唐忠廷, 粟　梅, 劉　堯, 韓　華, 王　輝, 李　鑫

(1. 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院, 湖南省長(zhǎng)沙市410083; 2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局, 廣東省珠海市 519000)

0　引言

作為可再生能源的主要載體,分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為解決能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題提供了新的途徑,給大電網(wǎng)注入了新的活力,同時(shí)也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),其中最為嚴(yán)重的就是孤島問(wèn)題。孤島是一個(gè)沒(méi)有調(diào)節(jié)控制能力的電力系統(tǒng),存在潛在的安全隱患,可能由于發(fā)電與供電的不平衡及電壓和頻率的過(guò)大偏移而損壞發(fā)電或用電設(shè)備。分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)必須具有良好的反孤島能力,在孤島形成時(shí)迅速成功地檢測(cè)到孤島,及時(shí)消除孤島的危害[1-2]。

目前,分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測(cè)方法一般分為遠(yuǎn)程檢測(cè)法和本地檢測(cè)法[3-4]。其中,基于遠(yuǎn)程通信設(shè)備的遠(yuǎn)程檢測(cè)法成本高、可靠性低,一般不常用。因此,基于逆變器的分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測(cè)常采用本地檢測(cè)法。本地檢測(cè)法可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩類(lèi)。其中,主動(dòng)移頻(AFD)[3]是一種較好的主動(dòng)式檢測(cè)方法,具有無(wú)須添加任何外部設(shè)備和孤島檢測(cè)成功率高等特點(diǎn)。但是,由于AFD是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)注入一定的擾動(dòng)后檢測(cè)系統(tǒng)輸出電壓是否超過(guò)設(shè)定閾值來(lái)判斷孤島,擾動(dòng)的大小將影響系統(tǒng)的孤島檢測(cè)準(zhǔn)確度和系統(tǒng)的電能質(zhì)量。而一些傳統(tǒng)的主動(dòng)式孤島檢測(cè)法如帶正反饋的主動(dòng)式頻率偏移(active frequency drift with positive feedback,AFDPF)孤島檢測(cè)法[4]和滑動(dòng)頻率偏移(slip-mode frequency shifting,SMS)孤島檢測(cè)法[5]均無(wú)法兼顧孤島檢測(cè)的準(zhǔn)確度和電能質(zhì)量,存在檢測(cè)盲區(qū)。為此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種改進(jìn)的算法[6-13]。文獻(xiàn)[6]提出了一種改進(jìn)的AFD孤島檢測(cè)技術(shù),通過(guò)對(duì)電流施加可變的截?cái)嘞禂?shù)(從0遞增到指定截?cái)嘞禂?shù)cf值)擾動(dòng),達(dá)到減小并網(wǎng)電流畸變率的目的,但是有些擾動(dòng)量相對(duì)較小,使得孤島檢測(cè)時(shí)間稍長(zhǎng),甚至導(dǎo)致檢測(cè)失敗。文獻(xiàn)[7]提出一種帶電壓頻率正反饋的AFD式孤島檢測(cè)方法,以改變一個(gè)周期內(nèi)部分電流幅值的方式,提升檢測(cè)速度的同時(shí)達(dá)到減小并網(wǎng)電流諧波畸變率的目的,但是其參數(shù)設(shè)置依然不能平衡檢測(cè)精度與電能質(zhì)量之間的矛盾。文獻(xiàn)[10-12]通過(guò)向參考電流注入低頻擾動(dòng),在電網(wǎng)故障時(shí)檢測(cè)公共點(diǎn)頻率變化的速度來(lái)判定孤島,雖然可以保證并網(wǎng)電能質(zhì)量,但是影響了逆變器的有功功率輸出值。

綜合分析各種AFDPF孤島檢測(cè)法,檢測(cè)失敗通常是負(fù)載相位角隨頻率變化引起的[14]。隨著并/離網(wǎng)逆變器技術(shù)的大力發(fā)展,其孤島模式分為計(jì)劃性孤島和非計(jì)劃性孤島,其中非計(jì)劃性孤島需要滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[15-16]。在并/離網(wǎng)模型逆變器中,負(fù)載阻抗角成為了一個(gè)可知量。因此,本文以負(fù)載阻抗角可以實(shí)時(shí)檢測(cè)為前提,提出帶負(fù)載阻抗角反饋的主動(dòng)頻移孤島檢測(cè)技術(shù)(active frequency drift with load impedance angle feedback,AFDLIA),在保證電能質(zhì)量的前提下,消除了孤島檢測(cè)盲區(qū),并較好地解決了系統(tǒng)非線(xiàn)性因素引起的諧波畸變問(wèn)題。仿真和實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1　傳統(tǒng)主動(dòng)頻移孤島檢測(cè)技術(shù)的原理

AFD檢測(cè)技術(shù)的原理是將有輕微失真的逆變器電流注入大電網(wǎng)中,當(dāng)孤島發(fā)生,公共點(diǎn)電壓頻率偏移超過(guò)閾值,系統(tǒng)判定孤島并實(shí)施保護(hù)[14]。對(duì)于單相逆變器,AFD檢測(cè)技術(shù)采用輕微失真的逆變器輸出電流有兩種方式:頻率向上偏移和向下偏移。因傳統(tǒng)負(fù)載多以感性為主,因此大多數(shù)的文獻(xiàn)都以頻率向上偏移為例進(jìn)行討論。本文以向上偏移的頻率擾動(dòng)為例進(jìn)行傅里葉變換(FFT)分析,闡述AFD孤島檢測(cè)的原理。

分布式并網(wǎng)逆變器通過(guò)鎖相環(huán)得到公共點(diǎn)電壓頻率和幅值,以頻率和幅值是否越過(guò)閾值來(lái)判斷是否發(fā)生孤島。文獻(xiàn)[17]中敘述了單相鎖相環(huán)的機(jī)理,即通過(guò)濾除兩次以上的高次諧波獲得電網(wǎng)電壓相位角和基頻值。本文主要利用FFT分析AFD檢測(cè)技術(shù)中電流擾動(dòng)對(duì)公共點(diǎn)電壓基頻產(chǎn)生的影響。為了直觀地反映電流擾動(dòng)對(duì)公共點(diǎn)電壓的影響,本文以純電阻負(fù)載為例來(lái)進(jìn)行分析,失真的逆變器輸出電流的特性無(wú)偏差的傳遞到公共點(diǎn)電壓。

AFD檢測(cè)技術(shù)采用頻率向上偏移的擾動(dòng),逆變器的給定參考電流作歸一化處理,定義為:

(1)

式中:tz為圖1(a)中逆變器參考電流的斬波時(shí)間,表征了AFD孤島檢測(cè)技術(shù)所施加擾動(dòng)的大小;ω為電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)頻率;Ts是參考電流的周期。

在純電阻負(fù)載條件下,歸一化公共點(diǎn)電壓為:

(2)

為求取畸變后的公共點(diǎn)電壓基頻值,對(duì)單個(gè)周期的電壓無(wú)限延拓后進(jìn)行FFT分析,將圖1(a)向右平移tz/2得到圖1(b),一個(gè)中心對(duì)稱(chēng)的波形圖FFT序列中只含奇次諧波,不含偶次諧波。

對(duì)該波形進(jìn)行傅里葉分析,即

(3)

(4)

UPCC′(t)=U0′+(Ua1′cosωt+Ub1′sinωt)=

U0′+Ub1′sinωt

(5)

(6)

(7)

tz是一個(gè)很小的值,由等價(jià)無(wú)窮小原理可得:

(8)

Ub1′只有一個(gè)非常接近1的值,因此公共點(diǎn)電壓幅值不會(huì)越過(guò)電壓幅值的閾值。

基于單相鎖相環(huán)鎖基頻的特性,鎖相環(huán)對(duì)公共點(diǎn)電壓鎖相后的波形為圖1(b)中的虛線(xiàn)波形。由于圖1(b)是由圖1(a)向右平移了tz/2時(shí)刻所得,實(shí)際鎖相的零時(shí)刻為圖1(b)中的tz/2時(shí)刻,因此在電網(wǎng)發(fā)生故障的第一個(gè)半周波,鎖相得到的公共點(diǎn)電壓頻率為ω1=2π/(Ts-tz)。逆變器的下一個(gè)半周波電流擾動(dòng)在頻率為ω1的基礎(chǔ)上施加,公共點(diǎn)電壓頻率繼續(xù)偏移,其中Ts1=2π/ω1。因此,公共點(diǎn)電壓將會(huì)以每半個(gè)周期移相πtz/Tsn的速度使得頻率向上偏移直到頻率超過(guò)閾值檢測(cè)出孤島。

圖1　AFD的參考給定電流波形Fig.1　Reference current waveforms of AFD

2　負(fù)載特性對(duì)孤島檢測(cè)的影響

負(fù)載的類(lèi)型多種多樣,孤島檢測(cè)技術(shù)中最挑剔的負(fù)載類(lèi)型為RLC并聯(lián)負(fù)載。其阻抗角為:

(9)

(10)

式中:Qf為負(fù)載的品質(zhì)因數(shù);f0為負(fù)載的諧振頻率。

由式(9)可以看出,負(fù)載阻抗角與負(fù)載的電阻、電感、電容(決定品質(zhì)因數(shù))和頻率有關(guān)系。品質(zhì)因數(shù)越高對(duì)于孤島檢測(cè)技術(shù)的要求越是苛刻[15-16]。圖2是RLC負(fù)載特性與頻率的關(guān)系,ω0是負(fù)載的諧振頻率。由圖2可知,對(duì)于諧振頻率是ω0的負(fù)載,當(dāng)頻率相對(duì)于ω0向上偏移時(shí),負(fù)載阻抗角為負(fù),呈容性;當(dāng)頻率相對(duì)于ω0向下偏移時(shí),負(fù)載阻抗角為正,呈感性。

圖2　RLC負(fù)載特性與頻率的關(guān)系Fig.2　Load characteristics with different frequencies

因此,就單臺(tái)逆變器而言,負(fù)載分為4種情況,即純電阻負(fù)載、容性負(fù)載、感性負(fù)載、電網(wǎng)電壓頻率諧振負(fù)載[18]。當(dāng)注入擾動(dòng)產(chǎn)生的相位偏移與負(fù)載阻抗角相抵消時(shí),AFD檢測(cè)技術(shù)失敗。純電阻負(fù)載可以將電流頻率偏移全部傳遞到公共點(diǎn)電壓;感性負(fù)載時(shí),電壓超前電流,易使得采用向下擾動(dòng)偏移的AFD檢測(cè)技術(shù)失敗;容性負(fù)載時(shí),電壓滯后電流,易使得采用向上擾動(dòng)偏移的AFD檢測(cè)技術(shù)失敗。但是當(dāng)負(fù)載諧振頻率等于電網(wǎng)電壓頻率,電網(wǎng)故障時(shí)負(fù)載呈阻性,本周期AFD檢測(cè)技術(shù)對(duì)頻率的擾動(dòng)會(huì)被完全傳遞,使頻率升高(降低),偏離諧振頻率的負(fù)載呈容(感)性,AFD檢測(cè)技術(shù)對(duì)頻率的擾動(dòng)效應(yīng)會(huì)受到負(fù)載相位角的阻礙,使得頻率偏移速度減慢；嚴(yán)重的,擾動(dòng)與負(fù)載相位角的作用相抵消,頻率不再偏移無(wú)法越過(guò)閾值,孤島檢測(cè)失敗。因此,對(duì)在電網(wǎng)電壓頻率諧振的負(fù)載,斷網(wǎng)后新穩(wěn)態(tài)滿(mǎn)足的條件為:

(11)

式中:θAFD(jω)是由AFD檢測(cè)方法產(chǎn)生的相位偏移。

AFD檢測(cè)技術(shù)中對(duì)并網(wǎng)電流注入擾動(dòng)的大小是固定的,且擾動(dòng)大,諧波畸變率大;擾動(dòng)小,孤島檢測(cè)的準(zhǔn)確度小。因此,有學(xué)者提出擾動(dòng)隨頻率偏移變化的AFDPF檢測(cè)技術(shù)[14],保留AFD檢測(cè)技術(shù)的固定截?cái)嘞禂?shù)作為初始擾動(dòng),在此基礎(chǔ)上引入頻率正反饋,只要擾動(dòng)產(chǎn)生相位角偏移的速度比負(fù)載阻抗角變化的速度快,孤島檢測(cè)就一定可以成功。在實(shí)際應(yīng)用中,由于系統(tǒng)存在很多非線(xiàn)性因素,即便沒(méi)有初始擾動(dòng),頻率差也會(huì)存在,但由于頻差的方向與負(fù)載阻抗角方向不同,孤島檢測(cè)時(shí)間變長(zhǎng)甚至檢測(cè)失敗;在品質(zhì)因數(shù)較大情況下,負(fù)載阻抗角的變化速度快,需要的正反饋系數(shù)盡可能較大,但正反饋系數(shù)太大又會(huì)影響逆變器的電能質(zhì)量。因此,在實(shí)際并網(wǎng)逆變器中,AFDPF檢測(cè)技術(shù)正反饋系數(shù)的設(shè)置會(huì)同時(shí)受到電能質(zhì)量和孤島檢測(cè)準(zhǔn)確度的制約。

3　AFDLIA孤島檢測(cè)技術(shù)

3.1　AFDPF孤島檢測(cè)技術(shù)的機(jī)理

本文第1節(jié)中提到AFD檢測(cè)技術(shù)的機(jī)理是將輕微失真的逆變器電流注入電網(wǎng),決定該失真電流電網(wǎng)故障時(shí)引起公共點(diǎn)電壓發(fā)生頻率偏移量大小的是截?cái)嘞禂?shù)cf值,cf=ωtz/π。為了加快主動(dòng)頻移的速度,文獻(xiàn)[14]提出了AFDPF檢測(cè)技術(shù),采用式(12)所示的正反饋控制,逆變器電流給定的擾動(dòng)截?cái)嘞禂?shù)隨著頻率的偏移而遞增。即

cf=cf0+k(f-fg)

(12)

(13)

式中:θAFDPF為AFDPF檢測(cè)結(jié)束的移頻相角;cf0為初始截?cái)嘞禂?shù);k為正反饋系數(shù);f為公共點(diǎn)電壓實(shí)時(shí)頻率;fg為電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)頻率。

3.2　AFDLIA孤島檢測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

AFD檢測(cè)技術(shù)和AFDPF孤島檢測(cè)技術(shù)的參數(shù)是固定的,而負(fù)載特性是多種多樣的,多逆變器的情況下彼此之間的擾動(dòng)也存在不同[19]。因此,基于附錄A圖A1(a)所示的帶負(fù)載電流傳感器的并/離網(wǎng)逆變器模型,本文提出了一種AFDLIA孤島檢測(cè)技術(shù)。該并/離網(wǎng)逆變器主要有三種運(yùn)行模式:①離網(wǎng)帶負(fù)載運(yùn)行模式;②逆變器不運(yùn)行,電網(wǎng)帶負(fù)載;③逆變器并網(wǎng)帶負(fù)載運(yùn)行,文中以第3種并網(wǎng)帶負(fù)載情況討論孤島保護(hù)。AFDLIA檢測(cè)技術(shù)是一種改進(jìn)型AFDPF檢測(cè)技術(shù),其截?cái)嘞禂?shù)隨負(fù)載阻抗角的變化而自適應(yīng)調(diào)節(jié),不再為常數(shù)。

在孤島檢測(cè)中,當(dāng)負(fù)載阻抗角較小時(shí),截?cái)嘞禂?shù)的初始擾動(dòng)值cf0越大,越有利于公共點(diǎn)電壓頻率發(fā)生偏移,但cf0太大會(huì)影響到逆變器的電能質(zhì)量。因此,本文會(huì)以諧波畸變率小為前提設(shè)置截?cái)嘞禂?shù)的初始擾動(dòng)cf0。首先,對(duì)負(fù)載電流Iload進(jìn)行鎖相,得到負(fù)載阻抗角θload。

1)初始擾動(dòng)cf0的設(shè)計(jì)

對(duì)于初始擾動(dòng)系數(shù)的定義為:

cfk0=-kcfcfmaxsign(θload)

(14)

式中:cfmax為在負(fù)載阻抗角為零時(shí)的一個(gè)固定擾動(dòng),根據(jù)諧波畸變率的要求,一般將之設(shè)定為0.01;sign(·)為取正負(fù)值函數(shù)，若θload數(shù)值為正，則函數(shù)值為1，若為負(fù)，則函數(shù)值為-1。kcf為一個(gè)隨著θload絕對(duì)值變化的自適應(yīng)變量。即

(15)

由于實(shí)際應(yīng)用中負(fù)載的阻抗角在[-π/2,π/2]之間,因此隨著負(fù)載阻抗角的減小cfk0會(huì)逐漸增大,但由前一個(gè)公式可以看出最大也不會(huì)超過(guò)0.01,因此在正常并網(wǎng)的情況下諧波畸變率得到了保證。cfk0的擾動(dòng)方向與負(fù)載阻抗角對(duì)公共點(diǎn)電壓頻率作用的方向一致,不論在何種情況下,該初始擾動(dòng)都能夠使得公共點(diǎn)電壓頻率發(fā)生偏移。

2)負(fù)載反饋截?cái)嘞禂?shù)的設(shè)計(jì)

由負(fù)載頻率特性可知,在電網(wǎng)電壓基準(zhǔn)頻率發(fā)生諧振的負(fù)載最容易導(dǎo)致孤島檢測(cè)失敗,電網(wǎng)頻率下其負(fù)載阻抗角為零。在電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下,如果AFD擾動(dòng)使得公共點(diǎn)電壓頻移的速度大于阻抗角變化產(chǎn)生的頻移速度,系統(tǒng)一定能夠成功地檢測(cè)孤島并實(shí)施保護(hù)或切換離網(wǎng)模式。因此,要消除AFDPF檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)盲區(qū),那么必須滿(mǎn)足以下條件。即

(16)

對(duì)式(13)求導(dǎo),可得:

(17)

要滿(mǎn)足公式(16)中的條件,那么k滿(mǎn)足的條件為:

(18)

當(dāng)負(fù)載的諧振頻率與電網(wǎng)頻率相同,在并網(wǎng)的時(shí)候,Δθload和Δf都是零,不利于在微控制器中計(jì)算。在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)刻,負(fù)載阻抗角和公共點(diǎn)電壓頻率的變化為:

Δθload=θload,k-θload,k-1

(19)

Δf=fk-fk-1

(20)

由式(9)推導(dǎo)出負(fù)載阻抗角隨頻率變化趨勢(shì)為:

(21)

其變化趨勢(shì)由負(fù)載自身特性所決定。因此,在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)刻負(fù)載阻抗角變化的斜率是一定的,即

(22)

(23)

式中:θload為系統(tǒng)實(shí)時(shí)采樣負(fù)載阻抗角;f為公共點(diǎn)電壓實(shí)時(shí)頻率;fg為電網(wǎng)電壓頻率;θload,fg為并網(wǎng)時(shí)刻的負(fù)載阻抗角。

主動(dòng)頻移檢測(cè)方法的截?cái)嘞禂?shù)滿(mǎn)足的關(guān)系為:

(24)

對(duì)于本文所提出的AFDLIA檢測(cè)方法,可將截?cái)嘞禂?shù)設(shè)為:

(25)

由式(25)可知,截?cái)嘞禂?shù)cf的設(shè)置與負(fù)載阻抗角相關(guān);系數(shù)n的調(diào)節(jié)可以改變孤島檢測(cè)的時(shí)間。在并網(wǎng)時(shí)刻θload-θload,fg的值為零,cf最大是0.01,因此可以保證并網(wǎng)電流的電能質(zhì)量。

由式(18)可知,當(dāng)AFDPF檢測(cè)技術(shù)不滿(mǎn)足k>-2Δθload/(πΔf)時(shí),孤島檢測(cè)落入檢測(cè)盲區(qū),檢測(cè)失敗。將式(25)寫(xiě)成AFDPF檢測(cè)技術(shù)的形式。即

(26)

式中:由于n是一個(gè)始終大于1的數(shù),正反饋系數(shù)始終滿(mǎn)足k>-2Δθload/(πΔf)的條件,如式(27)所示。

(27)

因此,只要n>1,本文所提的AFDLIA孤島檢測(cè)技術(shù)不論何種惡劣的負(fù)載條件下均不存在檢測(cè)盲區(qū)。

3.3　多逆變器并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的AFDLIA孤島檢測(cè)

多臺(tái)逆變器運(yùn)行時(shí),逆變器之間會(huì)發(fā)生稀釋現(xiàn)象[19]。附錄A圖A2(b)所示為兩臺(tái)并/離網(wǎng)逆變器構(gòu)成的多逆變器系統(tǒng)模型示意圖,值得一提的是,并/離網(wǎng)逆變器的負(fù)載電流信息是通過(guò)逆變器裝置內(nèi)部的電流傳感器獲得的,因此附錄A圖A1(b)中將兩臺(tái)逆變器并聯(lián)連接等效負(fù)載是為了方便分析和設(shè)置負(fù)載的參數(shù)。當(dāng)逆變器1采用AFD檢測(cè)技術(shù)向上頻率偏移,而逆變器2采用AFD檢測(cè)技術(shù)向下頻率偏移,若偏移量相等,那么電網(wǎng)故障時(shí),兩個(gè)逆變器公共點(diǎn)電壓均不發(fā)生頻率偏移。采用AFDPF檢測(cè)技術(shù),初始擾動(dòng)產(chǎn)生的稀釋影響與AFD檢測(cè)技術(shù)相同,同時(shí)還存在頻差檢測(cè)誤差帶來(lái)的稀釋現(xiàn)象。

而本文提出的AFDLIA檢測(cè)技術(shù),其初始擾動(dòng)方向與負(fù)載阻抗角方向一致,在負(fù)載阻抗角變化為零時(shí),主要由初始擾動(dòng)cfk0和負(fù)載阻抗角同時(shí)作用使公共點(diǎn)電壓頻率發(fā)生偏移,因此可以忽略頻率檢測(cè)誤差帶來(lái)的影響。由于cf=ωtz/π,當(dāng)兩臺(tái)逆變器系統(tǒng)同時(shí)采用AFDLIA檢測(cè)技術(shù),可表示為:

Iref1(t)=

(28)

Iref2(t)=

(29)

式中:cf=2tz/Ts;Iref1和Iref2分別為兩臺(tái)歸一化的逆變器輸出電流參考值;cf1和cf2是兩臺(tái)逆變器對(duì)應(yīng)的斬波系數(shù)。

兩臺(tái)逆變器的作用等效成一臺(tái)逆變器為:

(30)

兩臺(tái)逆變器的參考電流的頻率都為電網(wǎng)電壓的頻率,因此忽略他們之間的頻率誤差,ω1=ω2=ω,式(28)等效為:

(31)

由于θ1與θ2較小,式(29)可以等價(jià)為:

(32)

當(dāng)cf1與cf2符號(hào)相同時(shí),移相角為0.5ωt(cf1+cf2),移相角等于兩臺(tái)逆變器的平均值;當(dāng)cf1與cf2符號(hào)相反時(shí),移相角為0.5ωt(|cf1|+|cf2|),兩臺(tái)逆變器的移相角相抵消,移相作用減弱。

若兩臺(tái)逆變器均采用本文所提的AFDLIA檢測(cè)技術(shù),其移相角可表示為:

θAFDLIA=0.5ωt(cf1+cf2)=

(33)

式中:n1和n2大于1,兩臺(tái)逆變器均采用AFDLIA檢測(cè)技術(shù),其等效截?cái)嘞禂?shù)為兩臺(tái)逆變器的均值;初始擾動(dòng)為(cfk01+cfk02)/2,不會(huì)發(fā)生稀釋效應(yīng)。

3.4　系統(tǒng)非線(xiàn)性因素分析

在實(shí)際的并/離網(wǎng)雙模式光伏發(fā)電系統(tǒng)中,存在很多由非線(xiàn)性因素產(chǎn)生的誤差:①通過(guò)鎖相環(huán)得到的負(fù)載阻抗角存在一定的誤差;②電壓電流傳感器經(jīng)過(guò)數(shù)字鎖相環(huán)得到的頻率存在一定程度的誤差。這些誤差跟數(shù)字處理器的速度密切相關(guān)。因此,需要對(duì)3.1節(jié)中的孤島檢測(cè)技術(shù)作相應(yīng)的分段式處理。

首先,當(dāng)負(fù)載阻抗角在接近零的很小范圍內(nèi)變化時(shí),由于通過(guò)鎖相環(huán)得到的負(fù)載阻抗角存在一定的誤差和延時(shí),此時(shí)的正負(fù)值存在不確定性。那么初始擾動(dòng)會(huì)一直處于一種震蕩的狀態(tài),使得檢測(cè)時(shí)間加長(zhǎng)甚至導(dǎo)致失敗。因此,可以將初始擾動(dòng)設(shè)定為一個(gè)確定值,本文將cfk0定義為:

(34)

因此本文將負(fù)載阻抗角接近零時(shí)定義為-cfcut,-cfcut可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)中負(fù)載阻抗角檢測(cè)精度的容忍度來(lái)調(diào)節(jié)。值得一提的,初始系數(shù)的分段是為了避免采樣誤差帶來(lái)的擾動(dòng)震蕩問(wèn)題,當(dāng)孤島發(fā)生-cfcut使公共點(diǎn)電壓頻率發(fā)生微小偏移后,便由負(fù)載阻抗角的反饋值產(chǎn)生頻率偏移擾動(dòng)。因此,為了保證并網(wǎng)的電能質(zhì)量,-cfcut不宜設(shè)置得太大。

其次,在實(shí)際系統(tǒng)中,系數(shù)n將放大并網(wǎng)時(shí)負(fù)載阻抗角的檢測(cè)誤差并附加給擾動(dòng),降低了逆變器的輸出電能質(zhì)量。為此,本文以頻率的閾值為界限,當(dāng)頻差較小時(shí),本文采用類(lèi)比基于三次冪的檢測(cè)方法,減小系數(shù)n的影響;當(dāng)頻差較大時(shí),采用類(lèi)比于基于拋物線(xiàn)的檢測(cè)方法[13],增強(qiáng)系數(shù)n的移頻作用。即

(35)

4　仿真與實(shí)驗(yàn)

1)仿真結(jié)果與分析

本文采用MATLAB/Simulink對(duì)所提方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。單臺(tái)逆變器的模型如附錄A圖A1(a)所示,相關(guān)參數(shù)如下:電網(wǎng)電壓有效值和頻率分別為220 V,50 Hz;逆變器直流側(cè)電壓為360 V,采用單位功率因數(shù)的電流控制方式,逆變器輸出電流有效值為9.09 A,逆變器輸出端濾波電感為1.5 mH;本地負(fù)載為RLC并聯(lián)負(fù)載,額定電壓為220 V,頻率為50 Hz,負(fù)載吸收有功功率為2 kW,負(fù)載電阻值為24.2 Ω,仿真中-cfcut取-0.001,仿真結(jié)果中Ug為公共點(diǎn)電壓,Iinv為輸出電流,頻率閾值為49.5 Hz。

在不同品質(zhì)因數(shù)的負(fù)載條件下,本文對(duì)傳統(tǒng)的AFDPF檢測(cè)技術(shù)和AFDLIA檢測(cè)技術(shù)做了對(duì)比,RLC并聯(lián)負(fù)載諧振頻率為50 Hz,R=24.2 Ω。圖3(a)為AFDPF檢測(cè)技術(shù),正反饋系數(shù)為0.1,初始截?cái)嘞禂?shù)cf0為-0.01,負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為2.5,電網(wǎng)故障89 ms后公共點(diǎn)電壓頻率超過(guò)閾值49.5 Hz,孤島檢測(cè)成功并實(shí)施孤島保護(hù)。圖3(b)為正反饋系數(shù)為0.1,初始截?cái)嘞禂?shù)cf0為-0.01的AFDPF檢測(cè)技術(shù),負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為6.0,公共點(diǎn)電壓頻率在到達(dá)49.8 Hz之后就進(jìn)入穩(wěn)態(tài),孤島檢測(cè)失敗。

AFDLIA檢測(cè)技術(shù)中n=2,圖3(c)為負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為2.5的仿真結(jié)果,圖3(d)為負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為6.0的仿真結(jié)果。兩種負(fù)載情況下,電網(wǎng)故障102 ms后公共點(diǎn)電壓頻率均超過(guò)閾值49.5 Hz,孤島檢測(cè)成功并實(shí)施孤島保護(hù)。從仿真結(jié)果圖3(a),(b)表明,AFDPF檢測(cè)技術(shù)受到負(fù)載品質(zhì)因數(shù)的影響較大,根據(jù)正反饋系數(shù)的不同其存在的盲區(qū)范圍也不同,因此固定的正反饋系數(shù)使得檢測(cè)技術(shù)總是存在盲區(qū)。仿真結(jié)果圖3(c),(d)證明了本文提出AFDLIA孤島檢測(cè)算法中的截?cái)嘞禂?shù)隨負(fù)載相位角的變化而變化,檢測(cè)精度不受負(fù)載品質(zhì)因數(shù)的影響,消除了孤島檢測(cè)的盲區(qū)。

圖3　單臺(tái)逆變器孤島檢測(cè)仿真圖Fig.3　Simulation results of a single inverter with AFDPF islanding detection technology

關(guān)于AFDLIA檢測(cè)技術(shù)中n的設(shè)置,通過(guò)表1中不同負(fù)載品質(zhì)因數(shù)的孤島檢測(cè)時(shí)間表分析可知,n值的大小一般只影響孤島檢測(cè)的時(shí)間,跟負(fù)載品質(zhì)因數(shù)的大小無(wú)關(guān)。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 19939—2005中所提出的在2 s內(nèi)檢測(cè)出孤島的時(shí)間要求,為控制孤島檢測(cè)時(shí)間在100 ms以?xún)?nèi),本文中提出的AFDLIA檢測(cè)技術(shù)中n值可采用2.5。

表1　AFDLIA孤島檢測(cè)方法檢測(cè)時(shí)間Table 1　Time of AFDLIA islanding detection technology

2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提孤島檢測(cè)算法的有效性,在一臺(tái)3 kW的并/離網(wǎng)雙模式逆變器上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)附錄A圖A2。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:電網(wǎng)電壓有效值為220 V、頻率為50 Hz,逆變器單位功率因數(shù)運(yùn)行。RLC并聯(lián)負(fù)載采用群菱公司ACLT-3803H防孤島試驗(yàn)檢測(cè)裝置。附錄A圖A3為本文所提方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,圖中紅色波形是孤島檢測(cè)裝置斷路器兩端電壓波形,正常并網(wǎng)時(shí)Upcc-Ug=0;模擬電網(wǎng)故障斷路器斷開(kāi),Upcc發(fā)生偏移直到孤島檢測(cè)成功,Upcc被負(fù)載鉗位至地電位,Upcc-Ug=-Ug;藍(lán)色波形是逆變器輸出電流的波形。

采用本文所提AFDLIA檢測(cè)技術(shù),n值設(shè)為2.5,附錄A圖A3(a)中負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為2.5,孤島檢測(cè)時(shí)間為91 ms;附錄A圖A3(b)中負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為6.0,孤島檢測(cè)時(shí)間為95 ms。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,AFDLIA檢測(cè)技術(shù)注入電流的擾動(dòng)隨負(fù)載相位角的變化而變化,不受負(fù)載品質(zhì)因數(shù)的影響,無(wú)檢測(cè)盲區(qū)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致,驗(yàn)證了本文所提基于負(fù)載阻抗角的主動(dòng)頻移孤島檢測(cè)技術(shù)的有效性。

為了驗(yàn)證本文對(duì)AFDLIA檢測(cè)技術(shù)的截?cái)嘞禂?shù)做分段式處理的有效性,在實(shí)驗(yàn)中對(duì)比了采用AFDPF和AFDLIA兩種孤島檢測(cè)技術(shù)的逆變器在正常并網(wǎng)時(shí)輸出電流的諧波畸變率。附錄A圖A4(a),(b)分別為采用AFDLIA和AFDPF孤島檢測(cè)技術(shù)并網(wǎng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形,上半部分為T(mén)ektronifxDPO3014數(shù)字示波器波形圖,下半部分為HIOKI3390功率分析儀的并網(wǎng)電流總諧波畸變率(THD)分析。附錄A圖A4(a)中的電流的THD為2.74%,附錄A圖A4(b)中的電流的THD為5.45%,而實(shí)際工作中存在諸多非線(xiàn)性因素,在不注入孤島擾動(dòng)情況下的并網(wǎng)電流的THD為2.35%。從表2中可以看出在正常并網(wǎng)時(shí),采用AFDPF檢測(cè)技術(shù)的逆變器并網(wǎng)電流的THD隨著正反饋系數(shù)的增加而遞增。然而,采用AFDLIA檢測(cè)技術(shù)的逆變器并網(wǎng)電流的THD卻基本不變。說(shuō)明在實(shí)際的逆變器系統(tǒng)當(dāng)中將AFDLIA孤島檢測(cè)技術(shù)截?cái)嘞禂?shù)做分段式處理可以很好地保證并網(wǎng)模式的電能質(zhì)量。

表2　AFDPF和AFDLIA檢測(cè)方法并網(wǎng)電流THD比較Table 2　THD comparison between AFDPF and AFDLIA algorithm

3)多逆變器系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析

兩臺(tái)逆變器的模型如附錄A圖A1(b)所示,電網(wǎng)參數(shù)與單臺(tái)逆變器相同,輸出電流有效值均為4.045 A,逆變器輸出端濾波電感為1.5 mH;本地負(fù)載為RLC并聯(lián)負(fù)載,品質(zhì)因數(shù)Qf=2.5,R=24.2 Ω,L=0.308 mH,C=328.83 μF,負(fù)載吸收有功功率均為2 kW,負(fù)載電阻值為24.2 Ω。

仿真結(jié)果如圖4所示,圖中電網(wǎng)故障發(fā)生在0.05 s。圖4(a)逆變器1采用AFD檢測(cè)技術(shù)擾動(dòng)向下,cf=-0.04,逆變器2采用AFD檢測(cè)技術(shù)擾動(dòng)下上cf=0.04,結(jié)果顯示電網(wǎng)故障后多逆變器系統(tǒng)孤島檢測(cè)發(fā)生稀釋現(xiàn)象,孤島檢測(cè)失敗,單臺(tái)逆變器cf0=0.04的AFD檢測(cè)技術(shù)會(huì)在電網(wǎng)故障84 ms后檢測(cè)成功。圖4(b)中逆變器1采用AFDPF檢測(cè)技術(shù),初始擾動(dòng)cf0=-0.01,正反饋系數(shù)k=0.15逆變器2采用AFDPF檢測(cè)技術(shù),其中初始擾動(dòng)cf0=0.01,正反饋系數(shù)k=0.15,結(jié)果顯示電網(wǎng)故障后多逆變器系統(tǒng)在129 ms之后檢測(cè)出孤島,與該負(fù)載條件下單臺(tái)逆變器采用AFDPF檢測(cè)技術(shù)相比,檢測(cè)時(shí)間增加了46 ms,稀釋現(xiàn)象較嚴(yán)重。圖4(c)逆變器1和逆變器2均采用AFDLIA檢測(cè)技術(shù),cfmax為0.01,n值取2.5,結(jié)果顯示電網(wǎng)故障后多逆變器系統(tǒng)在89 ms之后檢測(cè)出孤島,與該負(fù)載條件下單臺(tái)逆變器采用AFDLIA檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)時(shí)間相同。綜上所述,本文提出的AFDLIA檢測(cè)技術(shù)在多逆變器情況下不存在稀釋現(xiàn)象。

5　總結(jié)

圖4　多逆變器的孤島檢測(cè)仿真結(jié)果圖Fig.4　Simulation result of islanding detection in multi-inverters

隨著戶(hù)用式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用,用戶(hù)負(fù)載要求光伏發(fā)電裝置具有不間斷供電的能力,本文基于傳統(tǒng)主動(dòng)式孤島檢測(cè)技術(shù),以并/離網(wǎng)逆變器為研究對(duì)象,將負(fù)載阻抗角信息作為一個(gè)可知量,提出了一種AFDLIA孤島檢測(cè)方法。根據(jù)負(fù)載阻抗角的變化,實(shí)時(shí)地調(diào)整注入電流擾動(dòng)的大小,提高了孤島檢測(cè)的準(zhǔn)確性。為減小系統(tǒng)非線(xiàn)性因素的影響,對(duì)所提方法進(jìn)行改進(jìn),提高了系統(tǒng)的并網(wǎng)電能質(zhì)量。

本文所提AFDLIA孤島檢測(cè)方法解決了傳統(tǒng)主動(dòng)式孤島檢測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確性與系統(tǒng)并網(wǎng)電能質(zhì)量之間的矛盾,完全消除了檢測(cè)盲區(qū),但沒(méi)有徹底解決孤島檢測(cè)帶來(lái)的電流畸變問(wèn)題。這將成為分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中本地孤島檢測(cè)技術(shù)的下一個(gè)研究方向。

本文研究獲得中南大學(xué)2017年研究生自主探索創(chuàng)新項(xiàng)目(2017zzts489)資助,特此致謝!

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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