AFD逆变器



单相并网控制原理

单相并网控制的核心原理是通过电流跟踪控制，使逆变器输出的交流电流与电网电压同频同相，实现单位功率因数并网发电，并通过锁相环（PLL）实时同步电网相位。

一、核心控制结构

1. 电流控制环

采用比例谐振（PR）控制器或准PR控制器，直接对交流电流进行无静差跟踪控制。PR控制器在基波频率（50Hz）处提供极高增益，有效抑制该频率下的稳态误差，优于传统PI控制器（需进行dq变换）。控制目标为使得逆变器输出电流i_inv精准跟踪电网电压相位给定的电流指令i_ref。

2. 锁相环（PLL）

采用基于二阶广义积分器（SOGI）的单相锁相环结构。SOGI-PLL能生成与电网电压正交的两相信号（αβ坐标系），再通过Park变换和PI控制器精确锁定电网电压的相位和频率，为电流控制提供同步基准。

3. 前馈解耦

为改善动态响应，常在电流环中加入电网电压前馈，以抵消电网电压扰动对系统的影响。

二、系统工作流程

1. 采样电网电压，通过PLL算法实时获取其相位角θ和频率f。

2. 根据最大功率点跟踪（MPPT）算法得到的直流侧功率，结合当前直流母线电压，计算出应注入电网的电流幅值指令I_ref。

3. 生成正弦电流参考信号：i_ref = I_ref * sin(θ)

4. 采样逆变器实际输出电流i_inv，与i_ref比较后，误差送入PR控制器。

5. PR控制器输出调制波信号，经脉宽调制（PWM）驱动功率开关管（如MOSFET, IGBT），使逆变器输出电流精准跟踪参考指令。

三、关键保护机制

系统必须集成孤岛检测保护，主动式检测（如AFD）与被动式检测（如过/欠压、过/欠频）结合，确保电网失电时逆变器能迅速离网，防止形成孤岛供电，威胁人身和设备安全。

孤岛检测方法主动检测方法

主动式孤岛检测方法是一种通过逆变器控制实现的策略，旨在检测电网故障时的异常情况。其基本原理是通过扰动逆变器的功率、频率或相位，当电网正常时，这种扰动会被电网的平衡机制抵消，但故障时扰动会累积并超出正常范围，从而触发孤岛效应检测电路。这种方法具有高精度和较小的非检测区域，但同时也带来了控制复杂性和可能降低电能质量的副作用。

目前并网逆变器的反孤岛策略常常采用被动和主动检测的结合。一种常见方法是频率偏移检测法（AFD），它通过主动频率失真，使逆变器输出的电流频率偏离，当达到保护阈值时，便能识别孤岛。滑模频率漂移检测法（SMS）则是通过控制电流相位差，利用电网失压后的频率偏离来判断孤岛。随着负载品质因数的增加，这种方法的可靠性会受到影响。

周期电流干扰检测法（ACD）则是通过周期性减小电流，观察负载电压变化来识别孤岛。而频率突变检测法(FJ)是对AFD的一种改进，通过预设的频率模式检测逆变器输出的频率变化，有效地防止孤岛，但在多台逆变器运行时，频率偏移方向的差异可能导致检测效率降低。

总的来说，主动式孤岛检测方法通过不同策略利用逆变器的特性，能够在电网故障时迅速识别出孤岛，但同时也需考虑到其复杂性及潜在的局限性。

逆变器下垂控制的问题有哪些

逆变器下垂控制存在5类核心问题，主要包括功率分配精度不足、动态响应迟滞、参数敏感性突出等。

一、基础控制机制问题

1. 功率分配精度问题：下垂控制的理论模型依赖于理想线路阻抗，但实际系统中线路材质差异、长度不均、温度变化等因素会导致阻抗特性偏离预设值。例如使用铜线与铝导线混接时，电阻差异可达1.6倍，直接影响功率分配比例准确性。

二、动态特性缺陷

2. 动态响应较慢：传统下垂控制基于静态调差特性建立，其功率-频率曲线的斜率调节存在固有延迟。实验数据显示，在负载突变时调节响应时间普遍超过150ms，此时可能伴随±0.5Hz以上的频率波动，影响敏感设备运行。

三、系统稳定性挑战

3. 稳定性受参数影响大：下垂系数（Kp/Kq）需在虚拟阻抗与阻尼特性间寻找平衡点。当Kp设置超过临界值（通常为0.05-0.1rad/MW）时，系统会发生功率振荡，实际案例显示不恰当参数导致运行失稳的概率可达12%。

四、保护机制冲突

4. 孤岛检测困难：因下垂控制主动调整输出电压频率，导致被动式检测法（如AFD、SFS）的失效概率升高38%。检测窗口需要从常规的2秒延长至5秒，但会增加孤岛风险的安全阈值。

五、扩展应用局限

5. 通信依赖问题：在多逆变器并联场景中，为实现超过90%的功率分配精度，往往需要配置低延时（<100ms）的通信链路。但通信中断情况下，功率偏差可能超过设计值的25%，这对无通信冗余设计的系统构成直接风险。

单相孤岛检测（一）为什么要孤岛检测？如何孤岛检测？主动频率偏移法AFD的MATLAB/Simulink仿真实现

为什么要进行孤岛检测

孤岛检测是确保新能源发电系统并网运行安全性的重要措施。当逆变器与大电网并网运行，若大电网因故障跳闸，逆变器可能独立向周围负载供电，形成电力公司无法掌控的自给供电孤岛。孤岛现象可能带来以下危害：

威胁电力维修人员安全：电力系统停电后，分布式电源使不带电的线路和设备带电，对维修人员构成威胁。损坏精密设备：大电网掉电后，系统电压、频率变化，可能损坏精密仪器和设备。责任分摊困难：大电网和微电网对电能质量损失的责任难以分摊。影响继电保护装置：孤岛现象可能导致配电网常规继电保护装置误动作或损坏。产生高冲击电流：孤岛运行系统重新接入大电网时，若不同步，可能损坏断路器，产生高冲击电流，导致电网重新跳闸。

因此，进行孤岛检测是防止非计划孤岛现象发生、保障电网安全稳定运行的关键。

如何进行孤岛检测

孤岛检测方法主要分为基于通信的方法和基于逆变器的本地检测方法。基于逆变器的本地检测方法又可分为被动检测法和主动检测法。

被动检测法：通过监测电网电压、频率等参数的变化来判断是否发生孤岛现象。但被动检测法存在检测盲区，即在某些情况下无法准确检测到孤岛现象。主动检测法：通过向逆变器输出电流施加扰动信号量，使频率产生偏移来检测孤岛。主动检测法检测速度快、检测盲区小，但可能对并网电能质量产生一定影响。主动频率偏移法（AFD）的MATLAB/Simulink仿真实现

主动频率偏移法（AFD）原理：

主动频率偏移法是通过向逆变器输出电流施加扰动信号量，在孤岛发生时促使频率产生偏移来检测孤岛的。系统并网运行时，大电网的包容性使公共连接点（PCC）电压保持稳定，电流对电压无影响。孤岛发生时，包容性作用消失，电流的偏移导致PCC点电压频率发生改变，同时逆变器输出电流的偏移时间产生正反馈，加大频率偏移。当频率超出预设阀值时，检测到孤岛现象。

MATLAB/Simulink仿真实现：

搭建仿真模型：

仿真模型包括并网逆变器、直流侧电压源、开关、RLC并联负载、单相电网电压源等。设置并网逆变器直流侧电压为400V，开关频率为10kHz，单相电网电压为220V、50Hz。在0.2s时断开电网侧开关，模拟孤岛状态。

设置AFD参数：

设置AFD的频率偏移量Δf为2.5Hz和0.5Hz，分别进行仿真。

仿真结果分析：

当Δf为2.5Hz时，0.2215s时PCC点电压频率超出50.5Hz，逆变器判断孤岛发生，封锁脉冲停止输出。逆变器输出电流谐波含量为4.97%，孤岛检测时间为21.5ms。

当Δf为0.5Hz时，0.228s时逆变器检测到孤岛发生并停止输出。逆变器输出电流谐波含量降为1.37%，但孤岛检测时间延长至28ms。

结论：

主动频率偏移法（AFD）具有检测速度快、检测盲区小、实现简单的优点，是并网逆变器式分布电源孤岛检测的首选技术。但注入的扰动信号量可能对并网电能质量产生影响，产生谐波干扰，使用时需注意。通过调整频率偏移量Δf，可以在保证检测速度的同时，降低对电能质量的影响。

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