多逆变器并网系统监测及孤岛保护方法

薛家祥，赖炜敏，郑照红，易春阳

（1.华南理工大学机械工程学院，广东 广州 510640；2.惠州学院电子信息与电气工程学院，广东 惠州 516007）

0 引 言

随着光伏并网逆变器被广泛地接入电网，多逆变器的并网状况监测也成为了研究的新方向。根据采用的通信方式不同，可以分为基于无线通信、基于总线通信和基于电力载波通信3种。其中基于电力载波的监控平台以其系统复杂性小、成本较低等特点适合于家庭中应用。但多台逆变器通过单点并网时，载波数据经过电力线传输，容易发生数据冲突从而导致通信出错[1]。

单台逆变器的孤岛检测技术已经比较成熟，但对于复数台并网逆变器系统，有研究指出传统应用的主动法会导致孤岛检测时间增加[2]，甚至孤岛检测失败，称为稀释效应[3]；也有研究分析了多逆变器采用相同的孤岛检测法稀释效应的情况以及减轻方法[4-5]，但这些方法都采用主动孤岛检测法，往往存在输出电流谐波率大、并网质量差等缺点。

针对上述多逆变器并网系统监测及孤岛检测问题，本文基于RISE3501电力载波芯片，设计了多逆变器监测平台的软、硬件和混合式孤岛检测方法。实验和仿真表明，该方法不仅解决了电力载波在多逆变器监测中会发生的数据冲突问题，而且降低了稀释作用在多逆变器并网系统孤岛检测中的影响。

1 系统设计

该系统由多个并网逆变器作为通信节点和一个集中器及电脑作为终端组成，系统的结构框图如图1所示。并网逆变器节点采用dsPIC33FJ16GS504作为主控芯片，该芯片具有完成光伏板的直流电压转换为交流电并入电网、电力载波通信和混合式孤岛检测法的功能。集中器由电力载波模块和STM32芯片以及MAX3232芯片构成，将载波信号通过电力载波模块解析后以I2C方式传输到STM32，STM32以串口通信方式再经过MAX3232电平转换芯片转化到RS232电平，从而进行通信。

图1 系统结构框图

2 多逆变器监测方法设计

2.1 多逆变器监测系统硬件设计

本文基于电力载波芯片RISE3501为控制核心，设计了逆变器节点和集中器通信电路的硬件结构。RISE3501内部嵌入了载波信号调制、解调模块、时钟模块等，具有抗干扰能力强、快速信道自适应、采样时钟自动纠正、快速自动增益控制等优点。本文中电力线数据的调制与解调，外部访问MAC层的处理以及数据链路层数据包的交换等，均由RISE3501芯片处理，只需设置好相应寄存器即可[6]。

图2、图3分别为逆变器节点和集中器的硬件结构，主要由载波发送电路、载波接收电路、信号耦合电路、信号调理电路等部分组成。

图2 微逆变器节点硬件结构

图3 集中器硬件结构

载波发送电路由放大电路和滤波电路组成，其作用是在保证信号不失真条件下，对信号进行放大。载波接收电路作用是只让载波信号通过，滤去其他频段的信号。基于载波接收电路设计的3阶带通滤波器选用中心频率为129kHz，衰减条件为3dB，占用带宽为6kHz。耦合电路作用是隔离市电信号而通过有用的高频载波信号。

信号调理电路主要包括：电网电压、电流调理电路，光伏输入电压、电流调理电路。电网电压采样使用DPC-10-90变压器，采集交流电压同时达到电网和采样电路的隔离。并网电流采样电路使用了ACS712霍尔效应电流传感器，输出灵敏度为185mV/A，满足测量范围。输入电压采样是直接通过精密电阻进行分压，再通过运算放大器处理，可测电压范围为0～50V，满足要求。输入电流采样使用的是B82801电流互感器，在测量电流同时能达到主电路和采样电路隔离的效果。

2.2 多逆变器监测系统软件设计

载波通信程序由逆变器节点的通信程序和集中器的通信程序组成，主要是保证主、从机之间通信正常。由于多逆变器通信时如果出现冲突，会导致整个监控系统错乱，除了RISE3501的EIA709.1网络协议外，本文还从软件上设计了基于数据包的通信程序。由于集中器和逆变器节点具有从属关系，所以设计了两种数据包：集中器数据包和逆变器节点数据包，分别如表1和表2所示。

表1 集中器数据包结构

表2 逆变器节点数据包结构

数据包的起始帧和结束帧保证了每个数据包完整性的校验，一旦发生某一帧缺失，或者由于通信问题导致数据包不完整，接收方会放弃该数据包，以防采集数据出错。每台逆变器都有其对应的ID，ID帧主要是识别作用，目的是使主机能与某台从机进行数据传输而不与其他从机发生数据冲突。

根据上述数据包，设计了逆变器节点和集中器的软件程序。逆变器节点程序是基于主控芯片dsPIC33FJ16GS504编写的，主要功能是对逆变器输入电压、电流、工作温度、并网电流进行采集，并与集中器通过I2C通信方式进行通信。程序流程如图4所示。

基于Visual Studio2010的MFC开发了集中器软件程序。其主要功能包括人机交互、数据采集及传输、逆变器数据显示、数据以Excel表格形式存储。其程序流程如图5所示。

图4 从机程序流程图

图5 主机程序流程图

3 多逆变器孤岛检测

3.1 现有孤岛检测方法在多逆变器系统的适用性

目前孤岛检测的方法可以分为主动孤岛检测法、被动孤岛检测法和远程孤岛检测法[7]。被动孤岛检测法是根据逆变器输出的公共连接点处电压的有效值或频率是否正常来进行判断，但由于其孤岛检测时间受公共连接点上负载性质的影响，有较大的不可检测区，所以不常应用[8]。远程孤岛检测法大多是采用电力载波的方法。但采用电力载波判断孤岛效应的标志是一段时间内接收不到载波信号，而载波信号在电力线路传播过程中常常受到各方面干扰会导致通信不可靠。

主动式孤岛检测法主要采用Sandia频率偏移（SFS）法，通过将并网电流控制为过零点带有偏移的正弦电流，如图6所示。其中斩波系数cf表达式为

式中：cf——无频率误差时的斩波系数；

K——频率的正反馈系数；

f——电流频率，Hz；

fg——电网频率，Hz。

当市电丢失，逆变器输出点电压由于电流的频率扰动而导致频率逐渐升高，当频率达到程序设定的保护值，就会触发孤岛保护[9]。但由于应用SFS法进行孤岛检测时，电流频率扰动会导致电流谐波率增加，并网质量下降。

稀释效应指多台逆变器并网工作时，由于同时采用主动扰动法，检测误差扰动方向相反，而导致孤岛检测时间过长的现象。另一种造成稀释效应原因是和负载及线路阻抗有关。以两台逆变器通过单点并网，均应用频率扰动法进行孤岛检测[10-11]。假设，并网系统的有功功率由两台逆变器平分输出，且所采用扰动法设定参数完全相同，则输出的电流分别为

由于两台逆变器检测频率点相同，即f1=f2=fpcc，则等效输出电流为

图6 SFS输出扰动电流波形图

由此推出逆变器输出电流的移频相位角为

3.2 自适应SFS算法

多逆变器并网系统孤岛检测的稀释效应主要是由于负向频率检测误差造成的，使孤岛检测盲区增大。由于初始斩波系数对扰动结果影响较大，可使该系数随着频率检测偏差大小做出相应改变。

通过检测公共并网点电压和各自并网电流相位差值φ，利用它重新计算初始斩波系数大小，保证并网电流相位与并网点电压相位之差为恒定值，使逆变器对电网始终输出带有频率扰动的并网电流，所以cf0

的自适应调整式为

Δθ——由负向频率检测误差折算的误差角[13]。

采用自适应SFS法，可以消除稀释效应对多台逆变器并网工作时孤岛检测的影响。但和一般SFS法相同，具有并网谐波率较大的缺点。

3.3 混合式孤岛检测法

通过对上述3种孤岛检测法优缺点的分析，本文结合了远程孤岛检测法和自适应SFS法的优点，设计了混合式孤岛检测法。在并网正常工作时采用远程孤岛检测法，通过接收载波信号来判断是否进入疑似孤岛状况。如果逆变器节点在两个电网周期（40ms）没接收到载波信号，将进入疑似孤岛状况。由于当本地负载的品质因数Qf＜5时，采用自适应SFS法能使公共点电压频率在0.3s内超过孤岛检测的阈值50.5Hz；所以设定当进入疑似孤岛状态时，每台逆变器将在0.3s内采用自适应SFS法，如果存在孤岛，并网公共点电压频率将会以较快的速度上升，频率偏移足够大时就会触发过频保护，从而实现孤岛检测。具体程序流程如图7所示。

此方法在逆变器正常工作时采用远程孤岛检测法，由于没有对并网电流加入频率扰动，所以降低了并网电流谐波率。而在疑似孤岛状况下采用自适应SFS法，既实现了较短的孤岛检测时间又减轻了稀释效应的影响[14]。

图7 混合式孤岛检测程序流程图

4 实验及仿真验证

4.1 多逆变器并网系统监测实验

搭建多逆变器并网平台后，运行上位机程序，对2台逆变器的并网状况进行监控。串口设置参数为：波特率9600bit/s，数据位1位，停止位1位，无奇偶校验。打开串口后，设置逆变器数目，上位机定时向逆变器节点发送数据采集请求。接收框显示了上位机接收到的数据，经过处理后，显示在对应的编辑框内，运行结果如图8所示。

图8 上位机运行图

数据经过处理后保存在Excel中，并与实际用示波器测得的数值对比，二者基本一致，证明监测平台能准确监测多台逆变器并网状况。

4.2 混合式孤岛检测实验

采用Matlab/Simulink搭建多逆变器并网系统，输入采用400V直流电源，经过全桥电路逆变到电网。两台并网逆变器都采用电流控制的方法，输出电流幅值均为10A，公共点上本地负载品质因数Qf=2.5，额定功率为4.4kW。两台逆变器都采用自适应SFS法作为孤岛检测。电网与公共点间串联了一个断路器，它由定时器控制，在0.04 s时断开。

图9 SFS法孤岛检测波形图

图10 SFS法并网电流谐波分析

图9为两台逆变器均采用SFS法进行孤岛检测的实验结果。可见，电网在0.04 s时断开，孤岛保护时间为516ms。逆变器正常工作时，对并网电流波形进行谐波分析，如图10所示。并网电流谐波率为10.99%。

采用相同的参数，两台逆变器都应用混合式孤岛检测法，当两个电网周期内（40ms）没接收到载波信号，即采用自适应SFS法，得出波形图如图11所示。可以看出，当逆变器正常工作时，并网电流谐波失真比较小，孤岛保护时间为340ms。对并网电流波形进行谐波分析，结果如图12所示。并网电流谐波率为5.40%。

经比较证明，在两台或多台逆变器组成的并网系统中，当负载的品质因数一定，混合式孤岛检测法比SFS法孤岛保护时间更短，电流谐波率更小。说明混合式孤岛检测法既提高了并网质量，又能有效降低稀释效应的影响，适用于多逆变器并网系统的孤岛检测。

图11 混合式孤岛检测波形图

图12 混合式孤岛检测法并网谐波分析

5 结束语

针对多逆变器并网系统的通信冲突和频率扰动法造成的稀释效应问题，基于电力载波设计了一种适用于多逆变器并网系统的监测及混合式孤岛检测法。仿真和实验结果表明，该方法能实时对多台逆变器工作状况同时进行监控，且设计的混合式孤岛检测方法并网谐波率和孤岛检测时间均优于传统SFS法。

[1]俞侃，雍静，梁世斌，等.电力线信号技术的改进分布式发电系统孤岛检测方法[J].中国电机工程学报，2015，35（13）：3283-3291.

[2]BHANDARI R，GONZALEZ S，ROPP M E.Investigation of two anti-islanding methods in the multi-inverter case[C]∥2008 IEEE Power and Energy Society General Meeting.IEEE，2008.

[3]FAQHRULDIN O N，EL-SAADANY E F，ZEINELDIN H H.Islanding detection for multi DG system using inverterbased DGs[C]∥2013 IEEE Power and Energy Society General Meeting.IEEE，2013.

[4]雷鸣宇，杨子龙，王一波，等.适用于并网逆变器集群系统孤岛检测的改进滑模频率漂移法[J].电网技术，2014，38（12）：3271-3278.

[5]SCHUTZ D，ROPP M.Simulation and experimental study of multi-inverter islanding[C]∥2011 IEEE Power and Energy Society General Meeting.IEEE，2011.

[6]张同兴.基于PLC的光伏逆变器监控系统设计[D].上海：华东大学，2013.

[7]胡克用，胥芳，艾青林，等.多逆变器光伏发电网络群控策略及实现方法[J].南京大学学报（自然科学版），2016，52（2）：398-408.

[8]刘宁.分布式发电系统的被动式孤岛检测方法研究[D].合肥：合肥工业大学，2016.

[9]ZHANG J，XU D H，SHEN G Q，et al.An improved islanding detection method for a grid-connected inverter with intermittentbilateralreactive powervariation[J].Power Electronics IEEE Transactions，2012，28（1）：268-278.

[10]刘方锐，段善旭，康永，等.多机光伏并网逆变器的孤岛检测技术[J].电工技术学报，2010，25（1）：167-171.

[11]陈增禄，王宁，孟新新，等.低频相位扰动法在多机并联系统中的孤岛检测研究[J].电子测量技术，2015，38（4）：105-108.

[12]谢东，张兴.主动移频式孤岛检测法产生稀释效应机理的分析 [J].电力系统保护与控制，2013，41（4）：84-90.

[13]谢东，张兴，曹仁贤.参数自适应SFS算法多逆变器并网孤岛检测技术[J].电力系统自动化，2014，38（21）：89-95.

[14]孙振奥，杨子龙，王一波，等.适用于分布式多逆变器系统的混合孤岛检测法[J].中国电机工程学报，2016，36（13）：3590-3597.