基于諧波特性的光伏孤島與低電壓穿越同步檢測方法

趙禹燦，姜 旭，孫福壽，葛路明，孫銘徽，于 淼

基于諧波特性的光伏孤島與低電壓穿越同步檢測方法

趙禹燦1，姜 旭2，孫福壽2，葛路明3，孫銘徽1，于 淼1

(1.浙江大學電氣工程學院，浙江 杭州 310015；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司，吉林 長春 130000；3.中國電力科學研究院(南京分院) 江蘇 南京 210000)

針對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島保護與低電壓穿越之間的運行沖突問題，提出了一種基于諧波特性的光伏孤島與低電壓穿越同步檢測方法。根據(jù)系統(tǒng)在并網(wǎng)、孤島、電壓擾動三種運行狀態(tài)下諧波電壓的不同，用傅里葉級數(shù)定量分析了頻譜泄漏對諧波檢測的影響，同時在考慮主電網(wǎng)背景諧波對諧波檢測的影響后，推導了諧波電壓閾值的整定公式。在此基礎(chǔ)上，給出了同步檢測實現(xiàn)方案及其算法流程，并在仿真軟件平臺上驗證。從“協(xié)鑫邊昭光伏電站帶邊昭變孤島試驗”的數(shù)據(jù)中提取的諧波特性曲線進一步驗證了所提的諧波電壓閾值可以識別孤島現(xiàn)象。理論分析、仿真實驗以及現(xiàn)場實驗都證明了所提的諧波電壓閾值可以作為區(qū)分孤島現(xiàn)象和電壓暫態(tài)擾動現(xiàn)象的依據(jù)，所提的基于諧波特性的同步檢測方法可以有效協(xié)調(diào)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島保護和低電壓穿越兩種功能。

光伏；并網(wǎng)；孤島保護；低電壓穿越；背景諧波；頻譜泄漏；同步檢測

0 引言

為了解決日益嚴峻的能源危機和環(huán)境問題[1]，新能源技術(shù)尤其是光伏發(fā)電技術(shù)近年來得到飛速發(fā)展[2-3]。光伏電源具有布置靈活、不受地域限制、適用于分布式接入電網(wǎng)等優(yōu)勢[4]，接入配電網(wǎng)中不僅可以有效緩解當?shù)氐碾娏o張格局，還能為光伏投資者帶來收益[5]。光伏電站的運行機理和常規(guī)發(fā)電機組存在較大差異，大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)勢必會對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來嚴峻的挑戰(zhàn)[6-7]。為了保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)須同時具備孤島保護和低電壓穿越兩種能力。

孤島是指某一供電區(qū)域失去系統(tǒng)電源時，由該區(qū)域的分布式電源繼續(xù)向負荷供電，從而形成一個獨立不可控的自給式供電區(qū)域[8-9]。而孤島保護則是指當網(wǎng)側(cè)斷路器斷開、系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)時，光伏電站應及時解列，以保證人員設(shè)備安全[10-11]。另一方面，大量光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)以后，因電網(wǎng)故障而快速將光伏切出電網(wǎng)會對電網(wǎng)系統(tǒng)造成嚴重的沖擊，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性[12]。因此光伏發(fā)電系統(tǒng)應具有低電壓穿越能力。低電壓穿越是指當網(wǎng)側(cè)電壓短時跌落時，光伏電站應保持并網(wǎng)狀態(tài)運行一段時間，以維持電壓與頻率的穩(wěn)定[13]。這就帶來了一個難題，即當檢測到公共耦合點(Point of Common Coupling, PCC)電壓跌落時，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)如何選擇低電壓穿越或者孤島保護動作。當光伏并網(wǎng)系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)時，執(zhí)行低電壓穿越操作不僅會影響孤島檢測效果，而且還會對設(shè)備與人員造成傷害；而當網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生暫態(tài)擾動時，執(zhí)行孤島保護的停機動作會使低電壓穿越失敗[14]。

為了避免這一矛盾，目前我國電網(wǎng)的低電壓穿越與孤島檢測并不是同步進行的，而是在發(fā)生電壓跌落時，保持并網(wǎng)狀態(tài)運行在國標規(guī)定的低電壓穿越時間后再進行孤島檢測。然而，根據(jù)GB/T 19964－2012、IEEE Std. 1547.1－2020等國內(nèi)外標準[15-23]的規(guī)定，在PCC電壓跌落以后，孤島保護要求系統(tǒng)在2 s內(nèi)解列，低電壓穿越則要求系統(tǒng)保持2 s不脫網(wǎng)。顯然上述執(zhí)行方式優(yōu)先保證光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的低電壓穿越能力，而在孤島保護動作時間上與各并網(wǎng)準則相悖。

為了使孤島保護動作時間和低電壓穿越時長均能符合并網(wǎng)準則，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)需要同時進行低電壓穿越與孤島檢測，對電壓暫態(tài)擾動與孤島狀態(tài)進行準確而快速的區(qū)分，然而目前對此鮮有研究。文獻[14]提出了一種基于無功功率擾動的低電壓穿越與孤島同步檢測算法，但是該算法是基于網(wǎng)側(cè)電壓暫態(tài)擾動時頻率不變這一前提的，未考慮主電網(wǎng)在故障時的頻率偏移。文獻[24]提出了一種基于阻抗特性的孤島保護和故障穿越協(xié)調(diào)運行方法，但是需要外加1.5次諧波源來測取諧波阻抗，不僅成本高，而且會對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。文獻[25]利用負序電流注入實現(xiàn)孤島保護和不平衡故障穿越，但是未能實現(xiàn)三相對稱故障時的低電壓穿越。文獻[26-27]把并網(wǎng)準則中所規(guī)定的低電壓穿越曲線的上方區(qū)域劃分為低電壓穿越區(qū)域，其下方區(qū)域劃分為孤島保護區(qū)域，未能從根本上解決兩者的沖突問題，依然有可能發(fā)生孤島誤判。文獻[28]把低電壓持續(xù)的時間作為區(qū)分孤島現(xiàn)象和電壓暫態(tài)擾動的依據(jù)，這并不完全符合并網(wǎng)準則的要求。

針對上述問題，本文根據(jù)孤島前后和網(wǎng)側(cè)電壓跌落前后PCC諧波電壓的變化特性差異，提出了一種基于諧波特性的光伏孤島與低電壓穿越同步檢測方法。該方法可以有效區(qū)分孤島現(xiàn)象與網(wǎng)側(cè)電壓跌落現(xiàn)象，進而執(zhí)行不同操作，保護人員與設(shè)備安全。

1 孤島與電壓暫態(tài)擾動的區(qū)分

1.1 不同故障類型的諧波特性分析

圖1為IEEE Std. 1547.1[16]所提出的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)典模型，本地負荷為RLC并聯(lián)恒阻抗負載。為了分析方便，本節(jié)假設(shè)主電網(wǎng)背景諧波為0。由圖1易求次諧波的負載阻抗Z，其值為

式中：R、L、C為并聯(lián)負載參數(shù)；為工頻對應的角頻率。

在系統(tǒng)并網(wǎng)運行的情況下，斷路器閉合，PCC的次諧波電壓與諧波電流滿足式(2)。

在孤島運行的情況下，斷路器斷開，諧波電壓與諧波電流之間的關(guān)系變?yōu)?/p>

由式(2)和式(3)可知，孤島發(fā)生前后諧波電壓的比值為[29]

因此，孤島運行時諧波電壓(有效值)的理論值為式(5)。

在網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生暫態(tài)擾動的情況下，斷路器依舊閉合，擾動后經(jīng)過一段時間PCC電壓會達到新的穩(wěn)態(tài)，此時S與本地負荷并未斷開連接，因而諧波電壓與諧波電流滿足式(7)。

1.2 背景諧波和頻譜泄漏對故障檢測的影響

上節(jié)結(jié)論建立在兩個理想化假設(shè)上：(1) 主電網(wǎng)背景諧波為0；(2) 故障前后頻率不變，即0恒定。

另一方面孤島現(xiàn)象和電壓暫態(tài)擾動均有可能導致系統(tǒng)頻率發(fā)生變化。因為故障后的頻率很難確定，而其具體數(shù)值通常不會偏離工頻太遠，所以目前多數(shù)學者[25]仍以工頻下的阻抗Z來分析電壓諧波的幅值，即認為式(3)和式(7)依然成立。那么引入了一個新的問題——頻譜泄漏。

頻譜泄漏是信號頻譜中各譜線之間相互影響使測量結(jié)果偏離實際值，同時在譜線兩側(cè)其他頻率點上出現(xiàn)一些幅值較小的假譜。簡單來說，造成頻譜泄漏的是采樣頻率，而不是信號頻率的整數(shù)倍，造成周期采樣信號的相位在始端和終端不連續(xù)[30]。例如，假設(shè)網(wǎng)側(cè)電壓暫態(tài)擾動以后系統(tǒng)頻率由50 Hz變?yōu)?9.5 Hz，且穩(wěn)定，此時系統(tǒng)中的100 Hz諧波幅值是接近于0的，但實際上，以現(xiàn)有諧波分析技術(shù)所得到的諧波譜線中依然會存在100 Hz諧波。這是因為“幅值較大的49.5 Hz間諧波”的存在干擾了對“幅值為0的50 Hz基波”的2次諧波的檢測，造成了頻譜泄漏。

頻譜泄漏在電力檢測中是普遍存在的，國內(nèi)外學者通過給檢測器加窗函數(shù)或者設(shè)置頻率追蹤功能等各種技術(shù)來抑制頻譜泄漏現(xiàn)象，但目前仍舊無法完全消除。本文的研究并不是試圖抑制或消除頻譜泄漏現(xiàn)象，而是把頻譜泄漏作為一個考慮因素應用于所提出的同步檢測方法。

綜上，式(8)所給出的實際檢測到的諧波與理論分析得出的諧波之間的關(guān)系可以修正為

1.3 諧波電壓閾值的整定

圖2 2次諧波電壓的函數(shù)圖像

綜上可得：

式中，N是PCC處的電壓等級。

式(18)定量地給出了區(qū)分孤島現(xiàn)象與電壓暫態(tài)擾動的閾值，它可以作為仿真模型中或者工業(yè)實際中光伏電站故障處理的有效判據(jù)。

2 同步檢測實現(xiàn)方案

步驟1：采集PCC電壓、電流及頻率等信息，對電壓做快速傅里葉變換(FFT)，提取次諧波電壓U(有效值)。

步驟2：將實時檢測的頻率PCC與正常頻率0相比較。若PCC在正常范圍內(nèi)(49.5～50.2 Hz)，則執(zhí)行步驟3；若PCC超出并網(wǎng)準則[15-23]所規(guī)定的頻率允許范圍(48Hz ～ 50.5 Hz，考慮頻率適應性，該范圍要大于正常范圍)且持續(xù)0.1 s以上(為避免暫態(tài)過程的影響[14])，則判定系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)，并執(zhí)行孤島保護動作。

步驟3：將實時檢測的電壓有效值PCC與正常電壓0相比較。若PCC明顯低于正常值，則判定系統(tǒng)處于非正常運行狀態(tài)(根據(jù)上文分析，此時系統(tǒng)有可能處于孤島狀態(tài)或者電壓暫態(tài)擾動狀態(tài))，執(zhí)行步驟4；若檢測到PCC等于正常值，則繼續(xù)正常運行。

步驟5：執(zhí)行低電壓穿越。

1) 根據(jù)電壓狀態(tài)信息判斷是否滿足不脫網(wǎng)條件[15-23]，若滿足則執(zhí)行2)，否則光伏電站立即解列；

2) 進入低電壓穿越運行狀態(tài)即光伏系統(tǒng)保持并網(wǎng)運行，根據(jù)相關(guān)標準[15-23]為暫態(tài)運行期間PCC電壓提供暫態(tài)無功支撐；

圖3 同步檢測方法算法流程圖

3) 經(jīng)過最大穿越時限max后，判斷電壓是否達到正常值，若達到，則恢復正常運行，否則低電壓穿越失敗，光伏電站立即解列。

從上述流程可以看出，為了綜合考慮電壓、頻率、諧波等各個電氣量的作用，本節(jié)的方案還考慮了孤島的頻率保護。在判斷電壓是否異常之前首先判斷頻率是否異常，若頻率異常，則可直接判定系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)。這么設(shè)置的原因在于：1) 頻率檢測法單獨以頻率作為判據(jù)，存在較大的檢測盲區(qū)，所以需要結(jié)合電壓檢測法來判定故障；2) 電壓檢測法有可能混淆孤島現(xiàn)象與電壓暫態(tài)擾動現(xiàn)象，從而造成孤島誤判和低電壓穿越失敗，所以需要進一步結(jié)合諧波檢測法來分析系統(tǒng)運行狀態(tài)。

3 算例分析

3.1 仿真實驗分析

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真主要研究故障前后諧波的變化，為了盡可能地放大頻譜泄漏對故障后諧波的影響，同時避免頻率保護系統(tǒng)對本文所提方法的干擾，把頻率控制在正常范圍(49.5～50.2 Hz)的邊界。此外，為了控制變量以進行對照實驗，本文通過調(diào)節(jié)負荷參數(shù)以及設(shè)置主電網(wǎng)參數(shù)，將電壓暫態(tài)擾動期間的PCC處電壓和頻率設(shè)置為與孤島期間相同，即：兩種故障出現(xiàn)后，PCC處電壓由220 V降至147 V，頻率均由50 Hz偏移至49.5 Hz。對應的仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 孤島發(fā)生前后PCC諧波電壓幅值仿真結(jié)果

圖5 電壓暫態(tài)擾動前后PCC諧波電壓幅值仿真結(jié)果

分析表2中的數(shù)據(jù)可以得到以下幾點結(jié)論。

表2 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)分析

注：表內(nèi)電壓數(shù)據(jù)均為有效值。

3.2 現(xiàn)場實驗分析

2019年10月18日，國網(wǎng)吉林省電力有限公司和中國電力科學研究院有限公司合作開展了“協(xié)鑫邊昭光伏電站帶邊昭變孤島試驗”，實驗線路如圖6所示。

現(xiàn)場實驗人員在07：43和09：35時進行了兩次孤島運行，本文僅以07：43時這次孤島運行為例驗證所提方法。在孤島運行前，現(xiàn)場實驗人員通過人為調(diào)節(jié)光伏電站的有功出力和無功出力，使之與本地負荷相匹配(即使光伏電站工作在傳統(tǒng)的孤島檢測盲區(qū))，從而使孤島發(fā)生以后的頻率和電壓盡可能穩(wěn)定在正常范圍，實現(xiàn)持續(xù)性的孤島運行。

實驗過程為：07：43時在準備工作就緒后，斷開開通變開太線開關(guān)，光伏電站帶邊昭變孤島運行。5 s左右，孤島系統(tǒng)頻率跌至45 Hz，光伏逆變器低頻保護告警，延時0.2 s保護動作；之后逆變器電壓跌至50%額定電壓以下，逆變器II段低壓解列保護動作；延時0.1 s后，頻率電壓緊急控制裝置動作，光伏并網(wǎng)開關(guān)跳開，孤島運行終止。

圖6 孤島實驗線路圖

圖7 孤島發(fā)生前后PCC處2次諧波電壓幅值

4 結(jié)論

針對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島保護與低電壓穿越之間的運行沖突問題，本文計算分析了孤島和網(wǎng)側(cè)電壓跌落前后兩種故障諧波電壓的變化特性，綜合考慮了主電網(wǎng)背景諧波和頻譜泄漏對諧波檢測的影響，提出了一種基于諧波特性的同步檢測方法，并給出了作為檢測依據(jù)的諧波電壓閾值。該方法可以有效辨識PCC電壓跌落的原因，使孤島保護措施和低電壓穿越操作互不干擾，確保光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

下一步研究將考慮控制器檢測到PCC處電壓異常時，低電壓穿越所要求的動態(tài)無功支撐與主動式孤島檢測法之間的配合問題。

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Simultaneous detection method for photovoltaic islanding and low-voltage-ride-through based on harmonic characteristics

ZHAO Yucan1, JIANG Xu2, SUN Fushou2, GE Luming3, SUN Minghui1, YU Miao1

(1. College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310015, China; 2. State Grid Jilin Electric Power Co., Ltd., Changchun 130000, China; 3. China Electric Power Research Institute (Nanjing Branch), Nanjing 210000, China)

In order to solve the operation conflict between islanding protection and low-voltage-ride-through of grid-connected photovoltaic system, a simultaneous detection method for photovoltaic islanding and low-voltage-ride-through based on harmonic characteristics is proposed. According to the differences of the system harmonic voltages among three operating states, i.e. grid-connected operation, islanding operation and voltage transient perturbation, the influence of spectrum leakage on harmonic detection is quantitatively analyzed by Fourier series. After the influence of the background harmonic in main grid is considered, the setting formula of the harmonic voltage threshold is derived. Based on that the simultaneous detection implementation scheme and its algorithm flow are given, which are verified on simulation software platform. The harmonic characteristic curve extracted from the data of “Islanding Operation Test of Xiexin-Bianzhao Photovoltaic Power Station Carried with Bianzhao Transformer” further verifies that the proposed harmonic voltage threshold can identify the islanding phenomenon.Both theoretical analysis and simulation experiments show that the proposed harmonic voltage threshold can be used as the basis to distinguish the islanding phenomenon from the voltage transient perturbation phenomenon. And the proposed simultaneous detection method based on harmonic characteristics can effectively coordinate the two functions of grid-connected photovoltaic system, i.e. islanding protection and low-voltage-ride-through.

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2017YFB0902002).

photovoltaic; grid-connected; islanding protection; low-voltage-ride-through; background harmonic; spectrum leakage; simultaneous detection

10.19783/j.cnki.pspc.210380

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFB0902002)；國網(wǎng)吉林省電力有限公司科技項目(SGJL0000DKJS1800321)；中國電力科學研究院南京分院科技項目(NYN51201900639)

2021-04-10；

2021-07-17

趙禹燦(1995—)，男，碩士研究生，研究方向為微電網(wǎng)逆變控制；E-mail: 21960100@zju.edu.cn

于 淼(1984—)，男，通信作者，博士，副教授，研究方向為配電網(wǎng)與微電網(wǎng)運行控制。E-mail: zjuyumiao@ zju.edu.cn

(編輯 姜新麗)