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
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
寫(xiě)在前面的話(huà)
孤島效應是指電網(wǎng)因電氣故障、人為誤操作或自然災害等原因中斷供電時(shí)，分布式發(fā)電系統未能檢測出停電狀態(tài)而脫離電網(wǎng)，繼續向電網(wǎng)與周?chē)撦d提供電能所形成的不受大電網(wǎng)監控的自發(fā)供電狀態(tài)。孤島效應中非計劃性孤島由于危險性較大，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)習的基礎上，本期將利用單相光伏并網(wǎng)變換器通過(guò)主動(dòng)頻率偏移檢測，調整偏移角度使頻率超出系統所設定范圍的方式實(shí)現孤島保護的功能進(jìn)行教學(xué)與分析，為老師提供相關(guān)實(shí)驗與教學(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)驗目的是為使用者提供基于DSP控制的電力變換器學(xué)習平臺，即借助PSIM 軟件完成仿真和實(shí)驗。第一實(shí)驗者可以在PSIM上建立模擬(連續)仿真電路，以學(xué)習電力變換器的原理、分析和功能設計;第二將電力變換器的控制轉化去數字(離散)仿真部分，進(jìn)行仿真研學(xué);第三借助DSP芯片內部所具有的A/D轉化器、數據處理和PWM信號生成功能，再次進(jìn)行數字(離散)仿真;第四通過(guò)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。這樣設計的最大優(yōu)點(diǎn)方便實(shí)驗者能夠快速完成DSP對變換器主電路的控制。 進(jìn)行實(shí)驗除需要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)驗平臺上完成。
PTS-5000 實(shí)驗平臺
單相光伏并網(wǎng)逆變器組成
單相光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)驗系統組成如圖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數據采集、處理及PWM信號模塊組成。
圖3單相光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)驗系統
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。具有孤島保護的單相逆變器并網(wǎng)控制框圖如圖4所。下面對實(shí)現單相光伏并網(wǎng)逆變器孤島保護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，去調諧壓控振蕩器以產(chǎn)生目標頻率的負反饋控制系統。根據自動(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)路內部振蕩信號的頻率和相位，實(shí)現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)現框圖如圖5所示。
圖5 鎖相環(huán)實(shí)現框圖
(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)現框圖
由圖6可以發(fā)現，
這里
圖7 電流控制器設計框圖
圖8 電壓控制器設計框圖
在圖8中，
在孤島檢測方法中，孤島效應的主動(dòng)檢測方案主要是通過(guò)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(lái)實(shí)現孤島檢測，其基本原理是利用頻率或者相位干擾來(lái)達到公共耦合連接點(diǎn)(PCC)移頻的目的，即通過(guò)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)標準允許范圍內)。在電網(wǎng)正常運行期間，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，當電網(wǎng)斷開(kāi)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(huì )發(fā)生變化，由于微小擾動(dòng)的持續存在，這等同于增加一組頻率誤差來(lái)控制逆變器輸出電壓的頻率，重復此過(guò)程，逐漸積累持續偏移最終超過(guò)設定的頻率閾值，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
圖12 基于主動(dòng)頻率偏移檢測的鎖相環(huán)設計
圖13 光伏單相逆變器并網(wǎng)仿真圖
圖17 實(shí)驗接線(xiàn)圖
圖19 未建立孤島運行狀態(tài)實(shí)驗圖
圖20AC開(kāi)關(guān)狀態(tài)圖
由實(shí)驗結果可以看出，隨著(zhù)偏移角度為正值增加，輸出電壓頻率逐漸增加，直至PEK-510逆變器不工作(輸出電壓頻率大于52Hz);隨著(zhù)偏移角度為負值增加，輸出電壓頻率逐漸下降，直至PEK-510逆變器不工作(輸出電壓頻率小于48Hz)。
結論
由結果可以看出，主動(dòng)頻率偏移檢測可在系統處于孤島現象時(shí)利用調整偏移角度，使得頻率超出系統所設定之范圍，達到孤島保護的功能。