引 言
随着全球能源需求的不断增长以及对环境保护意识的逐渐增强，可再生能源的开发与利用受到了广泛关注。光伏逆变器作为光伏发电系统中的核心设备，其作用是将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电，以便接入电网供用户使用。随着光伏发电系统规模的不断扩大，对光伏逆变器性能和安全性的要求也越来越高。其中，孤岛保护是光伏逆变器至关重要的一项功能。当电网因故障、检修或其他原因停电时，如果光伏并网逆变器未能及时检测到停电状态并停止向电网供电，就会形成一个由光伏系统独立供电的
“孤岛”，这种现象被称为孤岛现象。
固纬电子在充分调研新工科建设需求和工业现场用人需求的基础上研发了电力电子训练系统（Power Electronics Training System）和电力电子变换器模组（Power Electronic
Kits）。PTS&PEK 系列的电力电子开发设计与实训系统提供了从电路原理、仿真到实作验证的全流程教学平台。尤其是通过PEK模组的教与学，学生可借助 PSIM 软件完成仿真，并通过其 C 代码生成功能将控制部分生成 C
代码，下载到 PEK 的 DSP 中进行实物实验，实现了从理论到实践的无缝对接。PTS＆PEK 系统注重培养学生的实践能力和创新思维。基于 PTS-5000
建立的实验教学中心，既能满足本科教学的演示型、验证型实验，也能满足设计型和创新型实验，有助于学生深入理解专业知识，提高解决实际问题的能力。
本案例是利用PEK510完成单相逆变器孤岛保护系统案例探讨，从原理学习、模拟仿真和实验等方面进行阐述，以达到深度教与学的目的。
仿真模型建立及结果
仿真实验是以固纬电子公司研发的PTS5000实验平台和PEK510模组性能参数完成。PTS5000实验平台主要由PSW160可编程直流电源、PEL3031直流电子负载、功率计、ASP-300模拟交流电源和GPL-500交流电子负载等组成。PEK-510
为单相光伏逆变器模组(Single Phase PV inverter Module)，前级为升压式转换器(Boost Converter)，后级为单相全桥逆变器(Single Phase
Inverter)，其为全数字控制系统。PEK510模组配置框图如图1所示，可区分为功率电路、测量电路、驱动电路以及保护电路。
图1 PEK510模组电路配置框图
PTS5000实验平台设备和PEK510模组设计参数为，
DC bus Voltage Vd=80V;
AC Source Voltage V=40Vrms;
逆变器开关频率 Fs =20kHz;
开关信号峰峰值 Vtr = 10 V;
交流侧滤波器 L = 661uH, C = 10uF ;
交流侧电流检测系数 Ks=0.3；
交流侧电压检测系数 Kv=1/80；
直流侧电压检测系数 Kv’=1/40；
按照以上参数在PSIM界面建立光伏单相逆变器孤岛保护的仿真电路图如图2所示。在该图中，负载电压频率保护阈值设置为47.5Hz，模拟电网断开时间500ms。用于孤岛保护的起始相位θSMS设置
图2 PSIM仿真电路图
仿真结果如图3所示。
图3 孤岛保护PSIM仿真图
由图3可以发现，
模拟电网在0.5mS时停止给RLC负载供电，即从此时起发生孤岛现象，在孤岛保护的起始相位θSMS设置且负载电压频率保护阈值设置为47.5Hz情况下，经历10个工频周波，即200mS时间，SMS发出逆变器断电信号，即逆变器实现孤岛保护。
实验配置及实验结果
在PTS5000平台上按照图4进行接线，打开相关电源，利用PC计算机和下载器下载该实验的控制程序，并利用PC计算机与USB-RS232连接线让PSIM上的DSP示波器可以监控DSP的内部中间参量。
图4 孤岛保护系统实验接线图
按照以上接线和相应的设置后就可以实验，实验室现场实验装置图如图5所示。
图5 逆变器孤岛保护实验系统图
实验测试波形图6所示。
（a）单相负载正常工作电流电压波形图（CH1：电流波形；CH2和CH3分别为Vo和Vs 波形）
图6 孤岛现象和孤岛保护波形图
实验中采用RLC负载，且在PSIM离散案例中同样设置孤岛保护的起始相位θSMS设置或- 。从图6（b）和（c）可以发现，孤岛现象发生后经历一定时间后（由于示波器记录的原因，具体时间无法读取）孤岛保护发生，与仿真实验结果一致。
结 论
本文阐述了光伏单相交流逆变器孤岛保护系统，总结如下：
（1）软硬件实现逆变器孤岛保护
本文模拟逆变器与电网并联运行时，电网发生故障而导致电力中断，逆变器因处于孤岛现象而未跳脱，由加入滑模频率偏移法(SMS)的控制方式使逆变器实现孤岛保护。理论分析、仿真和实验验证了基于滑模频率偏移法(SMS)的控制方式的逆变器孤岛保护。
（2）一体化教学流程
实现全流程教学平台。PTS系列电力电子开发设计与实训系统提供了从电路原理、设计、仿真到实作验证的全流程教学平台。搭配 PEK 系列模块，如案例中介绍的 PEK510模组，学生可借助 PSIM 软件完成仿真，并通过其 C
代码生成功能将控制部分生成 C 代码，下载到PEK的 DSP 中进行实物实验，实现了从理论到实践的无缝对接。
（3）模块化与开放性设计
PEK采用先进的模块化设计。如 PEK520
永磁同步发电机型风电逆变器实验模块、PEK530微网逆变器基本实验模块等。这种设计便于根据教学需求灵活组合实验内容，同时开源式设计提供了模块电路图档和详细电路原理，方便教师和学生进行二次开发和深入研究。
（4）提升实践与创新能力
PTS＋PEK 系统注重培养学生的实践能力和创新思维。基于PTS5000建立的实践教学中心，既能满足本科教学的演示型、验证型实验，也能满足设计型和创新型实验，如PEK520
模块可完成最大风能跟踪实验、低电压穿越实验等，有助于学生深入理解专业知识，提高解决实际问题的能力。
（5）易学有收获感
易学上手收获自信。对于一些复杂的控制技术，如DSP 控制，PEK 模块通过与 PSIM 软件的结合，让不懂 C 语言编程的学生也能快速完成 DSP
对变换器主电路的控制，降低了学习难度，使学生能够更专注于电力电子原理和控制策略的学习，实验效果也是学生有收获感。
