陳曉，孫以澤，徐洋，孟婥

（1.安陽工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 安陽 455000；2.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

1 引言

隨著全球范圍內(nèi)能源危機(jī)的進(jìn)一步加劇和光伏系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電成本的持續(xù)降低，光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。為了實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的可靠并聯(lián)運(yùn)行，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)需具備2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：1）同步鎖相技術(shù)，即實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)電壓的相位和頻率，使系統(tǒng)輸出與電網(wǎng)保持同步［1］；2）孤島檢測技術(shù)，即系統(tǒng)具備在電網(wǎng)失壓時(shí)，能及時(shí)準(zhǔn)確與電網(wǎng)斷開的能力［2］。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)通常采用電流控制方式，系統(tǒng)輸出總是跟蹤基準(zhǔn)正弦指令電流信號。保證基準(zhǔn)正弦信號與電網(wǎng)電壓信號同步，便可達(dá)到輸出鎖相的目的。所以，與電網(wǎng)信號同步的基準(zhǔn)正弦電路的研究，是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)重要內(nèi)容［3］。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)集成軟件鎖相與孤島檢測技術(shù)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)用新型基準(zhǔn)正弦電路。該電路由電網(wǎng)電壓檢測電路、正弦波生成電路構(gòu)成，采用過／欠壓、過／欠頻檢測和相位偏移法將鎖相和孤島檢測這兩個(gè)功能同時(shí)實(shí)現(xiàn)。

2 基準(zhǔn)正弦電路的構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)

基準(zhǔn)正弦電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電網(wǎng)電壓檢測、單片機(jī)、D／A轉(zhuǎn)換、運(yùn)放等4部分組成。其中，Ugrid為電網(wǎng)電壓，Uref為基準(zhǔn)正弦輸出。

圖1 基準(zhǔn)正弦電路構(gòu)成Fig.1 The structure of reference sinusoid circuit

基本思想是：首先對電網(wǎng)電壓采樣檢測，將其變換成一個(gè)與之同步的方波信號后送入單片機(jī)。然后基于軟件鎖相與孤島檢測技術(shù)，通過讀單片機(jī)中正弦表格數(shù)據(jù)，達(dá)到輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相、并帶有孤島檢測功能的基準(zhǔn)正弦波的目的。

2.1 電網(wǎng)電壓檢測

電網(wǎng)電壓檢測電路需要檢測2個(gè)量：一是電網(wǎng)電壓值，二是電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)時(shí)刻。檢測原理見圖2。

圖2 電網(wǎng)電壓檢測原理框圖Fig.2 Block diagram of grid voltage detection technique

首先由電壓互感器對電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣且隔離，再采用運(yùn)放電路對其進(jìn)行調(diào)整，得到一個(gè)與電網(wǎng)電壓值相關(guān)的模擬信號ADC＿Vo，送入單片機(jī)的ADC模塊。之后，采用過零比較器，在電網(wǎng)電壓過零時(shí)刻，利用比較器輸出反轉(zhuǎn)的特性，形成隨電網(wǎng)電壓變化而變化的方波信號ZDT＿Vo，送入單片機(jī)的I／O口。

2.2 正弦波的產(chǎn)生

正弦波的產(chǎn)生方法是：在單片機(jī)中設(shè)置正弦數(shù)據(jù)表，通過SPI串行通信方式將表格中的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)串口傳送給數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸出經(jīng)運(yùn)放電路調(diào)整處理后，便可得到一個(gè)正弦信號。

假設(shè)半周期正弦波由160個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，則數(shù)據(jù)點(diǎn)的計(jì)算公式為［4］

可通過C語言、Matlab語言等方法按照上式算出正弦波各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，再按序排成表格存入單片機(jī)的EPROM中，以此得到正弦數(shù)據(jù)表。

3 軟件鎖相與孤島檢測技術(shù)

本文采用過／欠壓、過／欠頻檢測和相位偏移相結(jié)合的方法來檢測孤島并完成鎖相。

3.1 過／欠壓、過／欠頻檢測

過／欠壓、過／欠頻檢測方法是檢測孤島的最基本、最直接的方法［5］。一般認(rèn)為，電網(wǎng)電壓值變動(dòng)范圍在220（1±10%）V之內(nèi)，頻率變動(dòng)范圍在50（1±5%）Hz之內(nèi)。若系統(tǒng)檢測到的電網(wǎng)電壓值或頻率變化超過了此正常范圍，就認(rèn)為電網(wǎng)出現(xiàn)故障，視作發(fā)生孤島現(xiàn)象。本文為避免干擾，設(shè)置過壓閥值為250V，欠壓閥值為195V，過頻閥值為50.8Hz，欠頻閥值為49.2Hz。實(shí)時(shí)的電網(wǎng)電壓值由電網(wǎng)電壓檢測電路檢測得到，電網(wǎng)電壓頻率由單片機(jī)記錄采樣信號2次過零點(diǎn)的間隔時(shí)間計(jì)算得到。

3.2 相位偏移法

相位偏移法是主動(dòng)對基準(zhǔn)正弦波施加相位擾動(dòng)的方法，基本思路如圖3所示。

圖3 相位偏移法Fig.3 Phase－shift method

以10個(gè)周期為一個(gè)循環(huán)。在電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)（上升沿）時(shí)刻，周期1：對基準(zhǔn)正弦波主動(dòng)移相Δθ。周期2：檢測Δθ是否存在。如果電網(wǎng)正常，則可以檢測到Δθ；如果電網(wǎng)故障，由于系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)，檢測到的電網(wǎng)電壓就是系統(tǒng)的輸出電壓，如此以來相位偏置Δθ消失，視作有孤島發(fā)生，立刻跳出循環(huán)，停止并網(wǎng)運(yùn)行。周期3～10：監(jiān)測基準(zhǔn)正弦波相位是否鎖定電網(wǎng)電壓相位。如果相位差很大，則說明鎖相失?。蝗绻辔徊钤谠试S的范圍之內(nèi)，則說明鎖相成功，然后再強(qiáng)制令兩者同步。

3.3 中斷程序的設(shè)計(jì)

上述方法主要由1個(gè)中斷程序來實(shí)現(xiàn)。

由上文知，一個(gè)周期的正弦數(shù)據(jù)表由320個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，設(shè)置一個(gè)中斷程序，令每中斷一次，主程序從正弦數(shù)據(jù)表格中讀一個(gè)點(diǎn)。由于基準(zhǔn)正弦波頻率設(shè)定為50Hz，則中斷程序的頻率為50×320＝16kHz。

在中斷程序中，定義變量system＿clk是與正弦數(shù)據(jù)表格中數(shù)據(jù)的地址號相對應(yīng)的量，初始化system＿clk＝0，每中斷一次令system＿clk加1。主程序則根據(jù)當(dāng)前system＿clk所對應(yīng)的地址號，從正弦數(shù)據(jù)表格中找到并讀出這個(gè)點(diǎn)。定義變量cycle記錄當(dāng)前的運(yùn)行周期數(shù)，電網(wǎng)電壓每過一次零點(diǎn)（上升沿）令cycle加1。

1）當(dāng)cycle＝1時(shí)，令system＿clk＋＝x，即把當(dāng)前將要讀取的正弦數(shù)據(jù)地址增加x，其中，x＝320×Δθ／360°，相當(dāng)于將基準(zhǔn)正弦波的相位提前了Δθ。

2）當(dāng)cycle＝2時(shí)，檢測system＿clk是否等于x，即查看相位偏置是否存在。若system＿clk≠x，認(rèn)為發(fā)生孤島現(xiàn)象，跳出中斷，停止并網(wǎng)；若system＿clk＝x，則等待進(jìn)入下一周期。

3）當(dāng)cycle＝3～10時(shí)，由于各方面的干擾，實(shí)際的基準(zhǔn)正弦波相位會(huì)有一定波動(dòng)。這里定義常量y1，y2，若檢測出相位在此范圍之內(nèi)，即有y1＜system＿clk＜y2，則認(rèn)為鎖相成功，并令system＿clk＝0。若上式不成立，則認(rèn)為鎖相失敗，停止并網(wǎng)。在首次并網(wǎng)時(shí)，設(shè)定鎖相成功50次后再閉合并網(wǎng)開關(guān)。

圖4 中斷程序流程圖Fig.4 Flowchart of interrupt subroutine

4）當(dāng)cycle＞10時(shí)，對其清零。

基于軟件鎖相與孤島檢測技術(shù)的16kHz中斷程序流程圖如圖4所示。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例與結(jié)果

應(yīng)用上述原理，舉出一個(gè)基準(zhǔn)正弦電路的設(shè)計(jì)實(shí)例。單片機(jī)采用AVR系列的ATMEGA64，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用DAC7513。

圖5為電網(wǎng)電壓檢測電路。

圖5 電網(wǎng)電壓檢測電路Fig.5 Grid voltage detection circuit

圖5中，電阻R1～R4將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為mA級別的電流，由電壓互感器PT采樣隔離。二極管D1，D2將運(yùn)放U1的輸入鉗位在±0.6V之間。電阻R5將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴Ｓ捎谝獙z測到的電網(wǎng)電壓值送入單片機(jī)的ADC模塊處理，ATMEGA64片內(nèi)ADC模塊的模擬輸入電壓范圍為0～2.5V，而電網(wǎng)電壓是一個(gè)雙極性信號，因此使用電阻R6，R7，R8將其調(diào)整到合適的范圍內(nèi)。電容C8避免了檢測信號在電壓過零點(diǎn)附近波動(dòng)而造成的多次過零情況。

使用示波器對電網(wǎng)電壓檢測電路進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖6所示?？梢姡琙DT＿Vo上下邊沿分別對應(yīng)電網(wǎng)電壓信號的2個(gè)過零點(diǎn)，兩信號相位差基本為0。

圖7所示為正弦波產(chǎn)生電路。其中，S＿／SS為片選信號，S＿CLK為同步時(shí)鐘信號，S＿M(jìn)OSI為數(shù)據(jù)信號，它們分別接到單片機(jī)ATMEGA64的／SS，CLK，MOSI引腳。

圖6 電網(wǎng)電壓檢測輸出波形Fig.6 Output waveforms of grid voltage detection

圖7 正弦波產(chǎn)生電路Fig.7 Sinusoid wave generation circuit

DAC7513的輸入與輸出關(guān)系為

式中：VREF為模擬參考電壓；D為輸入數(shù)據(jù)；Vout為DAC7513的輸出。

由于輸入數(shù)據(jù)D的范圍是0～4095，所以只能得到0～VREF的單向輸出電壓。在芯片輸出端后加入一個(gè)軌至軌的運(yùn)算放大器U2A。由圖7可知U2A的輸出為

即輸出電壓變?yōu)殡p向，范圍為：±2.5V。之后再由運(yùn)放U2B調(diào)節(jié)處理。

使用示波器對正弦波產(chǎn)生電路進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖8所示。

圖8 正弦波輸出波形Fig.8 Output waveforms of sinusoid wave

可以看出，2個(gè)波形基本同步。若要達(dá)到理想的效果，可在軟件上進(jìn)行修改，滯后正弦輸出波形（通過在正弦數(shù)據(jù)表中調(diào)整數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)），如此以來，兩者可達(dá)到完全同步。

此外，為了檢測孤島保護(hù)的性能，將設(shè)計(jì)好的基準(zhǔn)正弦電路用于一個(gè)1kW的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中。發(fā)現(xiàn)當(dāng)電網(wǎng)失電時(shí)，系統(tǒng)能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行孤島保護(hù)。

5 結(jié)論

本文針對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)過程中的技術(shù)要求，提出了一個(gè)集成軟件鎖相和孤島檢測技術(shù)的新型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)用基準(zhǔn)正弦電路，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。結(jié)論顯示，該電路不僅可以輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的基準(zhǔn)正弦波，而且將其用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中還具有孤島檢測功能，價(jià)格低廉，簡單易于實(shí)現(xiàn)。

［1］蔣燕君，張超，何湘寧.基于DSP的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)數(shù)字鎖相技術(shù)［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2007，10（2）：29－32.

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［5］程啟明，王映斐，程尹曼，等.分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中孤島檢測方法的綜述研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（6）：147－154.