張曉莉,薛家祥,崔龍斌,梁永全

(1.江西理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

美國Sandia國家實驗室提供的報告指出,當(dāng)電力公司的供電因故障或停電維修而跳脫時，各個用戶端的太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)因不能即時檢測出停電狀態(tài)而將自身切離市電網(wǎng)路，而使電網(wǎng)局部負(fù)載仍處于供電狀態(tài)[1],即所謂的孤島效應(yīng)(Islanding)。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)工作，電網(wǎng)會因為故障、設(shè)備檢修或者操作失誤等原因停止工作，也就是說孤島效應(yīng)是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中普遍存在的一個問題。因此準(zhǔn)確、及時地檢測出孤島效應(yīng)是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計中的一個必須解決的關(guān)鍵性問題[2]。孤島效應(yīng)檢測方法主要分為被動式和主動式兩種。被動式孤島檢測方法通過檢測逆變器的輸出是否偏離并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍(如電壓、頻率或相位)判斷孤島效應(yīng)是否發(fā)生。其工作原理簡單、實現(xiàn)容易，但在逆變器輸出功率與局部負(fù)載功率平衡時無法檢測出孤島效應(yīng)的發(fā)生。主動式孤島檢測方法通過控制逆變器，使其輸出功率、頻率或相位存在一定的擾動。電網(wǎng)正常工作時，由于電網(wǎng)的平衡作用，這些擾動檢測不到。一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，逆變器輸出的擾動將快速累積并超出并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍，從而觸發(fā)孤島效應(yīng)的保護(hù)電路。該方法檢測精度高、檢測盲區(qū)小，但是控制較復(fù)雜且降低了逆變器輸出電能的質(zhì)量[3-4]。

本文結(jié)合1.5 kW非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，提出一種周期擾動帶正反饋的有源頻率漂移法（AFDPF）。該方法可有效避免因逆變器負(fù)載性質(zhì)而導(dǎo)致檢測失敗的問題，提高了檢測速度，縮小檢測盲區(qū)。

1 孤島效應(yīng)發(fā)生機理

圖1所示為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島問題研究的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與負(fù)載連接,再通過投閘開關(guān)接到配電網(wǎng)絡(luò),電網(wǎng)系統(tǒng)停止供電時就形成了孤島。

2 周期擾動AFDPF方法

2.1 AFDPF方法的提出

有源頻率擾動孤島檢測法具有檢測速度快、檢測盲區(qū)小的特點。該方法的檢測效果與擾動信號cf(Chopping Fraction)值大小有關(guān)：當(dāng)孤島效應(yīng)發(fā)生時，cf越大，系統(tǒng)對孤島效應(yīng)檢測的效果越好，但是較大的cf會降低逆變器輸出電能的質(zhì)量。因此如何選擇cf的大小，使其既能保證逆變器的輸出電能滿足并網(wǎng)要求，又不降低孤島效應(yīng)的檢測效果成為有源頻率擾動法研究中的一個重要問題。

研究認(rèn)為，有源頻率擾動法中，如果cf在±5%內(nèi)時，逆變器輸出電能的諧波能夠滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求且基本滿足孤島檢測的要求[5]。為了使系統(tǒng)更快地檢測出電網(wǎng)故障,提出了正反饋有源頻率漂移法 AFDPF(Active Frequency Drift with Positive Feedback)[6]，在 該 方 法 中cf滿足下式:

式中：cfk-1是逆變器上一個周期的擾動信號，cfk是本周期擾動信號，F(xiàn)(△Wk)是根據(jù)逆變器輸出電壓頻率的變化情況施加的反饋信號，cf的初始值選為5%，以保證逆變器輸出電能的質(zhì)量。正反饋有源頻率漂移法的工作過程如下:

(1)電網(wǎng)正常時，由于逆變器輸出電壓的頻率不變，cf保持不變；

(2)當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，逆變器輸出電壓的頻率因擾動信號cf的作用與電網(wǎng)電壓的頻率產(chǎn)生誤差；

(3)由于F(△Wk)的反饋作用，逆變器下一個周期輸出電壓的頻率與電網(wǎng)電壓的頻率誤差更大；

(4)步驟(3)不斷重復(fù)，逆變器輸出電壓的頻率迅速上升，最后超出并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

與傳統(tǒng)的AFD方法相比，該方法提高了孤島效應(yīng)發(fā)生時的檢測速度。當(dāng)孤島現(xiàn)象發(fā)生時，逆變器的負(fù)載性質(zhì)對逆變器輸出電壓的頻率有一定的影響。有源頻率擾動法中，無論傳統(tǒng)的AFD方法還是AFDPF方法，擾動信號cf均按一個方向?qū)δ孀兤鬏敵鲭妷旱念l率進(jìn)行擾動。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障且負(fù)載性質(zhì)不同時，逆變器輸出電壓的頻率變化方向有可能與擾動信號方法相反，這會導(dǎo)致逆變器輸出電壓頻率誤差積累較慢從而延長孤島檢測時間。特殊情況下，負(fù)載對逆變器輸出電壓頻率的平衡作用會抵消頻率擾動的作用，這種情況下會出現(xiàn)孤島效應(yīng)的漏判。

2.2 周期性擾動AFDPF方法

為避免因負(fù)載性質(zhì)造成AFD孤島效應(yīng)檢測方法效果下降，在原有AFDPF方法的基礎(chǔ)上提出了周期性擾動AFDPF孤島效應(yīng)檢測方法。

2.2.1 工作原理

所謂周期性擾動AFDPF孤島效應(yīng)檢測方法是指在電網(wǎng)正常工作情況下，周期性不間斷地對逆變器輸出電壓進(jìn)行正反兩個方向的頻率擾動，以消除負(fù)載性質(zhì)對單一頻率擾動方向的平衡作用。

圖2是周期性擾動AFDPF孤島效應(yīng)檢測方法的控制原理框圖。圖中cf1、cf2是兩個不同方向的擾動信號分別等于 5%、-5%；△f1、△f2分別是施加擾動信號 cf1、cf2后，逆變器輸出電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率的誤差；fisland是并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許頻率。

圖2 周期擾動孤島效應(yīng)檢測方法原理框圖

該方法工作時，cf1、cf2輪流對逆變器輸出電壓頻率進(jìn)行擾動，并比較△f1、△f2的大小。當(dāng)孤島效應(yīng)發(fā)生時，選擇△f較大的擾動信號cf為基準(zhǔn)，然后對其施加正反饋，如式(2)所示,其中 △cf為反饋信號。在此方法控制下，逆變器輸出頻率變化加快，從而在較短的時間內(nèi)超出并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，觸發(fā)保護(hù)電路，切斷電網(wǎng)與逆變器的連接。

2.2.2 工作過程

為了能夠更清楚地了解本方法的工作過程，下面以容性負(fù)載為例，描述該方法的具體工作過程(假設(shè)系統(tǒng)正常工作時電網(wǎng)突然停電):

(1)初始擾動信號cf1為5%:在外界的擾動下逆變器輸出電壓的頻率應(yīng)增加，但由于容性負(fù)載會降低逆變器輸出電壓的頻率，因此逆變器輸出電壓的頻率變化低于擾動信號，即|△f1|＜|cf1|。

以上分析表明,采用周期性擾動AFDPF檢測方法后，當(dāng)孤島效應(yīng)發(fā)生時，對于任何性質(zhì)的負(fù)載，逆變器輸出電壓的頻率總會出現(xiàn)明顯的變化，從而消除了采用固定方向cf有源頻率漂移法對負(fù)載的依賴性。同時，系統(tǒng)對產(chǎn)生頻率誤差較大的擾動信號cf施加正反饋使頻率誤差進(jìn)一步擴大，從而縮小了檢測盲區(qū)，提高了孤島效應(yīng)的檢測效果。

2.3 孤島檢測控制程序

采用周期擾動帶正反饋有源頻率漂移法(AFDPF)進(jìn)行孤島檢測的程序流程圖如圖3所示。

3 非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器孤島檢測測試

在1.5kW的非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器中應(yīng)用周期性擾動AFDPF方法進(jìn)行孤島檢測實驗，得到的測試結(jié)果如圖4所示。當(dāng)電網(wǎng)中斷供電時，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍然向周圍的負(fù)載供電，從而形成一個電力公司無法控制的自給供電的孤島。根據(jù)UL1741/IEEE1547標(biāo)準(zhǔn)，一旦發(fā)生孤島效應(yīng)，逆變器應(yīng)在2 s內(nèi)停止輸出。由孤島波形看出，完全達(dá)到了設(shè)計的要求。圖5給出了發(fā)生孤島時的電流瞬時波形，其中圖5(a)是小波分析儀采集到的孤島保護(hù)過程的電流瞬時波形，圖5(b)是經(jīng)過小波濾波后的電流瞬時波形。由圖中可看出在幾個毫秒內(nèi)逆變器已停止電流輸出。

通過分析孤島效應(yīng)產(chǎn)生的機理，提出一種基于周期擾動AFDPF的方法對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)進(jìn)行檢測保護(hù)。并在1.5 kW的非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器中進(jìn)行了應(yīng)用測試，實驗結(jié)果表明該方法可有效避免因逆變器負(fù)載性質(zhì)而導(dǎo)致的檢測失敗的問題，提高了檢測速度，縮小檢測盲區(qū)。

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