單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真及其孤島效應(yīng)的防止對策

　　光伏并網(wǎng)發(fā)電作為太陽能光伏利用的發(fā)展趨勢，得到了快速的發(fā)展。然而，隨著投入使用的并網(wǎng)逆變裝置增多，其輸出的并網(wǎng)電流諧波對電網(wǎng)電壓的污染也不容忽視，針對單純PI控制的缺點，對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中逆變器的控制進(jìn)行了改進(jìn)，采用重復(fù)控制和PI控制相結(jié)合的電流跟蹤控制策略。重復(fù)控制可以抑制網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)對并網(wǎng)輸出電流的周期性擾動，降低并網(wǎng)電流的總諧波畸變系數(shù);PI控制則利用偏差調(diào)節(jié)原理，使逆變器輸出并網(wǎng)電流實時跟蹤參考正弦給定信號。由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)直接將太陽能逆變后饋送給電網(wǎng)，所以需要有各種完善的保護(hù)措施。對于通常系統(tǒng)工作時可能出現(xiàn)的功率器件過流、功率器件驅(qū)動信號欠壓、功率器件過熱、太陽電池陣列輸出欠壓以及電網(wǎng)過壓、欠壓等故障狀態(tài)，比較容易通過硬件電路檢測，配合軟件加以判斷、識別并進(jìn)行處理。但對于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)來說，還需要考慮在一種特殊的故障狀態(tài)下的應(yīng)對方案，即孤島效應(yīng)的防止和對策。

　　l 并網(wǎng)系統(tǒng)控制策略

　　為了使逆變器輸出良好的并網(wǎng)電流波形，必須對逆變器的輸出并網(wǎng)電流進(jìn)行閉環(huán)控制，而采用傳統(tǒng)的PI控制來跟蹤正弦給定信號時，存在如下一些局限性：

　　(1)當(dāng)跟蹤信號為快速變化的正弦波時，從理論上來說，整個系統(tǒng)是個有差系統(tǒng)，不可能做無靜差跟蹤;

　　(2)雖然可以通過增大比例系數(shù)來減小穩(wěn)態(tài)誤差，但是，比例系數(shù)增大會導(dǎo)致控制精度的降低，甚至?xí)瓜到y(tǒng)產(chǎn)生振蕩;另外，增大比例系數(shù)還可能會同時放大噪聲信號，因此，比例系數(shù)不可能取的太大。

　　1.1 重復(fù)控制策略

　　采用單純的PI控制，由于無法有效改善逆變器非線性因素的影響，必須引入新的控制策略和控制環(huán)節(jié)。20世紀(jì)80年代，Inoue等人根據(jù)內(nèi)模原理提出了重復(fù)控制思想。在穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置一個可在以產(chǎn)生與參考輸入同周期的內(nèi)部模型，從而使系統(tǒng)實現(xiàn)對外部周期性參考信號的漸近跟蹤。重復(fù)控制系統(tǒng)如圖l所示。由于它具備優(yōu)秀的魯棒性，對于消除非線性負(fù)載及其他周期性干擾引起的波形畸變具有明顯的效果。

　　重復(fù)控制器由周期延遲環(huán)節(jié)z-N、一階低通濾波器Q(z)和補(bǔ)償器S(z)組成。P(z)為受控對象的傳遞函數(shù)，d為擾動信號，Ⅳ為每周期采樣次數(shù)，S(z)為一個補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)在中低頻段為單位增益，無相位滯后環(huán)節(jié)。雖然重復(fù)控制能夠?qū)χ芷谛詤⒖颊医o定信號實現(xiàn)無穩(wěn)態(tài)誤差的跟蹤控制，但存在對誤差的跟蹤控制滯后一個參考周期后才輸出的特點。綜合考慮，將重復(fù)控制與PI控制兩種策略結(jié)合起來，使系統(tǒng)兼具良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性。

　　1.2 重復(fù)控制系統(tǒng)仿真

　　本仿真系統(tǒng)中，參考正弦波為50Hz，逆變器的開關(guān)頻率為20kHz，因此采用頻率fs=20kHz，故可以確定每周期的采樣拍數(shù)N=400。顯然周期延時環(huán)節(jié)z-N=z-400，取濾波器的Q值為0.95。圖2所示為仿真模型圖，圖3為仿真結(jié)果圖。可知，將重復(fù)控制應(yīng)用在并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中，改善了發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流波形，改善了穩(wěn)態(tài)誤差。

　　2 孤島效應(yīng)

　　2.1 孤島效應(yīng)的產(chǎn)生

　　所謂孤島效應(yīng)，根據(jù)美國Sandia國家實驗室提供的報告指出，當(dāng)電力公司的供電，因故障事故或停電維修而跳脫時，各個用戶端的太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能即時檢測出停電狀態(tài)而將自身切離市電網(wǎng)絡(luò)，而形成由太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負(fù)載形成的一個電力公司無法掌握的自給供電孤島。

　　光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與本地負(fù)載相連，通過投閘開關(guān)連接到配電網(wǎng)上，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，當(dāng)電網(wǎng)停電時則形成孤島。

　　2.2 孤島效應(yīng)的檢測

　　當(dāng)孤島一旦產(chǎn)生將會危及電網(wǎng)輸電線路上維修人員的安全;影響配電系統(tǒng)上的保護(hù)開關(guān)的動作程序，沖擊電網(wǎng)保護(hù)裝置;影響傳輸電能質(zhì)量，電力孤島區(qū)域的供電電壓與頻率將不穩(wěn)定;當(dāng)電網(wǎng)供電恢復(fù)后會造成相位不同步;單相分布式發(fā)電系統(tǒng)會造成系統(tǒng)三相負(fù)載欠相供電。因此對于一個并網(wǎng)系統(tǒng)必須能夠進(jìn)行孤島效應(yīng)檢測。

　　孤島效應(yīng)檢測技術(shù)在并網(wǎng)逆變器側(cè)主要可分為主動式檢測和被動式檢測。另外，孤島效應(yīng)也可以在電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測，比如利用電力載波通訊等手段實時監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)。孤島效應(yīng)檢測是逆變器并網(wǎng)不可缺少的保護(hù)檢測之一。孤島檢測的方案也多種多樣，各方案特點分析以及適用場合總結(jié)見表1。

　　2.3 孤島效應(yīng)的仿真

　　本文結(jié)合常見的電流型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)提出一種簡單易行的主動型孤島效應(yīng)檢測方式，采用主動頻率偏移法來檢測市電斷電發(fā)生。主動頻率偏移法(AFD：AcTIve Frequency Drift)，它是通過周期性的改變并網(wǎng)電流頻率來實現(xiàn)反孤島效應(yīng)功能的。具體實現(xiàn)思想就是系統(tǒng)逐周期檢測出電網(wǎng)電壓的頻率后將它稍微增大或減小固定值以作為并網(wǎng)電流的給定頻率，并且在電網(wǎng)電壓每次過零時使并網(wǎng)電流復(fù)位，則當(dāng)并網(wǎng)時，DSP每次檢測到的電網(wǎng)電壓頻率不變;而脫網(wǎng)時，并網(wǎng)電流單獨作用于負(fù)載上，由于并網(wǎng)電流頻率的逐周期改變，這樣，DSP每次檢測到的負(fù)載電壓頻率就會逐漸增大或減小，很快就會達(dá)到給定頻率保護(hù)的上、下限值使系統(tǒng)保護(hù)，從而使系統(tǒng)具有反孤島效應(yīng)功能。

　　圖5所示為孤島檢測仿真模型，其中，每個基波周期并網(wǎng)電流頻率偏移0.25Hz，并在0.1s處將電網(wǎng)斷開;圖6為仿真結(jié)果。

　　3 結(jié)束語

　　并網(wǎng)逆變器采用基于重復(fù)控制補(bǔ)償?shù)腜I控制方法，輸出并網(wǎng)電流波形良好，其基本實現(xiàn)并網(wǎng)電流的無誤差跟蹤。孤島效應(yīng)識別方法采用主動頻率偏移法，可以簡單有效地檢測出系統(tǒng)的孤島效應(yīng)。