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)境惡化是日趨嚴重的全球性問題。太陽能作為一種綠色可再生能源，正在從補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爭相發(fā)展的熱點，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)中逆變器的控制進行了改進，采用重復控制和PI控制相結(jié)合的電流跟蹤控制策略。重復控制可以抑制網(wǎng)側(cè)和負載側(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)下的應對方案，即孤島效應的防止和對策。

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)增大會導致控制精度的降低，甚至會使系統(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80年代，Inoue等人根據(jù)內(nèi)模原理提出了重復控制思想。在穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)設置一個可在以產(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?？芍瑢⒅貜涂刂茟迷诓⒕W(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
2．1 孤島效應的產(chǎn)生
    所謂孤島效應，根據(jù)美國Sandia國家實驗室提供的報告指出，當電力公司的供電，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，而形成由太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負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)與本地負載相連，通過投閘開關連接到配電網(wǎng)上，其拓撲結(jié)構如圖4所示，當電網(wǎng)停電時則形成孤島。
2．2 孤島效應的檢測
    當孤島一旦產(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)上的保護開關的動作程序，沖擊電網(wǎng)保護裝置；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；當電網(wǎng)供電恢復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)三相負載欠相供電。因此對于一個并網(wǎng)系統(tǒng)必須能夠進行孤島效應檢測。
    孤島效應檢測技術在并網(wǎng)逆變器側(cè)主要可分為主動式檢測和被動式檢測。另外，孤島效應也可以在電網(wǎng)側(cè)進行遠程檢測，比如利用電力載波通訊等手段實時監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)。孤島效應檢測是逆變器并網(wǎng)不可缺少的保護檢測之一。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)電流復位，則當并網(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每次檢測到的負載電壓頻率就會逐漸增大或減小，很快就會達到給定頻率保護的上、下限值使系統(tǒng)保護，從而使系統(tǒng)具有反孤島效應功能。

    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控制補償?shù)?strong>PI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。