单相光伏并网系统及其反孤岛策略的仿真研究

0 引言
    能源紧缺，环境恶化是日趋严重的全球性问题。太阳能作为一种绿色可再生能源，正在从补充能源向着替代能源的方向转变。光伏利用已成为世界各国争相发展的热点，光伏并网发电作为太阳能光伏利用的发展趋势，得到了快速的发展。然而，随着投入使用的并网逆变装置增多，其输出的并网电流谐波对电网电压的污染也不容忽视，针对单纯PI控制的缺点，对光伏并网系统中逆变器的控制进行了改进，采用重复控制和PI控制相结合的电流跟踪控制策略。重复控制可以抑制网侧和负载侧对并网输出电流的周期性扰动，降低并网电流的总谐波畸变系数；PI控制则利用偏差调节原理，使逆变器输出并网电流实时跟踪参考正弦给定信号。由于光伏并网发电系统直接将太阳能逆变后馈送给电网，所以需要有各种完善的保护措施。对于通常系统工作时可能出现的功率器件过流、功率器件驱动信号欠压、功率器件过热、太阳电池阵列输出欠压以及电网过压、欠压等故障状态，比较容易通过硬件电路检测，配合软件加以判断、识别并进行处理。但对于光伏并网发电系统来说，还需要考虑在一种特殊的故障状态下的应对方案，即孤岛效应的防止和对策。

l 并网系统控制策略
    为了使逆变器输出良好的并网电流波形，必须对逆变器的输出并网电流进行闭环控制，而采用传统的PI控制来跟踪正弦给定信号时，存在如下一些局限性：
    (1)当跟踪信号为快速变化的正弦波时，从理论上来说，整个系统是个有差系统，不可能做无静差跟踪；
    (2)虽然可以通过增大比例系数来减小稳态误差，但是，比例系数增大会导致控制精度的降低，甚至会使系统产生振荡；另外，增大比例系数还可能会同时放大噪声信号，因此，比例系数不可能取的太大。
1．1 重复控制策略
    采用单纯的PI控制，由于无法有效改善逆变器非线性因素的影响，必须引入新的控制策略和控制环节。20世纪80年代，Inoue等人根据内模原理提出了重复控制思想。在稳定的闭环系统内设置一个可在以产生与参考输入同周期的内部模型，从而使系统实现对外部周期性参考信号的渐近跟踪。重复控制系统如图l所示。由于它具备优秀的鲁棒性，对于消除非线性负载及其他周期性干扰引起的波形畸变具有明显的效果。

    重复控制器由周期延迟环节z-N、一阶低通滤波器Q(z)和补偿器S(z)组成。P(z)为受控对象的传递函数，d为扰动信号，Ⅳ为每周期采样次数，S(z)为一个补偿环节，使系统在中低频段为单位增益，无相位滞后环节。虽然重复控制能够对周期性参考正弦给定信号实现无稳态误差的跟踪控制，但存在对误差的跟踪控制滞后一个参考周期后才输出的特点。综合考虑，将重复控制与PI控制两种策略结合起来，使系统兼具良好的稳态和动态特性。
1．2 重复控制系统仿真
    本仿真系统中，参考正弦波为50Hz，逆变器的开关频率为20kHz，因此采用频率fs=20kHz，故可以确定每周期的采样拍数N=400。显然周期延时环节z-N=z-400，取滤波器的Q值为0．95。图2所示为仿真模型图，图3为仿真结果图。可知，将重复控制应用在并网逆变器系统中，改善了发电系统的输出电流波形，改善了稳态误差。

2 孤岛效应
2．1 孤岛效应的产生
    所谓孤岛效应，根据美国Sandia国家实验室提供的报告指出，当电力公司的供电，因故障事故或停电维修而跳脱时，各个用户端的太阳能并网发电系统未能即时检测出停电状态而将自身切离市电网络，而形成由太阳能并网发电系统和周围的负载形成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。
    光伏并网系统与本地负载相连，通过投闸开关连接到配电网上，其拓扑结构如图4所示，当电网停电时则形成孤岛。
2．2 孤岛效应的检测
    当孤岛一旦产生将会危及电网输电线路上维修人员的安全；影响配电系统上的保护开关的动作程序，冲击电网保护装置；影响传输电能质量，电力孤岛区域的供电电压与频率将不稳定；当电网供电恢复后会造成相位不同步；单相分布式发电系统会造成系统三相负载欠相供电。因此对于一个并网系统必须能够进行孤岛效应检测。
    孤岛效应检测技术在并网逆变器侧主要可分为主动式检测和被动式检测。另外，孤岛效应也可以在电网侧进行远程检测，比如利用电力载波通讯等手段实时监控电网状态。孤岛效应检测是逆变器并网不可缺少的保护检测之一。孤岛检测的方案也多种多样，各方案特点分析以及适用场合总结见表1。

2．3 孤岛效应的仿真
    本文结合常见的电流型光伏并网系统提出一种简单易行的主动型孤岛效应检测方式，采用主动频率偏移法来检测市电断电发生。主动频率偏移法(AFD：Active Frequency Drift)，它是通过周期性的改变并网电流频率来实现反孤岛效应功能的。具体实现思想就是系统逐周期检测出电网电压的频率后将它稍微增大或减小固定值以作为并网电流的给定频率，并且在电网电压每次过零时使并网电流复位，则当并网时，DSP每次检测到的电网电压频率不变；而脱网时，并网电流单独作用于负载上，由于并网电流频率的逐周期改变，这样，DSP每次检测到的负载电压频率就会逐渐增大或减小，很快就会达到给定频率保护的上、下限值使系统保护，从而使系统具有反孤岛效应功能。

    图5所示为孤岛检测仿真模型，其中，每个基波周期并网电流频率偏移0．25Hz，并在0．1s处将电网断开；图6为仿真结果。

3 结束语
    并网逆变器采用基于重复控制补偿的PI控制方法，输出并网电流波形良好，其基本实现并网电流的无误差跟踪。孤岛效应识别方法采用主动频率偏移法，可以简单有效地检测出系统的孤岛效应。