宋治楷+胥飛+王恒
摘 要:低諧波孤島的發(fā)生不僅會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)設(shè)備損壞,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)威脅電力系統(tǒng)維修人員生命安全等一系列問(wèn)題。因此,光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)必須具備孤島檢測(cè)功能,以保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。傳統(tǒng)的AFD(Active Frequency Drift)檢測(cè)方法在不同的負(fù)載下的檢測(cè)效果不同,對(duì)純阻性負(fù)載檢測(cè)效果比較好。雖然科研工作者提出了基于反饋調(diào)節(jié)、周期性擾動(dòng)的AFD法,可以減小THD,但同時(shí)減慢了檢測(cè)速度。鑒于此,提出了一種改進(jìn)型的低諧波孤島檢測(cè)方案,比傳統(tǒng)的 AFD檢測(cè)方法的諧波少、盲區(qū)小,檢測(cè)速度更快,并搭建了Matlab/Simulink仿真模型。仿真結(jié)果表明,該方法比傳統(tǒng)的AFD檢測(cè)方法更具有優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞:低諧波孤島;諧波;AFD檢測(cè);電流波形
中圖分類號(hào):TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.010
隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電的發(fā)展,越來(lái)越多的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并接到電網(wǎng)上時(shí),出現(xiàn)了電網(wǎng)保護(hù)的新現(xiàn)象——孤島效應(yīng),其帶來(lái)的危害不容忽視。常用的反孤島現(xiàn)象的檢測(cè)方法有被動(dòng)式孤島檢測(cè)和主動(dòng)式孤島檢測(cè)。對(duì)于被動(dòng)式檢測(cè)方法,具有原理簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、對(duì)電能質(zhì)量無(wú)影響的優(yōu)點(diǎn),但檢測(cè)盲區(qū)大;主動(dòng)式孤島檢測(cè)雖然檢測(cè)盲區(qū)較小,但均會(huì)對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量造成影響,且實(shí)現(xiàn)方法比較復(fù)雜。為了降低總諧波失真(Total Harmonic Distortion,THD),國(guó)內(nèi)外研究者提出了改進(jìn)型AFD(Active Frequency Drift)法,這些方法雖然在一定程度上減少了諧波,但卻以犧牲檢測(cè)速度為代價(jià)。本文提出的方案不僅比傳統(tǒng)AFD檢測(cè)產(chǎn)生的諧波少,且降低了對(duì)電能質(zhì)量的影響,檢測(cè)速度快,進(jìn)一步縮小了檢測(cè)盲區(qū)。
1 AFD法的檢測(cè)原理
對(duì)于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有以下計(jì)算公式:
傳統(tǒng)的AFD檢測(cè)法通過(guò)注入諧波電流來(lái)改變輸出電流的頻率,使電流頻率產(chǎn)生偏移。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),由于公用電網(wǎng)的鉗制作用,電流頻率的偏移不會(huì)使系統(tǒng)電壓產(chǎn)生偏移;孤島出現(xiàn)時(shí),公用電網(wǎng)停電,不再對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)起鉗制作用,電流頻率的偏移促使電壓頻率產(chǎn)生偏移,當(dāng)頻率超出閾值范圍時(shí),則觸發(fā)孤島保護(hù)。
AFD法的電流波形如圖1所示,圖1中的Iref為初始參考電流波形,Irej為注入諧波電流波形。圖1的下半部分展示了注入諧波電流Iref后的電流IAFD與初始參考電流Iref的波形對(duì)比。在tz時(shí)間內(nèi),電流強(qiáng)制為0,時(shí)間tz決定了擾動(dòng)深度的大小。τ為AFD電流的周期,T為參考電流的周期。
傳統(tǒng)的AFD孤島檢測(cè)法較為簡(jiǎn)單,容易控制,比被動(dòng)檢測(cè)法的盲區(qū)小,可靠性更高。相比基于通訊的反孤島策略,造價(jià)更低,對(duì)于純阻性負(fù)載檢測(cè)效果好,但AFD法造成的諧波較多。如果減小擾動(dòng)深度,諧波也會(huì)隨之減少,但檢測(cè)速度會(huì)變慢,且增加了檢測(cè)盲區(qū)。
2 低諧波法的檢測(cè)原理
低諧波法通過(guò)注入諧波電流來(lái)改變輸出電流的頻率,使電流頻率產(chǎn)生固定的偏移。與AFD法不同的是,這種方法下電流波形的畸變更小一些,如圖2所示。在新的擾動(dòng)方式下,參考電流波形為:
*[基金項(xiàng)目]上海市專業(yè)學(xué)位研究生實(shí)踐基地建設(shè)子項(xiàng)目(編號(hào):G2-12YSJJK01-012)
圖2的上半部分中,Iref為初始參考電流波形,Irej為注入的諧波電流的電流波形;下半部分為注入諧波電流Iref后的電流I0與初始參考電流Iref的波形對(duì)比。其中,α為低諧波法參考電流與初始參考電流的相位差,α=πCf=arcsink,k為擾動(dòng)深度,τ為新主動(dòng)法電流的周期,T為初始參考電流的周期。
由于改進(jìn)法的移頻機(jī)理沒有變,至零點(diǎn)改為2個(gè),該方法的諧波可近似為:
因此,當(dāng)兩種方法注入電網(wǎng)的無(wú)功均為7.5%時(shí),低諧波法注入電網(wǎng)的THD為2.4%,而AFD法注入電網(wǎng)的THD為7.5%,低諧波法比AFD法的諧波減少很多;當(dāng)兩種方法的諧波均為2.4%時(shí),低諧波法注入電網(wǎng)的無(wú)功為7.5%,AFD注入電網(wǎng)的無(wú)功為2.4%.因此,低諧波法的檢測(cè)盲區(qū)比AFD法小。
3 參數(shù)設(shè)置和仿真結(jié)果
本文對(duì)220 V單相、小容量供電系統(tǒng)用Matlab/Simulink搭建了仿真模型。根據(jù)我國(guó)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),容量較小時(shí),頻率的偏差為±0.5 Hz,并在2 s內(nèi)將孤島檢測(cè)出來(lái),注入電網(wǎng)電流的總諧波畸變率不超過(guò)5%.
本文利用Matlab/Simulink仿真,測(cè)得系統(tǒng)的有功為4.585 kW,無(wú)功為47 VA。在仿真時(shí),將電路的品質(zhì)因數(shù)調(diào)成2,諧振頻率為50.2 Hz,仿真時(shí)間均設(shè)為3 s,公用電網(wǎng)在0.7s斷開。為了驗(yàn)證該方法諧波低、檢測(cè)速度快的優(yōu)點(diǎn),本文將該方法與傳統(tǒng)的AFD 法進(jìn)行了對(duì)比。
當(dāng)t=0.255e-3時(shí),傳統(tǒng)的AFD和低諧波法注入電網(wǎng)電流波形如圖3和圖4所示。
傳統(tǒng)的AFD方法中,孤島現(xiàn)象出現(xiàn)2.25 s后才能被檢測(cè)出來(lái),檢測(cè)時(shí)間超出了規(guī)定時(shí)間2 s,導(dǎo)致檢測(cè)失敗。而低諧波法在孤島現(xiàn)象發(fā)生后的0.06 s內(nèi)便可檢測(cè)出該現(xiàn)象。由此可見,相比擾動(dòng)法,低諧波法的盲區(qū)較小。當(dāng)t=0.255e-3時(shí),孤島現(xiàn)象的檢測(cè)結(jié)果分別如圖5和圖6所示。
對(duì)PCC點(diǎn)電流進(jìn)行FFT(快速傅里葉)分析,當(dāng)t=0.255e-3時(shí),兩種孤島檢測(cè)方法的THD分別如圖7和圖8所示,傳統(tǒng)AFD檢測(cè)法的THD為3.39%,而低諧波法的THD為3.15%.
當(dāng)t=0.255e-3時(shí),傳統(tǒng)的AFD法和低諧波法的孤島檢測(cè)檢測(cè)結(jié)果和諧波分析分別如圖9、圖10、圖11、圖12所示。
由圖9、圖10可以看出,當(dāng)t=0.283e-3時(shí),傳統(tǒng)的AFD檢測(cè)法在孤島現(xiàn)象出現(xiàn)后的1.2 s內(nèi)可將其檢測(cè)出來(lái);低諧波法在孤島現(xiàn)象出現(xiàn)后的60 ms內(nèi)可將其檢測(cè)出來(lái)。由圖11、圖12可知,AFD法諧波增至3.56%,而低諧波法的THD僅為3.27%,低于傳統(tǒng)AFD法。由此可見,低諧波法法與傳統(tǒng)的AFD法相比,不僅檢測(cè)速度快,而且諧波較少。
從仿真結(jié)果看,在相同的條件下,低諧波法要比傳統(tǒng)的AFD法更具有優(yōu)勢(shì),具有檢測(cè)時(shí)間更短、諧波更少的特點(diǎn)。由于仿真環(huán)境是理想環(huán)境,沒有干擾,也不用考慮電路之間的干擾及元器件的影響,因此,檢測(cè)時(shí)間較快。然而,在實(shí)際試驗(yàn)中的檢測(cè)速度會(huì)稍慢。
4 結(jié)束語(yǔ)
AFD檢測(cè)法是一種有效的主動(dòng)孤島檢測(cè)法,該方法造成的諧波較大。如果要減小諧波,則檢測(cè)速度就會(huì)變慢,盲區(qū)也會(huì)隨之增大。雖然改進(jìn)的AFD法獲得了一定的成效,但諧波仍然較大。而低諧波法與傳統(tǒng)的AFD檢測(cè)法相比,采用了不同的擾動(dòng)方法,可以在有效減小諧波的同時(shí),快速檢測(cè)出孤島現(xiàn)象,并縮小了檢測(cè)盲區(qū)。
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〔編輯:張思楠〕