閻天仕 任國臣

（遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

1 引言

光伏能源是21世紀(jì)最具有發(fā)展?jié)摿Φ哪茉粗?。它具有環(huán)保、節(jié)能、零污染、零排放等眾多優(yōu)點(diǎn)。光伏系統(tǒng)發(fā)出的直流電既可以通過蓄電池進(jìn)行存儲，也可以經(jīng)過逆變器變?yōu)榻涣麟姖M足日常生活用電的需要。由光伏電源通過逆變器輸出交流電，可以帶動(dòng)區(qū)域性負(fù)載進(jìn)行工作，這樣就大大緩解了電網(wǎng)過載運(yùn)行的壓力。并且其富余的電力還可以傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，對電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行必要的補(bǔ)充。

但是在光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)過程中，有一個(gè)不可忽視的問題，那就是孤島效應(yīng)。何為孤島效應(yīng)，根據(jù)美國國家實(shí)驗(yàn)室（Sandia）指出，當(dāng)電力公司的供電，因故障事故或停電維修而跳閘時(shí)，用戶端的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能及時(shí)檢測出停電狀態(tài)而將自身切離電網(wǎng)，而形成由光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負(fù)載組成的一個(gè)電力公司無法掌握的自給供電系統(tǒng)。事實(shí)上，所有的分布式發(fā)電系統(tǒng)都會存在這樣的問題。顯而易見，這種情況的危害是十分大的，是分布式發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中的用戶所不愿看到的。這就需要一套先進(jìn)科學(xué)的檢測方法，能夠迅速及時(shí)的把孤島效應(yīng)檢測出來。就目前的發(fā)展情況看，被動(dòng)式的檢測方法由于其檢測盲區(qū)（NDZ）大，并沒被廣泛應(yīng)用。主動(dòng)檢測方法中的主動(dòng)頻率偏移法，因其檢測時(shí)間短，盲區(qū)小，對電能質(zhì)量干擾少等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛的應(yīng)用到孤島的檢測之中。主動(dòng)頻率偏移方法的實(shí)現(xiàn)手段有很多種，其CPU控制器部分就包括基于單片機(jī)，ARM，DSP等微控制器發(fā)出偏移指令信號，對逆變器端的頻率進(jìn)行偏移。本文選用ARM做為控制器，選取固定的偏差范圍，通過計(jì)算得出其調(diào)整頻偏的可行性。

2 孤島效應(yīng)的危害

在一套完備的電網(wǎng)系統(tǒng)中，必要的電流，電壓，頻率，過熱，短路等保護(hù)是應(yīng)該具備的。

如圖1所示，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的電，在滿足供應(yīng)本地重要負(fù)載1或2之后有盈余或欠缺，這時(shí)它將向電網(wǎng)上其余的重要負(fù)載3饋送多余的電量或者是電網(wǎng)發(fā)出一部分電量給重要負(fù)載1或2?？上攵?，這時(shí)如果電網(wǎng)因故障或檢修而瞬間跳閘時(shí)，每一個(gè)分布式的光伏系統(tǒng)將會成為一個(gè)自給自足的小系統(tǒng)。

當(dāng)本地負(fù)載與光伏系統(tǒng)發(fā)出的功率不匹配時(shí)，光伏系統(tǒng)發(fā)出的電量滿足不了本地負(fù)載的需求或者超出負(fù)載的額定功率，這時(shí)線路上的保護(hù)裝置就會動(dòng)作，我們可通過設(shè)在線路上的電壓、頻率保護(hù)裝置使光伏系統(tǒng)停止工作。

但如果是本地負(fù)載與光伏系統(tǒng)發(fā)出的功率正好匹配時(shí)，電壓、頻率檢測裝置將會失效，從而產(chǎn)生孤島效應(yīng)。

圖1 光伏裝置并網(wǎng)原理框圖

孤島效應(yīng)對設(shè)備和人員安全存在重大隱患，主要體現(xiàn)在：

（1）如果是非三相運(yùn)行、有較大的諧波含量以及頻率不穩(wěn)時(shí)，都將使孤島現(xiàn)象擴(kuò)大。

（2）孤島的電壓相量會相對于主網(wǎng)產(chǎn)生漂移，當(dāng)電網(wǎng)快速恢復(fù)時(shí)，這可能會干擾重合閘。

（3）當(dāng)因電網(wǎng)故障造成停電時(shí)，若并網(wǎng)逆變器仍工作，一旦電網(wǎng)回復(fù)供電，電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)逆變器的輸出電壓在相位上可能有較大差異，會在瞬間產(chǎn)生很大的沖擊電流，從而損壞設(shè)備。

（4）當(dāng)檢修人員停止電網(wǎng)的供電，并對電力系統(tǒng)線路和設(shè)備進(jìn)行檢修時(shí)，如果并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)仍繼續(xù)供電，可造成人員傷亡事故。

（5）可能出現(xiàn)由單相并網(wǎng)系統(tǒng)供電給三相負(fù)載的情況，會造成三相負(fù)載的缺相運(yùn)行，造成危害。

3 主動(dòng)頻偏方法的實(shí)現(xiàn)

3.1 主動(dòng)頻偏原理

為了杜絕孤島效應(yīng)造成的危害，可以采用對光伏系統(tǒng)經(jīng)過逆變器輸出的電壓頻率施加擾動(dòng)進(jìn)行偏移的方法來檢測孤島效應(yīng)的發(fā)生。當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，由于其鉗位作用，偏移的頻率會維持在誤差所允許的范圍內(nèi)；但當(dāng)電網(wǎng)斷開時(shí)，失去了電網(wǎng)的制約，頻率的波動(dòng)值會超過過頻保護(hù)的設(shè)定值從而使光伏系統(tǒng)跳閘與負(fù)載斷開。以上就是主動(dòng)頻偏法檢測孤島效應(yīng)發(fā)生的基本原理。

在傳統(tǒng)的對并網(wǎng)逆變器端施加擾動(dòng)偏移時(shí)，應(yīng)該考慮其偏移程度不能在49.5～50.5Hz范圍之內(nèi)，否則頻率保護(hù)將認(rèn)為這是電網(wǎng)正常的誤差范圍，從而不動(dòng)作使孤島檢測失效；如果對頻率偏移過大（假設(shè)超過5Hz），電網(wǎng)并沒有因?yàn)橥ｋ姽收隙l，將會對電網(wǎng)的頻率產(chǎn)生沖擊，從而使逆變器端電壓與電網(wǎng)電壓不同步，降低電能的質(zhì)量，破壞電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。所以，傳統(tǒng)頻率偏移方法檢測孤島的局限性還是存在的。

基于ARM的主動(dòng)頻率偏移檢測法在傳統(tǒng)的檢測方法基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，利用ARM調(diào)整頻率的精度高的特性，對PWM輸出的波形進(jìn)行調(diào)制?？梢栽陔娋W(wǎng)正常的波動(dòng)范圍內(nèi)，把對電網(wǎng)電能干擾減到最小的情況下，來檢測孤島的發(fā)生。

3.2 PWM波的輸出

對頻率偏移的實(shí)現(xiàn)是通過SPWM脈沖寬度調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的，而其中的核心構(gòu)件是由ARM微控制器發(fā)出偏移指令，從而對頻率進(jìn)行偏移。

ARM 7TDM I-S是通用的32位微處理器，它具有高性能和低功耗的特性。LPC2106帶有一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM 7TDM I-S CPU，并嵌入了128KB高速Flash存儲器。

ARM的7個(gè)匹配寄存器，可實(shí)現(xiàn)6個(gè)單邊沿控制或3個(gè)雙邊沿控制PWM輸出，本文采用單邊沿輸出。 單邊沿控制PWM輸出在每個(gè)周期開始時(shí)總是為高電平，除非輸出保持恒定低電平。

LPC2106只將其PWM功能輸出到引腳。定時(shí)器對外設(shè)始終進(jìn)行計(jì)數(shù)，可選擇產(chǎn)生中斷或基于7個(gè)匹配寄存器，在到達(dá)指定的定時(shí)值執(zhí)行其他動(dòng)作。

2個(gè)匹配寄存器可用于提供單邊沿控制的PWM輸出。匹配寄存器MR0通過匹配時(shí)重新設(shè)置計(jì)數(shù)值來控制PWM周期率。其他的匹配寄存器控制PWM邊沿的位置。每個(gè)額外的單邊沿控制PWM邊沿的位置。每個(gè)額外的邊沿控制PWM輸出只需要一個(gè)匹配寄存器，因?yàn)樗蠵WM 輸出的重復(fù)速率是相同的。多個(gè)單邊沿控制PWM輸出在每個(gè)PWM周期的開始，當(dāng)MR0發(fā)生匹配時(shí)，都有一個(gè)上升沿。

單邊沿控制的PWM輸出規(guī)則：

（1）所有單邊沿控制的PWM輸出在PWM周期開始時(shí)都為高電平，除非他們的匹配值等于0。

（2）每個(gè)PWM輸出在到達(dá)其匹配值時(shí)都會變?yōu)榈碗娖?。如果沒有發(fā)生匹配（即匹配值大于PWM速率），PWM將一直保持高電平。

如圖2所示，設(shè)置PWM 1為單邊沿控制的PWM輸出，PWM周期由匹配寄存器0控制。當(dāng)匹配寄存器0匹配時(shí)，PWM 1輸出高電平，PWM占空比由匹配寄存器1控制；當(dāng)匹配寄存器1匹配時(shí)PWM 1輸出低電平。其程序流程圖如圖3。

圖2 生成PWM示意圖

圖3 生成PWM程序流程圖

PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻。現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是PWM型逆變電路。

由于電網(wǎng)的波形趨近于正弦波形式，所以采用PWM脈沖信號輸出時(shí)會產(chǎn)生較大的誤差。所以應(yīng)選擇用多個(gè)PWM波來代替正弦波對電網(wǎng)輸出的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用SPWM技術(shù)理論上可以不產(chǎn)生低次諧波，所含的組要諧波的頻率要比幾波頻率高得多，是很容易濾除的。載波頻率越高，SPWM波形中諧波頻率就越高，所需濾波器的體積就越小。另外，一般的濾波器都有一定的帶寬，如按載波頻率設(shè)計(jì)濾波器，載波附近的諧波也可濾除。如濾波器設(shè)計(jì)為高通濾波器，且按載波頻率cω來設(shè)計(jì)，那么角頻率為2cω，3cω等及其附近的諧波也就同時(shí)被濾除了。

正是由于SPWM技術(shù)具有良好的去低次諧波性，大大減小了調(diào)整頻偏時(shí)產(chǎn)生的誤差，提高了調(diào)整的精度。

把圖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個(gè)彼此相連的脈沖序列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于π/N，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，就得到圖4（b）所示的脈沖序列。這就是PWM波形?？梢钥闯觯髅}沖的幅值相等，而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（Sinusoidal PWM）波形。

圖4 用PWM波代替正弦半波

3.3 頻偏調(diào)整范圍的分析

IEEE Std 1547-2003規(guī)定了60Hz系統(tǒng)適用的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，對于中國50Hz交流系統(tǒng)來說，換算后的系統(tǒng)正常頻率工作范圍是49.5～50.5Hz。由此規(guī)定，可以得出，當(dāng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)公共耦合點(diǎn)處的頻率超出500.5Hz時(shí)，即視為發(fā)生了孤島效應(yīng)，應(yīng)立即切斷逆變器與電網(wǎng)的聯(lián)系。

ARM 7TDM I核通過使用三級流水線和大量使用內(nèi)部寄存器來提高指令流的執(zhí)行速度，其調(diào)整波形的精度是非常高的。這就可以使我們利用其精度高的優(yōu)點(diǎn)，把偏差的范圍控制在電網(wǎng)頻率偏差允許的范圍之內(nèi)，從而減小了對電網(wǎng)電能的不必要的擾動(dòng)。例如選取電網(wǎng)頻率偏差范圍的上下限制值0.5Hz，相對于50Hz頻率的偏差范圍為1%。

本文選取的ARM 7TDM I-S系統(tǒng)的CPU型號為LPC2106，它的晶體振蕩器的頻率Fosc為11.0592MHz，而ARM系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率為Fcclk，本系統(tǒng)連接PLL（鎖相環(huán)）后，輸入頻率通過一個(gè)電流控制振蕩器（CCO）倍增到范圍10～60MHz，由于CPU最高頻率的限制，LPC2106的倍頻值不能高于6，且規(guī)定Fcclk＜60MHz。為了提高計(jì)算的精度選擇倍頻M=4，則ARM系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率Fcclk=Fosc×M= 11.0592×4=44.2368MHz。而ARM 7TDM I-S的CPU LPC2106能提供0. 9M IPS/MHz的指令執(zhí)行速度，則指令周期為1/(0.9×44.2368)=0.02512μs，約為25ns。由于輸出分頻器的最小值為2，即P=2。它保證了PLL輸出有50%的占空比。由此可以得出Fcco= Fcclk×2×P=44.2368×2×2=176.9472MHz，在CCO的操作頻率范圍內(nèi)。VPB分頻器采用復(fù)位默認(rèn)值，即Fpclk=Fcclk/4=44.2368/4=11.0592MHz。

在計(jì)算時(shí)，如圖4把正弦半波7等分，則每份的周期為T=0.01/7=1.4ms。每等分對應(yīng)的脈沖個(gè)數(shù)為N=1.4×10-3/25×10-9=56000，56000×1%=560，其對應(yīng)的頻率偏移量為0.5Hz，即調(diào)整560個(gè)脈沖寬度，可以使頻率偏移0.5Hz。又因?yàn)轭l率與周期是反比的關(guān)系，所以要想調(diào)成49.5Hz應(yīng)該加上560個(gè)脈沖信號。同理，要想調(diào)成50.5Hz應(yīng)該減去560個(gè)脈沖信號。

由計(jì)算可知，在設(shè)計(jì)ARM系統(tǒng)控制策略時(shí)，可先令其發(fā)出56560個(gè)脈沖信號。此時(shí)電網(wǎng)頻率偏移到49.5Hz；再發(fā)出55440個(gè)脈沖信號，此時(shí)電網(wǎng)頻率偏移到50.5Hz。通過觀察安裝在逆變器端的頻率檢測裝置，會出現(xiàn)以下兩種情況中的一種：

（1）如果檢測到的頻率變化范圍和調(diào)整頻偏的變化范圍相同，都是從49.5Hz變?yōu)?0.5Hz，則表示電網(wǎng)失去鉗位作用，已經(jīng)斷電，發(fā)生了孤島效應(yīng)，應(yīng)立即跳閘。

（2）如果檢測到的頻率為50Hz,未出現(xiàn)明顯波動(dòng)，則表明電網(wǎng)正常工作，保護(hù)裝置無需動(dòng)作。

4 結(jié)論

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中增加孤島檢測是必不可少的環(huán)節(jié)。在主動(dòng)頻率偏移檢測方法中，利用基于ARM系統(tǒng)的脈寬調(diào)制器（PWM）代替正弦波對逆變器輸出的頻率進(jìn)行偏移，來起到檢測孤島發(fā)生的作用。通過驗(yàn)證我們可以得出，使用基于ARM系統(tǒng)產(chǎn)生的SPWM波形來調(diào)整頻偏，可以在電網(wǎng)波動(dòng)值的正常范圍內(nèi)進(jìn)行，從而大大減小了對電能質(zhì)量的干擾，具有快速、準(zhǔn)確，無檢測盲區(qū)等優(yōu)點(diǎn)。

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