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固緯電子電力電子教學(xué)小課堂 | 第二十九講: PEK-510模塊之單相逆變器之孤島保護(hù)

發(fā)布日期：2023-11-22 點(diǎn)擊次數(shù)： 174 作者：固緯電子

PTS-系列之PEK-500系列教學(xué)

PEK-510模塊之單相逆變器之孤島保護(hù)

寫在前面的話

孤島效應(yīng)是指電網(wǎng)因電氣故障、人為誤操作或自然災(zāi)害等原因中斷供電時(shí)，分布式發(fā)電系統(tǒng)未能檢測出停電狀態(tài)而脫離電網(wǎng)，繼續(xù)向電網(wǎng)與周圍負(fù)載提供電能所形成的不受大電網(wǎng)監(jiān)控的自發(fā)供電狀態(tài)。孤島效應(yīng)中非計(jì)劃性孤島由于危險(xiǎn)性較大，是不允許發(fā)生的。在PEK-510單相光伏并網(wǎng)逆變器電路控制學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，本期將利用單相光伏并網(wǎng)變換器通過主動(dòng)頻率偏移檢測，調(diào)整偏移角度使頻率超出系統(tǒng)所設(shè)定范圍的方式實(shí)現(xiàn)孤島保護(hù)的功能進(jìn)行教學(xué)與分析，為老師提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)與教學(xué)資源參考。PEK-510模組圖如圖所示。

PEK-510
單相光伏并網(wǎng)逆變器

PEK-510模組介紹:

PEK-510 為單相光伏逆變器模組(Single Phase PV Inverter Module)，模組實(shí)物照片如圖1 所示，主要兩級組成，前級為升壓式轉(zhuǎn)換器(Boost Converter)，后級為單相全橋逆變器(Single Phase Inverter)，同時(shí)還具有主要變量的檢測和DSP控制功能部分。該模組實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫槭褂谜咛峁┗贒SP控制的電力變換器學(xué)習(xí)平臺，即借助PSIM 軟件完成仿真和實(shí)驗(yàn)。第一實(shí)驗(yàn)者可以在PSIM上建立模擬(連續(xù))仿真電路，以學(xué)習(xí)電力變換器的原理、分析和功能設(shè)計(jì);第二將電力變換器的控制轉(zhuǎn)化去數(shù)字(離散)仿真部分，進(jìn)行仿真研學(xué);第三借助DSP芯片內(nèi)部所具有的A/D轉(zhuǎn)化器、數(shù)據(jù)處理和PWM信號生成功能，再次進(jìn)行數(shù)字(離散)仿真;第四通過PSIM之C代碼生成功能，將控制部分生成C代碼;最后將生成的C代碼下載于PEK-510的DSP之中，以備實(shí)物實(shí)驗(yàn)。這樣設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)方便實(shí)驗(yàn)者能夠快速完成DSP對變換器主電路的控制。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)除需要PEK-510模組外，仍需配置PEK-005A(輔助電源)和PEK-006 (JTAG 下載器)等，并在PTS-5000的實(shí)驗(yàn)平臺上完成。

PTS-5000 實(shí)驗(yàn)平臺

單相光伏并網(wǎng)逆變器組成

單相光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖3所示，即主要由DC電源、單相逆變電路、交流電源、檢測單元模塊和DSP數(shù)據(jù)采集、處理及PWM信號模塊組成。

圖3單相光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

單相光伏并網(wǎng)逆變器孤島控制方案

單相光伏并網(wǎng)逆變器孤島控制需要以下控制部分:(1)鎖相環(huán)控制;(2)逆變電壓電流雙環(huán)控制;(3)主動(dòng)頻率偏移孤島檢測控制。具有孤島保護(hù)的單相逆變器并網(wǎng)控制框圖如圖4所。下面對實(shí)現(xiàn)單相光伏并網(wǎng)逆變器孤島保護(hù)控制的主要控制單元進(jìn)行分析、討論。

圖4 光伏單相逆變器并網(wǎng)控制框圖

(1)鎖相環(huán)(PLL)

鎖相環(huán)(phase locked loop)是一種利用相位同步產(chǎn)生的電壓，去調(diào)諧壓控振蕩器以產(chǎn)生目標(biāo)頻率的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。根據(jù)自動(dòng)控制原理，這是一種典型的反饋控制電路，利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位，實(shí)現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動(dòng)跟蹤。鎖相環(huán)通常由鑒相器(PD，Phase Detector)、濾波器(LF，LoopFilter) 和壓控振蕩器(VCO，Voltage Controlled Oscillator)3部分組成。鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

圖5 鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)框圖

(2)單相逆變器控制模型

逆變控圖如圖6所示，

圖6單相并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)框圖

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，

這里

1)電流控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)逆變器的輸出電流方程(3)，設(shè)計(jì)PI控制器，設(shè)計(jì)框圖如圖7所示

圖7 電流控制器設(shè)計(jì)框圖

2)電壓控制器設(shè)計(jì)

由于電流內(nèi)環(huán)的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電壓環(huán)，因此在設(shè)計(jì)電壓控制器時(shí)，電流環(huán)可以視為單位1，即電流環(huán)的輸出跟蹤輸入。電壓控制器采用2型控制器，以減小直流母線2次紋波電壓。電壓控制器設(shè)計(jì)框圖如圖8所示。

圖8 電壓控制器設(shè)計(jì)框圖
在圖8中，

3)主動(dòng)頻率偏移孤島檢測控制

孤島模式產(chǎn)生示意圖如圖9所示。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由于某種原因與主電網(wǎng)斷開連接，仍向負(fù)載供電，由此形成一個(gè)無電網(wǎng)控制的自給獨(dú)立供電系統(tǒng)。

圖9 分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島產(chǎn)生示意圖

在孤島檢測方法中，孤島效應(yīng)的主動(dòng)檢測方案主要是通過控制算法使逆變器輸出微弱的周期性擾動(dòng)。其中主動(dòng)頻率偏移檢測方案是最具有代表性的主動(dòng)孤島檢測方法之一。光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電流可表示為下式:

光伏逆變器通常采用電流控制來實(shí)現(xiàn)孤島檢測，其基本原理是利用頻率或者相位干擾來達(dá)到公共耦合連接點(diǎn)(PCC)移頻的目的，即通過輸出電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率之間存在的一定的微小誤差(在并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi))。在電網(wǎng)正常運(yùn)行期間，由于鎖相環(huán)的校正，逆變器的輸出電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率之間的誤差始終在一個(gè)小的范圍內(nèi)，當(dāng)電網(wǎng)斷開連接時(shí)，PCC處測的電壓頻率為逆變器輸出的上一個(gè)周期電流頻率，箝位效應(yīng)消失，此時(shí)鎖相環(huán)不能進(jìn)行校正，逆變器輸出電壓的頻率會發(fā)生變化，由于微小擾動(dòng)的持續(xù)存在，這等同于增加一組頻率誤差來控制逆變器輸出電壓的頻率，重復(fù)此過程，逐漸積累持續(xù)偏移最終超過設(shè)定的頻率閾值，逆變器不再輸出電流，即成功檢測出孤島狀態(tài)并停止向負(fù)載供電。主動(dòng)頻率偏移檢測方案與控制流程如圖10、圖11。

圖10 主動(dòng)頻率偏移檢測方案示意圖

圖11 主動(dòng)頻率偏移檢測方法控制流程圖

結(jié)合PLL鎖相，采用主動(dòng)頻率偏移檢測的仿真設(shè)計(jì)如圖12

圖12 基于主動(dòng)頻率偏移檢測的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

PSIM 仿真

在PSIM搭建模擬仿真圖如圖13所示。仿真結(jié)果如圖14、15與圖16所示。

圖13 光伏單相逆變器并網(wǎng)仿真圖

實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用PTS-5000完成光伏單相逆變器孤島保護(hù)，其連接線圖如圖17所示。PSW160-7.2設(shè)定電壓為100V，電流1.5A，APS-300設(shè)置為50Hz，電壓40V，操作于1P2W模式下(注:APS-300接至ACInput后，再由單相測試線由AC Output接至PEK-510)。