孤岛效应是指电网因电气故障、人为误操作或自然灾害等原因中断供电时，分布式发电系统未能检测出停电状态而脱离电网，继续向电网与周围负载提供电能所形成的不受大电网监控的自发供电状态。孤岛效应中非计划性孤岛由于危险性较大，是不允许发生的。 在PEK-510单相光伏并网逆变器电路控制学习的基础上，本期将利用单相光伏并网变换器通过主动频率偏移检测，调整偏移角度使频率超出系统所设定范围的方式实现孤岛保护的功能进行教学与分析，为老师提供相关实验与教学资源参考。PEK-510模组图如图所示。
PEK-510
单相光伏并网逆变器
PEK-510模组介绍:
PEK-510 为单相光伏逆变器模组(Single Phase PV Inverter Module)，模组实物照片如图1 所示，主要两级组成，前级为升压式转换器(Boost Converter)，后级为单相全桥逆变器(Single Phase Inverter)，同时还具有主要变量的检测和DSP控制功能部分。该模组实验目的是为使用者提供基于DSP控制的电力变换器学习平台，即借助PSIM 软件完成仿真和实验。第一实验者可以在PSIM上建立模拟(连续)仿真电路，以学习电力变换器的原理、分析和功能设计;第二将电力变换器的控制转化去数字(离散)仿真部分，进行仿真研学;第三借助DSP芯片内部所具有的A/D转化器、数据处理和PWM信号生成功能，再次进行数字(离散)仿真;第四通过PSIM之C代码生成功能，将控制部分生成C代码;最后将生成的C代码下载于PEK-510的DSP之中，以备实物实验。这样设计的最大优点方便实验者能够快速完成DSP对变换器主电路的控制。 进行实验除需要PEK-510模组外，仍需配置PEK-005A(辅助电源)和PEK-006 (JTAG 下载器)等，并在PTS-5000的实验平台上完成。
PTS-5000 实验平台
单相光伏并网逆变器组成
单相光伏并网逆变器实验系统组成如图3所示，即主要由DC电源、单相逆变电路、交流电源、检测单元模块和DSP数据采集、处理及PWM信号模块组成。
图3单相光伏并网逆变器实验系统
单相光伏并网逆变器孤岛控制方案
单相光伏并网逆变器孤岛控制需要以下控制部分:(1)锁相环控制;(2)逆变电压电流双环控制;(3)主动频率偏移孤岛检测控制。具有孤岛保护的单相逆变器并网控制框图如图4所。下面对实现单相光伏并网逆变器孤岛保护控制的主要控制单元进行分析、讨论。
图4 光伏单相逆变器并网控制框图
(1)锁相环(PLL)
锁相环(phase locked loop)是一种利用相位同步产生的电压，去调谐压控振荡器以产生目标频率的负反馈控制系统。根据自动控制原理，这是一种典型的反馈控制电路，利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。锁相环通常由鉴相器(PD，Phase Detector)、滤波器(LF，LoopFilter) 和压控振荡器(VCO，Voltage Controlled Oscillator)3部分组成。锁相环实现框图如图5所示。
图5 锁相环实现框图
(2)单相逆变器控制模型
逆变控图如图6所示，
图6单相并网逆变器实现框图由图6可以发现，
这里
1)电流控制器设计
根据逆变器的输出电流方程(3)，设计PI控制器，设计框图如图7所示
图7 电流控制器设计框图
2)电压控制器设计
由于电流内环的频带宽度远远高于电压环，因此在设计电压控制器时，电流环可以视为单位1，即电流环的输出跟踪输入。电压控制器采用2型控制器，以减小直流母线2次纹波电压。电压控制器设计框图如图8所示。
图8 电压控制器设计框图
在图8中，
3)主动频率偏移孤岛检测控制
孤岛模式产生示意图如图9所示。光伏并网系统由于某种原因与主电网断开连接，仍向负载供电，由此形成一个无电网控制的自给独立供电系统。
图9 分布式发电系统孤岛产生示意图
在孤岛检测方法中，孤岛效应的主动检测方案主要是通过控制算法使逆变器输出微弱的周期性扰动。其中主动频率偏移检测方案是最具有代表性的主动孤岛检测方法之一。光伏并网逆变器的输出电流可表示为下式:
光伏逆变器通常采用电流控制来实现孤岛检测，其基本原理是利用频率或者相位干扰来达到公共耦合连接点(PCC)移频的目的，即通过输出电压频率与电网电压频率之间存在的一定的微小误差(在并网标准允许范围内)。在电网正常运行期间，由于锁相环的校正，逆变器的输出电压频率与电网电压频率之间的误差始终在一个小的范围内，当电网断开连接时，PCC处测的电压频率为逆变器输出的上一个周期电流频率，箝位效应消失，此时锁相环不能进行校正，逆变器输出电压的频率会发生变化，由于微小扰动的持续存在，这等同于增加一组频率误差来控制逆变器输出电压的频率，重复此过程，逐渐积累持续偏移最终超过设定的频率阈值，逆变器不再输出电流，即成功检测出孤岛状态并停止向负载供电。主动频率偏移检测方案与控制流程如图10、图11。
图10 主动频率偏移检测方案示意图
图11 主动频率偏移检测方法控制流程图
结合PLL锁相，采用主动频率偏移检测的仿真设计如图12
图12 基于主动频率偏移检测的锁相环设计
PSIM 仿真
在PSIM搭建模拟仿真图如图13所示。仿真结果如图14、15与图16所示。
实验
应用PTS-5000完成光伏单相逆变器孤岛保护，其连接线图如图17所示。PSW160-7.2设定电压为100V，电流1.5A，APS-300设置为50Hz，电压40V，操作于1P2W模式下(注:APS-300接至ACInput后，再由单相测试线由AC Output接至PEK-510)。
(1)未建立孤岛运行方式
当PEK-510开关开启后，可观测得PSW提供功率为120W，APS-300亦提供单相8.4W功率，逆变器正常运行，调整PSW输出功率，使APS-300输出功率降为零，当PSW输出电流调整为1.6A，PSW输出功率为130W，此时APS-300输出功率为零，(AC)，逆变器正常运行。
(2)建立孤岛运行方式
将AC开关断开(即断开市电)，逆变器因检测到市电断开而中断运行。AC开关状态如图20所示。
产生孤岛现象后，通过PSIM的DSP示波器调整偏移角度,偏移角度与输出电压频率对应关系表1。
由实验结果可以看出，随着偏移角度为正值增加，输出电压频率逐渐增加，直至PEK-510逆变器不工作(输出电压频率大于52Hz);随着偏移角度为负值增加，输出电压频率逐渐下降，直至PEK-510逆变器不工作(输出电压频率小于48Hz)。
结论
由结果可以看出，主动频率偏移检测可在系统处于孤岛现象时利用调整偏移角度，使得频率超出系统所设定之范围，达到孤岛保护的功能。