率不匹配时，光伏系统发出的电量满足不了本地负载的需求或者超出负载的额定功率，这时线路上的保护装置就会动作，我们可通过设在线路上的电压、频率保护装置使光伏系统停止工作。

但如果是本地负载与光伏系统发出的功率正好匹配时，电压、频率检测装置将会失效，从而产生孤岛效应。

图1 光伏装置并网原理框图

孤岛效应对设备和人员安全存在重大隐患，主要体现在：

（1）如果是非三相运行、有较大的谐波含量以及频率不稳时，都将使孤岛现象扩大。

（2）孤岛的电压相量会相对于主网产生漂移，当电网快速恢复时，这可能会干扰重合闸。

（3）当因电网故障造成停电时，若并网逆变器仍工作，一旦电网回复供电，电网电压、并网逆变器的输出电压在相位上可能有较大差异，会在瞬间产生很大的冲击电流，从而损坏设备。

（4）当检修人员停止电网的供电，并对电力系统线路和设备进行检修时，如果并网太阳能发电系统仍继续供电，可造成人员伤亡事故。

（5）可能出现由单相并网系统供电给三相负载的情况，会造成三相负载的缺相运行，造成危害。

3 主动频偏方法的实现

3.1 主动频偏原理

为了杜绝孤岛效应造成的危害，可以采用对光伏系统经过逆变器输出的电压频率施加扰动进行偏移的方法来检测孤岛效应的发生。当电网正常运行时，由于其钳位作用，偏移的频率会维持在误差所允许的范围内；但当电网断开时，失去了电网的制约，频率的波动值会超过过频保护的设定值从而使光伏系统跳闸与负载断开。以上就是主动频偏法检测孤岛效应发生的基本原理。

在传统的对并网逆变器端施加扰动偏移时，应该考虑其偏移程度不能在49.5～50.5Hz范围之内，否则频率保护将认为这是电网正常的误差范围，从而不动作使孤岛检测失效；如果对频率偏移过大（假设超过5Hz），电网并没有因为停电故障而跳闸，将会对电网的频率产生冲击，从而使逆变器端电压与电网电压不同步，降低电能的质量，破坏电网运行的稳定性。所以，传统频率偏移方法检测孤岛的局限性还是存在的。

基于ARM的主动频率偏移检测法在传统的检测方法基础上进行了改进，利用ARM调整频率的精度高的特性，对PWM输出的波形进行调制。可以在电网正常的波动范围内，把对电网电能干扰减到最小的情况下，来检测孤岛的发生。

3.2 PWM波的输出

对频率偏移的实现是通过SPWM脉冲宽度调制来实现的，而其中的核心构件是由ARM微控制器发出偏移指令，从而对频率进行偏移。

ARM 7TDM I-S是通用的32位微处理器，它具有高性能和低功耗的特性。LPC2106带有一个支持实时仿真和跟踪的ARM 7TDM I-S CPU，并嵌入了128KB高速Flash存储器。

ARM的7个匹配寄存器，可实现6个单边沿控制或3个双边沿控制PWM输出，本文采用单边沿输出。 单边沿控制PWM输出在每个周期开始时总是为高电平，除非输出保持恒定低电平。

LPC2106只将其PWM功能输出到引脚。定时器对外设始终进行计数，可选择产生中断或基于7个匹配寄存器，在到达指定的定时值执行其他动作。

2个匹配寄存器可用于提供单边沿控制的PWM输出。匹配寄存器MR0通过匹配时重新设置计数值来控制PWM周期率。其他的匹配寄存器控制PWM边沿的位置。每个额外的单边沿控制PWM边沿的位置。每个额外的边沿控制PWM输出只需要一个匹配寄存器，因为所有PWM 输出的重复速率是相同的。多个单边沿控制PWM输出在每个PWM周期的开始，当MR0发生匹配时，都有一个上升沿。

单边沿控制的PWM输出规则：

（1）所有单边沿控制的PWM输出在PWM周期开始时都为高电平，除非他们的匹配值等于0。

（2）每个PWM输出在到达其匹配值时都会变为低电平。如果没有发生匹配（即匹配值大于PWM速率），PWM将一直保持高电平。

如图2所示，设置PWM 1为单边沿控制的PWM输出，PWM周期由匹配寄存器0控制。当匹配寄存器0匹配时，PWM 1输出高电平，PWM占空比由匹配寄存器1控制；当匹配寄存器1匹配时PWM 1输出低电平。其程序流程图如图3。

图2 生成PWM示意图

图3 生成PWM程序流程图

PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。

由于电网的波形趋近于正弦波形式，所以采用PWM脉冲信号输出时会产生较大的误差。所以应选择用多个PWM波来代替正弦波对电网输出的频率进行调节。采用SPWM技术理论上可以不产生低次谐波，所含的组要谐波的频率要比几波频率高得多，是很容易滤除的。载波频率越高，SPWM波形中谐波频率就越高，所需滤波器的体积就越小。另外，一般的滤波器都有一定的带宽，如按载波频率设计滤波器，载波附近的谐波也可滤除。如滤波器设计为高通滤波器，且按载波频率cω来设计，那么角频率为2cω，3cω等及其附近的谐波也就同时被滤除了。

正是由于SPWM技术具有良好的去低次谐波性，大大减小了调整频偏时产生的误差，提高了调整的精度。

把图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个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到图4（b）所示的脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形。

图4 用PWM波代替正弦半波

3.3 频偏调整范围的分析

IEEE Std 1547-2003规定了60Hz系统适用的光伏系统并网标准。根据此标准，对于中国50Hz交流系统来说，换算后的系统正常频率工作范围是49.5～50.5Hz。由此规定，可以得出，当光伏并网系统公共耦合点处的频率超出500.5Hz时，即视为发生了孤岛效应，应立即切断逆变器与电网的联系。

ARM 7TDM I核通过使用三级流水线和大量使用内部寄存器来提高指令流的执行速度，其调整波形的精度是非常高的。这就可以使我们利用其精度高的优点，把偏差的范围控制在电网频率偏差允许的范围之内，从而减小了对电网电能的不必要的扰动。例如选取电网频率偏差范围的上下限制值0.5Hz，相对于50Hz频率的偏差范围为1%。

本文选取的ARM 7TDM I-S系统的CPU型号为LPC2106，它的晶体振荡器的频率Fosc为11.0592MHz，而ARM系统的时钟频率为Fcclk，本系统连接PLL（锁相环）后，输入频率通过一个电流控制振荡器（CCO）倍增到范围10～60MHz，由于CPU最高频率的限制，LPC2106的倍频值不能高于6，且规定Fcclk＜60MHz。为了提高计算的精度选择倍频M=4，则ARM系统的时钟频率Fcclk=Fosc×M= 11.0592×4=44.2368MHz。而ARM 7TDM I-S的CPU LPC2106能提供0. 9M IPS/MHz的指令执行速度，则指令周期为1/(0.9×44.2368)=0.02512µs，约为25ns。由于输出分频器的最小值为2，即P=2。它保证了PLL输出有50%的占空比。由此可以得出Fcco= Fcclk×2×P=44.2368×2×2=176.9472MHz，在CCO的操作频率范围内。VPB分频器采用复位默认值，即Fpclk=Fcclk/4=44.2368/4=11.0592MHz。

在计算时，如图4把正弦半波7等分，则每份的周期为T=0.01/7=1.4ms。每等分对应的脉冲个数为N=1.4×10-3/25×10-9=56000，56000×1%=560，其对应的频率偏移量为0.5Hz，即调整560个脉冲宽度，可以使频率偏移0.5Hz。又因为频率与周期是反比的关系，所以要想调成49.5Hz应该加上560个脉冲信号。同理，要想调成50.5Hz应该减去560个脉冲信号。

由计算可知，在设计ARM系统控制策略时，可先令其发出56560个脉冲信号。此时电网频率偏移到49.5Hz；再发出55440个脉冲信号，此时电网频率偏移到50.5Hz。通过观察安装在逆变器端的频率检测装置，会出现以下两种情况中的一种：

（1）如果检测到的频率变化范围和调整频偏的变化范围相同，都是从49.5Hz变为50.5Hz，则表示电网失去钳位作用，已经断电，发生了孤岛效应，应立即跳闸。

（2）如果检测到的频率为50Hz,未出现明显波动，则表明电网正常工作，保护装置无需动作。

4 结论

光伏并网系统中增加孤岛检测是必不可少的环节。在主动频率偏移检测方法中，利用基于ARM系统的脉宽调制器（PWM）代替正弦波对逆变器输出的频率进行偏移，来起到检测孤岛发生的作用。通过验证我们可以得出，使用基于ARM系统产生的SPWM波形来调整频偏，可以在电网波动值的正常范围内进行，从而大大减小了对电能质量的干扰，具有快速、准确，无检测盲区等优点。

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[3] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2008:149-151.

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