主動(dòng)電流幅值擾動(dòng)的孤島檢測(cè)方法

李 洋

(曲阜師范大學(xué) 工學(xué)院， 山東 日照 276826)

主動(dòng)電流幅值擾動(dòng)的孤島檢測(cè)方法

李 洋

(曲阜師范大學(xué) 工學(xué)院， 山東 日照 276826)

本文根據(jù)光伏并網(wǎng)逆變器發(fā)生的孤島效應(yīng)原理，分析了被動(dòng)式與主動(dòng)式孤島檢測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了一種電流幅值擾動(dòng)的孤島檢測(cè)方法, 該方法有效地降低了被動(dòng)式檢測(cè)的非檢測(cè)區(qū)域，同時(shí)不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。根據(jù)IEEE Std.1547中的規(guī)定對(duì)所提方法進(jìn)行了理論分析，介紹了其工作過(guò)程，并給出了工作流程圖，同時(shí)利用Matlab進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該方法的有效性。

孤島檢測(cè)；電流幅值擾動(dòng)；Matlab

0 引言

光伏發(fā)電系統(tǒng)分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩類(lèi)，相比離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)對(duì)太陽(yáng)能的利用率較高。對(duì)于系統(tǒng)工作時(shí)可能出現(xiàn)的過(guò)流、過(guò)/欠電壓等故障，通常可以通過(guò)硬件電路和軟件配合進(jìn)行檢測(cè)與處理。但對(duì)于并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，需要考慮孤島效應(yīng)。孤島效應(yīng)即在分布式發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)供電因事故或停電維修而中斷時(shí)，分布式并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)未能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而使之切離電網(wǎng)，仍然向用戶端供電，最終形成一個(gè)無(wú)法控制的由并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)與其負(fù)載組成的自己供電孤島[1]。

傳統(tǒng)的孤島檢測(cè)方法分為被動(dòng)式檢測(cè)和主動(dòng)式檢測(cè)兩大類(lèi)。

被動(dòng)式檢測(cè)又分為過(guò)/欠電壓、過(guò)/欠頻率檢測(cè)、基于電壓諧波檢測(cè)等方法，被動(dòng)式檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是成本低，正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，逆變器不會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成影響，且當(dāng)多臺(tái)逆變器同時(shí)運(yùn)行時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生稀釋效應(yīng)，但被動(dòng)式檢測(cè)的NDZ區(qū)(非可檢測(cè)區(qū))較大，當(dāng)出現(xiàn)功率匹配度較高的情況時(shí)便很難判斷出孤島的發(fā)生。

主動(dòng)式檢測(cè)分為①頻移法：包括主動(dòng)頻移法(AFD)、正反饋主動(dòng)頻移法(Sandia)與滑模頻率偏移法；②功率擾動(dòng)法；包括有功功率擾動(dòng)法與無(wú)功功率擾動(dòng)法[2-3]。

主動(dòng)式孤島檢測(cè)有較小的不可檢測(cè)區(qū)，在功率匹配度較高時(shí)一樣可以檢測(cè)出孤島效應(yīng)，但主動(dòng)頻移法檢測(cè)會(huì)向電網(wǎng)引入諧波，造成電網(wǎng)的諧波污染，降低并網(wǎng)光伏系統(tǒng)輸出電能的質(zhì)量[4]。功率擾動(dòng)法檢測(cè)則會(huì)因?yàn)閷?duì)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的輸出功率施加擾動(dòng)而降低了其輸出效率。

由于被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法的不可檢測(cè)區(qū)較大，會(huì)造成潛在的危險(xiǎn)，而主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法對(duì)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生諧波污染，降低電能質(zhì)量[5]。本文針對(duì)上述情況提出了一種新的基于主動(dòng)電流幅值擾動(dòng)的孤島檢測(cè)方法，通過(guò)對(duì)并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)電流幅值施加擾動(dòng)來(lái)檢測(cè)出孤島效應(yīng)，該方法是通過(guò)對(duì)電流的大小施加擾動(dòng)，從而促使逆變器輸出端的電壓出現(xiàn)波動(dòng)最終達(dá)到通過(guò)過(guò)/欠壓保護(hù)的方式檢測(cè)到孤島效應(yīng)，該方法有效的降低了被動(dòng)式檢測(cè)的不可檢測(cè)區(qū)域，同時(shí)不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，檢測(cè)準(zhǔn)確，響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)。本文還通過(guò)Matlab建模進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該方法的正確性。

1 孤島效應(yīng)發(fā)生機(jī)理

并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)一般會(huì)通過(guò)變壓器與斷路器和電網(wǎng)相連，圖1所示為并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)功率結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)載端用RLC并聯(lián)電路來(lái)代替，假設(shè)流向負(fù)載端的有功功率為Pload，無(wú)功功率為Qload，逆變器工作時(shí)提供的有功功率為P，無(wú)功功率為Q，電網(wǎng)工作時(shí)提供的有功功率為ΔP，無(wú)功功率為ΔQ。由能量守恒定律可得公共點(diǎn)處的功率：

Pload=P+ΔP

(1)

Qload=Q+ΔQ

(2)

根據(jù)式(1)、(2)可知，當(dāng)P>Pload時(shí)，即逆變器輸出的有功功率大于負(fù)載所消耗的功率時(shí)，逆變器向電網(wǎng)輸出有功功率；當(dāng)P>Pload時(shí)，即逆變器提供給負(fù)載的有功功率小于負(fù)載所消耗的功率時(shí)，電網(wǎng)向負(fù)載端輸出有功功率；當(dāng)P=Pload時(shí)，即逆變器提供給負(fù)載的有功功率等于負(fù)載所消耗的功率時(shí)，電網(wǎng)不接收也不輸出有功功率，當(dāng)Q=Qload時(shí)，此時(shí)表示發(fā)電裝置與負(fù)載端出現(xiàn)了功率匹配現(xiàn)象。

圖1 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)功率結(jié)構(gòu)

當(dāng)斷路器斷開(kāi)時(shí)，通常狀況下，并網(wǎng)型發(fā)電裝置輸出的功率與負(fù)載所需功率之間會(huì)出現(xiàn)不匹配，即P>Pload或PQload或Q

2 主動(dòng)電流幅值擾動(dòng)方法

2.1 主動(dòng)電流幅值擾動(dòng)方案的提出

由于在功率匹配情況下，用被動(dòng)式檢測(cè)方法檢測(cè)不出孤島效應(yīng)的發(fā)生，因此提出一種新型的主動(dòng)電流幅值擾動(dòng)孤島檢測(cè)方法。并網(wǎng)逆變器輸出的端電壓由圖1可知：

ua=Uamsin(ωt+φa)

電網(wǎng)電壓為

unet=Unetsin(ωt+φa)

并網(wǎng)逆變器輸出的電流為

iinv=Iinvsin(ωt+φinv)

并網(wǎng)逆變器在正常運(yùn)行時(shí)，由于功率因數(shù)近乎于1，因此φa=φinv。Uam、Unet、Iinv分別為電壓ua、unet與電流iinv的幅值。

主動(dòng)電流幅值擾動(dòng)方案就是對(duì)逆變器輸出的電壓運(yùn)用正反饋進(jìn)行主動(dòng)式擾動(dòng)。定義擾動(dòng)因子Ic為逆變器輸出端電壓與電網(wǎng)電壓偏差的函數(shù)，即

Ic(k+1)=Ic(k)+K(Ue-Un)

(3)

式中Ic(k+1)為第k+1個(gè)擾動(dòng)周期的擾動(dòng)量，Ic(k)為第k個(gè)擾動(dòng)周期的擾動(dòng)量，K為不改變方向的增益系數(shù)。設(shè)電網(wǎng)電壓實(shí)時(shí)測(cè)量值為Un，端電壓實(shí)時(shí)測(cè)量值為Ue，通過(guò)Ue與Un的大小來(lái)選取擾動(dòng)初始值Ic(0)，即當(dāng)Ue>Un時(shí)，Ic(0)=Id，當(dāng)Ue≤Un時(shí)，Ic(0)=-Id。

2.2 主動(dòng)電流幅值擾動(dòng)法的工作原理

在理想情況下Un=311 V，由于電網(wǎng)電壓存在波動(dòng)，所以Un的值不恒定，因此我們可以認(rèn)為在短時(shí)間內(nèi)電網(wǎng)電壓值與端電壓值相等，即假設(shè)當(dāng)?shù)贙個(gè)周期電網(wǎng)電壓值為Un(K)時(shí)，則第K-N個(gè)周期的端電壓值與電網(wǎng)電壓值相等，即Ue(K-N)。圖2所示為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測(cè)模擬波形。

圖2 并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測(cè)模擬波形

假設(shè)第K個(gè)周期電網(wǎng)側(cè)斷開(kāi)，因?yàn)槎虝r(shí)間內(nèi)電網(wǎng)電壓值與端電壓值相等，且Ue(K-N)=Un(K)，所以網(wǎng)側(cè)斷開(kāi)后的N個(gè)周期內(nèi)，電網(wǎng)電壓值都可以由逆變器正常工作時(shí)的輸出電壓值來(lái)替代，即Un(K+1)=Ue(K-N+1),Un(K+2)=Ue(K-N+2),…,Un(K+N)=Ue(K),負(fù)載端的阻抗為

(4)

逆變器輸出的電流值由端電壓與負(fù)載阻抗可得

(5)

由式(3)確定了擾動(dòng)量，當(dāng)不施加擾動(dòng)時(shí)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出的電流為

IO=Insin(ωt)=Insin(2πft)

(6)

則施加擾動(dòng)后并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出的電流為

Io[In+Ic(k+1)]sin(2πft)

=[In+Ic(k+1)+K(Ue-Un)]sin(2πft)

(7)

由圖2可假設(shè)第K個(gè)周期電網(wǎng)掉電，若端電壓Ue(K)大于Kn(K)，即Ue(K)>Ue(K-N)，由式(4)、(5)可知，因?yàn)樨?fù)載端阻抗不變，電壓呈上升趨勢(shì)，則負(fù)載端電流也呈上升趨勢(shì)，通過(guò)引入的擾動(dòng)方程(7)可知，當(dāng)Ue(K)>Ue(K-N)時(shí)，擾動(dòng)量增加，使得負(fù)載端電流進(jìn)一步增加，從而使端電壓升高，當(dāng)端電壓的值上升到超出規(guī)定范圍后，通過(guò)端電壓過(guò)壓的被動(dòng)式檢測(cè)則可以檢測(cè)到孤島效應(yīng)；若端電壓Ue(K)小于Un(K)，即Ue(K)

根據(jù)以上分析，當(dāng)并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)工作在功率不匹配狀態(tài)時(shí)，通過(guò)對(duì)并網(wǎng)逆變器的過(guò)/欠壓、過(guò)/欠頻檢測(cè)便可以檢測(cè)出孤島效應(yīng)。當(dāng)工作在功率匹配狀態(tài)時(shí)，被動(dòng)式檢測(cè)方法無(wú)法判斷孤島的發(fā)生，而通過(guò)本方法對(duì)電流幅值進(jìn)行擾動(dòng)，便可以快速，準(zhǔn)確的判斷出孤島效應(yīng)，無(wú)檢測(cè)盲區(qū)。當(dāng)多臺(tái)并網(wǎng)逆變器一同工作時(shí)，擾動(dòng)是向同一個(gè)方向進(jìn)行，不會(huì)產(chǎn)生稀釋效應(yīng)，因此，此方法對(duì)多臺(tái)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)同樣可以準(zhǔn)確、快速的判斷出孤島效應(yīng)的發(fā)生。

3 新方法的仿真分析

根據(jù)單相光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)，此處使用Simulink對(duì)提出的新檢測(cè)方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。由IEEE Std.929中對(duì)負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Qf的定義以及負(fù)載用并聯(lián)RLC代表時(shí)，可得

(8)

因?yàn)橹C振頻率可表示為

(9)

所以根據(jù)式(8)、(9)可得

Qf=R/ωL

圖3為新方法檢測(cè)流程圖，根據(jù)IEC 62116 Edition 1.0中規(guī)定的最?lèi)毫忧闆r，取Qf=1±0.05，諧振頻率為50 Hz，電網(wǎng)電壓為220 V/50 Hz，直流母線電壓為380 V，逆變器額定功率為1.5 KW，電流峰值為9.6 A。通過(guò)上述條件選擇并聯(lián)RLC負(fù)載，參數(shù)分別為R=32.2 Ω，L=99.6 mH，C=99.8 μF。

如圖3所示，對(duì)并網(wǎng)光伏逆變器的電壓和頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，若電網(wǎng)側(cè)電壓斷開(kāi)，孤島發(fā)生，當(dāng)電壓值或頻率超出給定的范圍時(shí)，由被動(dòng)式檢測(cè)可以判斷發(fā)生了孤島效應(yīng)，此方法僅限于功率不匹配情況。若電網(wǎng)側(cè)電壓斷開(kāi)，功率仍匹配，則由被動(dòng)式檢測(cè)無(wú)法判斷是否發(fā)生了孤島效應(yīng)。當(dāng)每N個(gè)周期標(biāo)志位被置1時(shí)，便在兩個(gè)擾動(dòng)周期內(nèi)對(duì)電流施加擾動(dòng)，由流程圖可以看出，當(dāng)網(wǎng)側(cè)沒(méi)有斷開(kāi)時(shí)，施加的電流擾動(dòng)受到電網(wǎng)電壓鉗位，不會(huì)對(duì)端電壓產(chǎn)生影響。但當(dāng)網(wǎng)側(cè)斷電，端電壓失去了電網(wǎng)電壓的鉗位作用，便會(huì)跟隨輸出電流的變化而變化，因此，施加的電流擾動(dòng)會(huì)使端電壓超出規(guī)定的過(guò)/欠電壓保護(hù)范圍，從而檢測(cè)出孤島效應(yīng)。圖4為孤島檢測(cè)仿真電路圖。

圖3 新方法檢測(cè)流程圖

圖4 孤島檢測(cè)仿真電路圖

當(dāng)不施加擾動(dòng)時(shí)，我們可以從仿真結(jié)果圖5中看到在0.25 s到0.3 s之間為不施加擾動(dòng)的負(fù)載端電壓電流波形。在0.3 s時(shí)施加一個(gè)周期的電流值擾動(dòng)后我們可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)載端電壓在其后的0.005 s時(shí)便超出了規(guī)定的過(guò)/欠電壓保護(hù)范圍。

圖5 輸出電壓、電流仿真波形圖

上圖中，設(shè)置的電網(wǎng)斷電時(shí)間為0.25 s，由階躍信號(hào)觸發(fā)理想開(kāi)關(guān)使電網(wǎng)側(cè)斷路。此時(shí)負(fù)載選擇為最?lèi)毫忧闆r下的RLC負(fù)載，即負(fù)載端功率等于逆變器輸出功率，諧振頻率等于電網(wǎng)頻率。由表1孤島檢測(cè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)可以發(fā)現(xiàn)，孤島檢測(cè)的檢測(cè)時(shí)間完全符合規(guī)定要求。

表1 孤島檢測(cè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)

表中右側(cè)的最大跳閘時(shí)間是指異常狀態(tài)發(fā)生到逆變器停止向電網(wǎng)供電的時(shí)間。主控與監(jiān)測(cè)電路應(yīng)切實(shí)保持與電網(wǎng)的連接，從而繼續(xù)監(jiān)視電網(wǎng)的狀態(tài)，使得“恢復(fù)并網(wǎng)”功能有效。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)的被動(dòng)式和主動(dòng)式孤島檢測(cè)基礎(chǔ)上引入了一種新的主動(dòng)式檢測(cè)方法，在IEEE Std.1547規(guī)定的孤島檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，通過(guò)對(duì)電流幅值進(jìn)行擾動(dòng)，使端電壓趨于不穩(wěn)定，在電網(wǎng)掉電后打破了可能因?yàn)楣β势ヅ淝闆r而發(fā)生的孤島效應(yīng)。

此檢測(cè)方法不會(huì)向電網(wǎng)引入諧波，保證了電能質(zhì)量，在單臺(tái)與多臺(tái)并網(wǎng)逆變器工作時(shí)能快速準(zhǔn)確的判斷出孤島效應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)此檢測(cè)方法無(wú)檢測(cè)盲區(qū)，有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在下一步的工作中，將對(duì)擾動(dòng)算法進(jìn)行優(yōu)化處理，使后續(xù)采用的方法能進(jìn)一步減小擾動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響，提高逆變器的發(fā)電效率。

(李 洋文)

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Research of Islanding Detection Based on Active Current Amplitude Perturbation

LI Yang

(SchoolofEngineering,QufuNormalUniversity,Rizhao276826,China)

This paper investigates islanding detection problem of photovoltaic grid-connected inverter. Firstly, advantages and disadvantages of passive and active islanding detection are analyzed. Secondly, according to the theory of islanding detection of PV-grid inverter, a novel islanding detection method of current amplitude perturbation is proposed, which effectively reduces the Non-Detection Zone of passive islanding detection and brings about no harmonic pollution to power networks. Furthermore, the working process and control flow chart are presented based on instructions of IEEE Std.1547. Finally, the effectiveness of the proposed algorithm is verified by simulation results in Matlab.

islanding detection; current amplitude perturbation; Matlab

2015-09-26;

2016-04-09

李 洋(1991-)，男，碩士生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)研究與非線性系統(tǒng)控制，E-mail:yongerli@163.com

TM615

A

1008-0686(2016)03-0067-05