光伏并网孤岛检测控制器的软硬件设计

于力+纪贺天+王祥宇+孙宇+唐奇

摘要：鉴于光伏并网系统一旦孤岛现象发生，且没有及时切除并网的光伏系统，可能会导致设备损坏和威胁人身安全，因此孤岛检测要求快速、准确，并要考虑到电能质量。提出一种孤岛检测控制器的软硬件设计方法，利用该设计思想可以实现光伏并網孤岛的快速检测。

关键词：光伏并网；孤岛；检测；控制器；电能质量

中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）12-0038-03

风力发电和光伏发电等新型可再生能源微网系统是将发电机、新型能源、负荷、储能装置及控制装置等系统地结合在一起，形成一个单一可控的单元，同时向用户和电网供给电能。然而微电网在为大电网提供补充和支撑的同时，对于大电网也存在一定的隐患。例如：注入大电网的谐波含量和电流畸变不能超过限制，不能对大电网中其他设备造成影响和损坏；另外，当大电网由于故障或者检修造成停电，此时如果微电网继续为大电网供电，将危害到大电网中的设备和检修人员的人身安全，造成不可估量的损失。基于此，大电网对接入的微电网提出了两个要求：一个是注入的大电网电能质量，另一个是对大电网的安全性。这就要求微电网系统具有快速、准确的孤岛检测能力，同时保证注入电网的电能质量满足大电网的要求。因此，微网孤岛检测控制器对于微网的发展有着重要的意义。

1 光伏并网孤岛检测控制器的整体设计

孤岛检测控制器起到连接大电网和微网的作用，要求具有快速检测和快速切断脱离大电网的能力。因此，微网孤岛检测控制器在整体上有直流电压和电流、交流电压和电流及其直流母线电压的检测功能，根据检测的数据控制新能源的最大功率输出，然后依据新能源的输出功率情况控制并网的电流控制，同时根据交流侧电压和电流的检测结果计算系统的频率和有功功率，将有功功率的波动结果引入正反馈的主动频移法孤岛检测方法中，使孤岛检测的速度得到提高，同时使并网电流畸变较小。

整个控制器主要包括检测和运算环节（如图1所示）。开关Q5的控制实现光伏系统的最大功率点跟踪和直流母线的电压稳定，而开关Q1、开关Q2、开关Q3、开关Q4完成逆变器4个开关的合理控制，同时控制并网电流控制和孤岛检测方法的实现（如图2所示）。控制的最终目的是要通过一定的运算处理得到适当的开关控制信号，使得光伏逆变系统正确、高效、可靠运行。

2 光伏并网孤岛检测控制器的硬件设计

控制器必须具备强劲的运算能力和实时响应速度。其主要需要完成占空比扰动MPPT算法、并网电流幅值和波形的联合PWM控制及孤岛效应检测算法等高速实时功能，同时预留通讯口与上位机完成数据交换的低速功能。微网孤岛检测控制器的硬件结构简图如图3所示。

光伏并网系统的控制过程可归纳为：电压信号采集，根据MPPT、并网电流控制和孤岛检测方案求取开关占空比，数字化PWM调制并与故障保护逻辑综合输出PWM信号等。其中，与控制器硬件设计密切相关的包括模拟量的采集、开关占空比的求取、数字化PWM调制、输出PWM信号的故障保护逻辑综合以及与PC的通讯接口。

3 光伏并网孤岛检测控制器的软件设计

基于有功变化的主动频移孤岛检测方法，采用正反馈主动频移法为主要理论思想。而在孤岛检测中，需要解决两个问题：一是电网电流频率的采样与跟踪，此处要求检测的速度和精度；二是频率偏移量的选取，偏移量取值大，平时正常情况下产生的畸变大，会大大影响注入电网的电能质量，而频移量取值小，频率偏出频率限值的速度慢，会造成检测能力下降。因此，为了更好地选择合适的偏移量，采用有功功率变化的主动频移孤岛检测方法，根据发生孤岛现象时往往伴随着公共端处有功功率变化的实际情况，将有功功率的变化情况引入到频率的偏移量中来，增加频移的偏移量速度，缩短孤岛检测的时间。同时，未发生孤岛时采用较小的频率偏移量，使注入电网的畸变较小，保持电网电能质量洁净。具体的基于有功功率的主动频移法流程图如图4所示。

当电网断开时，有功功率的变化使频率偏差增大，加速了频率的偏移。在输出频率达到频率保护阈值，检测到孤岛现象发生时，光伏系统停止工作。与正反馈主动频移孤岛检测方法相比，该方法检测到孤岛所用的时间缩短了，且与正常运行时相比输出电流波形畸变的变化不大。

4 结语

光伏并网孤岛检测控制器包括软硬件两部分设计。本课题提出了整个控制系统的总体设计，围绕光伏并网逆变器中孤岛检测功能的实现，对整个后级逆变环节的硬件电路（如驱动电路、采样电路、电网频率捕获电路等）和整个系统的软件进行了设计，并给出了基于有功变化的主动频移孤岛检测程序的流程图。利用该控制器可以实现光伏并网孤岛的快速、准确检测。

参考文献

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