單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及其反孤島策略的仿真研究

0 引言
    能源緊缺，環(huán)境惡化是日趨嚴(yán)重的全球性問(wèn)題。太陽(yáng)能作為一種綠色可再生能源，正在從補(bǔ)充能源向著替代能源的方向轉(zhuǎn)變。光伏利用已成為世界各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的熱點(diǎn)，光伏并網(wǎng)發(fā)電作為太陽(yáng)能光伏利用的發(fā)展趨勢(shì)，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(duì)電網(wǎng)電壓的污染也不容忽視，針對(duì)單純PI控制的缺點(diǎn)，對(duì)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(duì)并網(wǎng)輸出電流的周期性擾動(dòng)，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(shí)時(shí)跟蹤參考正弦給定信號(hào)。由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)直接將太陽(yáng)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(duì)于通常系統(tǒng)工作時(shí)可能出現(xiàn)的功率器件過(guò)流、功率器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)欠壓、功率器件過(guò)熱、太陽(yáng)電池陣列輸出欠壓以及電網(wǎng)過(guò)壓、欠壓等故障狀態(tài)，比較容易通過(guò)硬件電路檢測(cè)，配合軟件加以判斷、識(shí)別并進(jìn)行處理。但對(duì)于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，還需要考慮在一種特殊的故障狀態(tài)下的應(yīng)對(duì)方案，即孤島效應(yīng)的防止和對(duì)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(duì)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(lái)跟蹤正弦給定信號(hào)時(shí)，存在如下一些局限性：
    (1)當(dāng)跟蹤信號(hào)為快速變化的正弦波時(shí)，從理論上來(lái)說(shuō)，整個(gè)系統(tǒng)是個(gè)有差系統(tǒng)，不可能做無(wú)靜差跟蹤；
    (2)雖然可以通過(guò)增大比例系數(shù)來(lái)減小穩(wěn)態(tài)誤差，但是，比例系數(shù)增大會(huì)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(huì)同時(shí)放大噪聲信號(hào)，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(wú)法有效改善逆變器非線(xiàn)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(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)外部周期性參考信號(hào)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(duì)于消除非線(xiàn)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(duì)象的傳遞函數(shù)，d為擾動(dòng)信號(hào)，Ⅳ為每周期采樣次數(shù)，S(z)為一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)在中低頻段為單位增益，無(wú)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(hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差的跟蹤控制，但存在對(duì)誤差的跟蹤控制滯后一個(gè)參考周期后才輸出的特點(diǎn)。綜合考慮，將重復(fù)控制與PI控制兩種策略結(jié)合起來(lái)，使系統(tǒng)兼具良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)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(kāi)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(shí)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?？芍?，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(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供的報(bào)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(shí)，各個(gè)用戶(hù)端的太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能即時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而將自身切離市電網(wǎng)絡(luò)，而形成由太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周?chē)呢?fù)載形成的一個(gè)電力公司無(wú)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(guò)投閘開(kāi)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(shí)則形成孤島。
2．2 孤島效應(yīng)的檢測(cè)
    當(dāng)孤島一旦產(chǎn)生將會(huì)危及電網(wǎng)輸電線(xiàn)路上維修人員的安全；影響配電系統(tǒng)上的保護(hù)開(kāi)關(guān)的動(dòng)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(huì)造成相位不同步；單相分布式發(fā)電系統(tǒng)會(huì)造成系統(tǒng)三相負(fù)載欠相供電。因此對(duì)于一個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)必須能夠進(jìn)行孤島效應(yīng)檢測(cè)。
    孤島效應(yīng)檢測(cè)技術(shù)在并網(wǎng)逆變器側(cè)主要可分為主動(dòng)式檢測(cè)和被動(dòng)式檢測(cè)。另外，孤島效應(yīng)也可以在電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)，比如利用電力載波通訊等手段實(shí)時(shí)監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)。孤島效應(yīng)檢測(cè)是逆變器并網(wǎng)不可缺少的保護(hù)檢測(cè)之一。孤島檢測(cè)的方案也多種多樣，各方案特點(diǎn)分析以及適用場(chǎng)合總結(jié)見(jiàn)表1。

2．3 孤島效應(yīng)的仿真
    本文結(jié)合常見(jiàn)的電流型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)提出一種簡(jiǎn)單易行的主動(dòng)型孤島效應(yīng)檢測(cè)方式，采用主動(dòng)頻率偏移法來(lái)檢測(cè)市電斷電發(fā)生。主動(dòng)頻率偏移法(AFD：Active Frequency Drift)，它是通過(guò)周期性的改變并網(wǎng)電流頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)反孤島效應(yīng)功能的。具體實(shí)現(xiàn)思想就是系統(tǒng)逐周期檢測(cè)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(guò)零時(shí)使并網(wǎng)電流復(fù)位，則當(dāng)并網(wǎng)時(shí)，DSP每次檢測(cè)到的電網(wǎng)電壓頻率不變；而脫網(wǎng)時(shí)，并網(wǎng)電流單獨(dú)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(cè)到的負(fù)載電壓頻率就會(huì)逐漸增大或減小，很快就會(huì)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(cè)仿真模型，其中，每個(gè)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(kāi)；圖6為仿真結(jié)果。

3 結(jié)束語(yǔ)
    并網(wǎng)逆變器采用基于重復(fù)控制補(bǔ)償?shù)?strong>PI控制方法，輸出并網(wǎng)電流波形良好，其基本實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的無(wú)誤差跟蹤。孤島效應(yīng)識(shí)別方法采用主動(dòng)頻率偏移法，可以簡(jiǎn)單有效地檢測(cè)出系統(tǒng)的孤島效應(yīng)。