新型正反饋主動頻率偏移法孤島檢測研究

張海峰，夏明豪，李曉龍

(國網(wǎng)浙江省電力公司 檢修分公司，浙江 杭州 311232)

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新型正反饋主動頻率偏移法孤島檢測研究

張海峰，夏明豪，李曉龍

(國網(wǎng)浙江省電力公司 檢修分公司，浙江 杭州 311232)

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或檢修停電時(shí)，逆變器要求能夠準(zhǔn)確及時(shí)地檢測出孤島效應(yīng)，迅速地將自身切離電網(wǎng)，盡量減少逆變器對電網(wǎng)產(chǎn)生的不良影響。針對傳統(tǒng)的主動頻率偏移法，在逆變器的孤島檢測中存在的容性負(fù)載難以檢測、有功電流波動、存在較大檢測盲區(qū)等不足，文中提出了正反饋主動頻率偏移法(AFDPF)，該法從正反兩方向進(jìn)行頻率的擾動，有效解決了容性負(fù)載檢測失效、有功電流波動等問題。在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下建立仿真模型并仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了AFDPF算法設(shè)計(jì)的正確性。

并網(wǎng)逆變器；孤島檢測；Matlab仿真；AFDPF

隨著全球范圍內(nèi)能源緊缺和環(huán)境問題的日益突出，可再生能源的利用引起了廣泛重視，光伏發(fā)電作為太陽能的主要利用形式，也必將得到人類的重視[1]。逆變器作為光伏發(fā)電的主要設(shè)備，其性能決定整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)劣[2]。孤島效應(yīng)檢測作為衡量逆變器控制策略優(yōu)劣的重要指標(biāo)，要求逆變器在孤島現(xiàn)象發(fā)生后,在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能夠檢測出孤島現(xiàn)象的發(fā)生并及時(shí)停止發(fā)電，消除孤島現(xiàn)象[3]。

目前孤島檢測方法一般分為兩大類：被動式孤島檢測法和主動式孤島檢測法。在主動式孤島檢測法中，主動頻率偏移法較多的應(yīng)用在孤島效應(yīng)檢測中[4]。這種檢測法精度較高、盲區(qū)較小，但在不同負(fù)載條件下，檢測結(jié)果會出現(xiàn)較大偏移，嚴(yán)重時(shí)會出現(xiàn)孤島檢測失效，并且會導(dǎo)致較大的有功電流波動[5]。為解決上述不足，本文對主動頻率偏移法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新型主動頻率檢測方法，即正反饋主動頻率偏移法(AFDPF)[6]。經(jīng)過仿真驗(yàn)證能夠提高孤島的檢測速度， 提高了系統(tǒng)的孤島響應(yīng)、 可靠性及光伏系統(tǒng)的電能質(zhì)量。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該算法的有效性。

1 國內(nèi)外孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)

隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，制定具體的孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也是勢在必行。目前國際的主要孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)有UL1741[7]和IEEE Std.929-2000[8]，表1為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測保護(hù)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，表2為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測保護(hù)的頻率標(biāo)準(zhǔn)，表3為中國孤島檢測時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。

表1 孤島檢測時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)

注：Vnom為大電網(wǎng)電壓的標(biāo)準(zhǔn)參考值

表2 孤島檢測頻率標(biāo)準(zhǔn)

表3 中國孤島檢測時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)

注：Vn為電網(wǎng)電壓的標(biāo)準(zhǔn)參考值

2 主動頻率偏移法

主動頻率偏移法(AFD)的工作原理：通過向逆變器輸出的電流施加一定的擾動信號，當(dāng)發(fā)生孤島時(shí)，施加的擾動信號會使頻率產(chǎn)生一定量的偏移，當(dāng)偏移量超過設(shè)定的閾值，就會檢測到孤島效應(yīng)[9-10]。具體工作流程如圖1所示。

圖1 AFD控制流程圖

如圖2所示，在AFD中，添加的擾動電流信號使得電流頻率略高于或者略低于PCC點(diǎn)處的電壓頻率，來完成擾動。其中用斬波系數(shù)cf來表征干擾信號的強(qiáng)度，cf的大小與電流偏移時(shí)間tz關(guān)系如下

(1)

圖2 AFD的電流擾動信號

(2)

式中，f′為電流波形的頻率；f′、斬波系數(shù)cf和電網(wǎng)頻率f間的關(guān)系為

(3)

主動頻率偏移法的檢測快慢是由斬波系數(shù)cf決定，cf越大，孤島效應(yīng)被檢測出來的時(shí)間就越短，但cf的值過大，會增大系統(tǒng)的THD ，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的電能質(zhì)量[11]。如何解決系統(tǒng)孤島效應(yīng)檢測的速度和系統(tǒng)電能質(zhì)量的對立關(guān)系，成為正反饋主動頻率偏移法(AFDPF)研究的重要方向[12-13]。

3 正反饋主動頻率偏移法

正反饋主動頻率偏移法(AFDPF)是AFD法的改進(jìn)，克服了AFD法選取合適cf值的困難，AFDPF方案思路如下。

圖3 AFDPF檢測法策略

在AFDPF檢測法中，斬波系數(shù)cf的計(jì)算方法為

cfk=cfk-1+F(ωk-ωg)

(4)

其中，cfk為當(dāng)前逆變器施加的擾動信號量；cfk-1為上一個(gè)周期的擾動信號量；F(ωk-ωg)為正反饋累加量，使得逆變器擾動信號量不斷累積，頻率偏差快速增強(qiáng)[14]。正反饋主動頻率偏移法的程序流程框圖如圖4所示。

對比傳統(tǒng)AFD檢測法，正反饋主動頻率偏移檢測法不需要施加過大的擾動信號量，從而減少了孤島檢測對系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響，提高了逆變器輸出的電能質(zhì)量；而且在正反饋主動頻率偏移檢測中，引入正反饋，可以減少AFD頻率偏移的累加時(shí)間，大幅提高了孤島效應(yīng)檢測的速度[15-16]。

圖4 AFDPF檢測法流程圖

4 AFDPF的仿真研究

在Matlab 2012b中利用Simulink和Simpowersystems功能模塊，搭建逆變系統(tǒng)仿真模型如圖5所示。

圖5 AFDPF仿真模型

其中，DC Voltage Source為400 V，母線電感L=6 mH，母線等效電阻R=0.01 ；Parallel RLC Branch的參數(shù)為：R=6 ,L=7.56 mH，C=1 300 pF；AC Voltage Source為220 V，50 Hz；Discrete PID Controler的參數(shù)為：Kp=80；Ki=200；Kd=0; Universial Bridge 的參數(shù)Number of ridge arms=2，Power Lectronic Device：IGBT/Diodes，其余參數(shù)默認(rèn)，仿真波形如圖6所示。

圖6 AFDPF仿真電壓電流波形

設(shè)置斷路器在0.5 s將電網(wǎng)切除，由圖6和圖7可知，經(jīng)過0.1 s后，公共耦合點(diǎn)PCC處的電壓和逆變器輸出的電流基本為零，檢測所需時(shí)間滿足國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對光伏逆變器孤島檢測的時(shí)間要求。仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

圖7 AFDPF仿真頻率波形圖

5 結(jié)束語

本文仿真源至于實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而通過模型仿真又驗(yàn)證并指導(dǎo)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在 Matlab R2010a / Simulink 仿真環(huán)境下，搭建基于反激式變換電路的有源功率因數(shù)校正仿真電路，并順利完成仿真，實(shí)驗(yàn)效果理想，驗(yàn)證了控制策略的正確性。

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A New Positive Feedback Active Frequency Offset Method for Isolated Island Detection

ZHANG Haifeng，XIA Minghao，LI Xiaolong

(Maintenance Branch,State Network Zhejiang Electric Power Corporation,Hangzhou 311232,China)

When the power grid is in trouble or outage maintenance . The inverter is required to detect the isolated island effect in a timely manner. The inverter must be quickly cut off the grid, to minimize the negative impact of the inverter on the grid. In view of the traditional active frequency offset method, it is difficult to detect the capacitive load in the isolated island detection, the active current fluctuation, the existence of the large detection blind area and so on. In this paper, a positive feedback active frequency offset method (AFDPF) is proposed. This method can effectively solve the problem of fault tolerance, active current fluctuation, and so on, which can be carried out from two directions. In the Matlab/Simulink simulation environment, the simulation model is established and the simulation results verify the correctness of the AFDPF algorithm design.

grid connected inverter;island detection;Matlab simulation;AFDPF

2016- 11- 01

張海峰(1987-)，男，本科。研究方向：電氣工程。夏明豪(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：電氣工程。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.018

TM464;TP391.9

A

1007-7820(2017)08-067-04