一種改進(jìn)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主動移相式孤島檢測方法

孫學(xué)超，李 嵐

SUN Xue-chao, LI Lan

(太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院，太原 030024)

0 引言

孤島是指當(dāng)電網(wǎng)停止供電時，分布式發(fā)電系統(tǒng)繼續(xù)向本地負(fù)載繼續(xù)供電的現(xiàn)象[1]。在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，孤島現(xiàn)象的出現(xiàn)可能會對整個配電系統(tǒng)及用電設(shè)備造成不利影響。主要有以下幾點危害：危及輸電線路檢修人員安全；影響配電系統(tǒng)上保護(hù)開關(guān)的動作程序；電網(wǎng)恢復(fù)時相位不同步，引起大的電流沖擊；系統(tǒng)因單相供電而造成系統(tǒng)三相欠相供電等[2]。因此光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中孤島現(xiàn)象的檢測是非常必要的。

孤島檢測方法可分為被動式和主動式[3]。被動式孤島檢測方法主要是依靠對公共耦合點（Point of Common Coupling，PCC）電參量進(jìn)行檢測來判斷是否發(fā)生孤島效應(yīng)。但當(dāng)逆變器輸出功率與負(fù)載平衡時將產(chǎn)生檢測盲區(qū)。主動式孤島檢測方法是指系統(tǒng)對電網(wǎng)施加擾動信號，通過檢測電網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)來判斷是否發(fā)生孤島效應(yīng)[4]。通過主動施加擾動可以保證檢測無盲區(qū)，因此主動式方法更受青睞。施加擾動種類主要有：輸出功率、頻率、相位等等[5～7]。其中主動移相法是通過對公共耦合點的并網(wǎng)電流相位進(jìn)行擾動來進(jìn)行檢測的方法，它具有無功率損失、檢測效率高、電流畸變小等特點。

本文對常用的主動移相法進(jìn)行分析研究，針對空間矢量脈寬控制（space vector pulse width modulation，SVPWM）的三相并網(wǎng)逆變器提出改進(jìn)的主動移相式孤島檢測方法，并計算了參數(shù)。該方法在簡化的自動移相法的基礎(chǔ)上通過檢測頻率控制擾動的正反饋，從而保證檢測效果滿足孤島檢測要求，并且與改進(jìn)前相比降低對并網(wǎng)電流質(zhì)量的影響，如圖1為運行原理圖。

圖1 控制原理圖

1 常用的主動移相法

主動移相法的原理為，對逆變器輸出電流相位進(jìn)行擾動，使電流與電網(wǎng)電壓相位存在相位差θ，當(dāng)孤島現(xiàn)象出現(xiàn)時，由于擾動角θ的存在，PCC點電壓頻率將在鎖相環(huán)的作用下持續(xù)偏移，當(dāng)達(dá)到過頻率保護(hù)點時，逆變器將停止工作。傳統(tǒng)的主動移相算法為滑動移相法（Slip Mode phase Shift,SMS），它將偏移的相位設(shè)置為偏離電網(wǎng)頻率的正弦函數(shù)。

其中，θm為最大移相角，fm為產(chǎn)生最大移相角時的頻率，fg為電網(wǎng)的工頻頻率，f為PCC點電壓頻率。此算法運算較為復(fù)雜，且未設(shè)置初始相移，雖然電網(wǎng)存在噪聲與檢測誤差，但都不可控，不能保證可靠觸發(fā)。

在SMS法基礎(chǔ)上出現(xiàn)了簡化的自動移相法（Auto Phase Shift，APS）。其相角可表示為：

式（3）通過檢測斷網(wǎng)瞬間頻率偏移方向來決定相位擾動方向，從而保證斷網(wǎng)瞬間擾動相位可靠觸發(fā)，并且提高檢測速度[8]。

當(dāng)孤島效應(yīng)發(fā)生時，系統(tǒng)將在擾動的作用下到達(dá)一個新的平衡狀態(tài)，在新的平衡狀態(tài)下滿足條件：

其中θload為負(fù)載電流超前電壓的角度，f0為負(fù)載諧振頻率，Qf為負(fù)載品質(zhì)因數(shù)。為保證APS法檢測無盲區(qū)，要求在標(biāo)準(zhǔn)諧振負(fù)載條件下，滿足：

將式（2）、式（5）式代入式（6）得不同品質(zhì)因數(shù)下，K值應(yīng)滿足[9]：

因此保證較大的正反饋因數(shù)可以確保一定負(fù)載條件下檢測無盲區(qū)。但正常運行時電網(wǎng)電壓頻率存在一定波動，反饋因數(shù)越大，正常運行時并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位差越大，對電網(wǎng)質(zhì)量影響越大，因此在滿足孤島檢測條件下，k值越小越好。

2 改進(jìn)算法的提出和相關(guān)參數(shù)的計算

對簡化的自動移相法參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)的原理為，當(dāng)k值不滿足式（7）時，系統(tǒng)孤島運行時PCC點電壓頻率將產(chǎn)生偏移，達(dá)到新的穩(wěn)定點。負(fù)載選取在最惡劣的條件下，品質(zhì)因數(shù)為2.5時，諧振頻率50Hz。由式（7）得此時檢測無盲區(qū)的條件為k＞0.1。如圖2所示，曲線1為當(dāng)k＜0.1、頻率向上偏移時APS法擾動相位隨頻率變化曲線。曲線2為負(fù)載相角隨頻率變化曲線。當(dāng)頻率比A點小時，擾動角小于負(fù)載相角，鎖相環(huán)的作用下系統(tǒng)頻率將增大；當(dāng)頻率比A點大時，擾動角大于負(fù)載相角，鎖相環(huán)的作用下系統(tǒng)頻率將減小，因此圖2中A點為穩(wěn)定運行點。

圖2 APS法相移隨頻率變化圖

檢測PCC點電壓頻率，到達(dá)穩(wěn)定點A之前，改變k值，則可保證頻率繼續(xù)偏移，最終在頻率達(dá)到穩(wěn)定點之前使k＞0.1即可保證孤島現(xiàn)象成功檢測出。圖3為頻率向上偏移時，不同的K值對應(yīng)的頻率穩(wěn)定運行點。

圖3 APS法穩(wěn)定運行點圖

國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T15945-1995《電能質(zhì)量—電力系統(tǒng)頻率允許偏差》規(guī)定，電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為 50±0.2Hz。實際運行中，我國電力系統(tǒng)頻率的允許偏差都保持在±0.1Hz的范圍內(nèi)。則跟據(jù)頻率改變兩次k值，取改變k值的頻率變化閥值分別為±0.1Hz、±0.2Hz?？紤]檢測誤差選取適當(dāng)k值使穩(wěn)定運行點頻率與工頻差分別為±0.15Hz、±0.25Hz，由式（2）、式（4）及式（5）得兩穩(wěn)定點對應(yīng)k值分別為0.03、0.06。取正反饋增益k的初值為0.03，當(dāng)頻率差達(dá)到閥值±0.1Hz時變?yōu)?.06，當(dāng)頻率差達(dá)到閥值±0.2Hz后取k的終值大于0.1即可。與改進(jìn)前的固定正反饋增益值相比，改進(jìn)后的方法可以在電網(wǎng)無故障時減小系統(tǒng)k值，從而減小對并網(wǎng)電流質(zhì)量的影響。并且，由于電網(wǎng)正常運行時電壓頻率偏差在±0.2Hz以內(nèi)，因此k的終值并不影響并網(wǎng)電流的質(zhì)量，則可通過提高終值來提高檢測速度。取k終值為0.3，則k值變化表達(dá)式為：

改進(jìn)后的算法比傳統(tǒng)的算法（2）多了兩次正反饋因數(shù)的調(diào)節(jié)。本文研究的光伏逆變器采用DSP2812作為控制器，運算能力強(qiáng)大，處理速度快。兩此反饋因數(shù)的調(diào)節(jié)只需增加兩次中斷的時間，所加時間可忽略不計。

經(jīng)過理論分析，改進(jìn)的方法通過檢測頻率對正反饋因數(shù)進(jìn)行非線性變換可保證在降低擾動對并網(wǎng)電流質(zhì)量影響的情況下成功檢測出孤島，同時通過檢測頻率達(dá)到閥值后進(jìn)一步增大k值還可以進(jìn)一步提高檢測速度。

3 仿真分析

為對改進(jìn)的算法的效果進(jìn)行分析，本文對1.4KW的光伏發(fā)電戶用系統(tǒng)孤島檢測采用MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真分析，仿真模型如圖4所示。

圖4 MATLAB/Simulink下光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型

在負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為2.5，諧振頻率為50Hz的條件下，對簡化的APS法進(jìn)行仿真，取正反饋因數(shù)k=0.102，初始相移θ0為0.01rad，系統(tǒng)在0.2s處斷網(wǎng)。

圖5 算法（2）仿真結(jié)果

仿真可知，系統(tǒng)在0.288s處成功檢測出孤島現(xiàn)象并斷網(wǎng)。由式（2）可得，當(dāng)電網(wǎng)電壓頻率偏差分別為±0.1Hz、±0.2Hz時，并網(wǎng)電流與電壓的相位差分別為0.0202rad、0.0304rad。對上述簡化的APS法進(jìn)行改進(jìn)，取正反饋系數(shù)按式（8）變化。仿真結(jié)果如圖6所示。

仿真可知，通過檢測頻率變換正反饋因數(shù)的值，可以在斷網(wǎng)發(fā)生時，使電壓頻率持續(xù)偏移，使系統(tǒng)在0.258s處檢測到孤島現(xiàn)象并最終成功斷網(wǎng)。且與改進(jìn)前相比，在檢測速度上提高了0.03s。證實了改進(jìn)后方法的可行性。并且由式（2）可得改進(jìn)后的算法對并網(wǎng)電流質(zhì)量影響。

圖6 算法（8）仿真結(jié)果

表1 不同擾動算法效果對比

根據(jù)國家對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)要求，在電網(wǎng)發(fā)生故障失壓時，孤島檢測系統(tǒng)應(yīng)在2s內(nèi)動作[10]，將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)切斷。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的算法可以滿足孤島檢測的要求，并且可以通過較為簡單的運算使并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的相位差比改進(jìn)前減小，提高了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出電能質(zhì)量，并且通過優(yōu)化參數(shù)，可以在不增加對并網(wǎng)電流質(zhì)量影響的情況下提高檢測速度，是一種適合于在DSP環(huán)境下應(yīng)用的方法。

4 結(jié)論

從理論分析和仿真結(jié)果來看，提出的改進(jìn)的主動移相式算法具有如下優(yōu)點：

1）通過邏輯判斷改變計算參數(shù)，可以實現(xiàn)檢測無盲區(qū)。

2）算法簡單，僅通過簡單的數(shù)學(xué)計算與邏輯判斷，減小了編程工作量。

3）改進(jìn)的算法在保持檢測速度的同時，減小了擾動算法對并網(wǎng)電流質(zhì)量的影響。

綜上所述，本文提出的改進(jìn)的主動移相式孤島檢測方法具有算法簡單，能量利用率高，對電網(wǎng)影響小的特點，具有一定的實際應(yīng)用價值。

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