喬家振 楊淑連 李田澤 南雪

摘 要： 孤島檢測(cè)是并網(wǎng)光伏逆變器保護(hù)電氣設(shè)備和相關(guān)維修人員安全所必備的功能，要求其檢測(cè)算法不僅具有較快的檢測(cè)速度，而且還要盡量減少對(duì)電能質(zhì)量的不良影響。傳統(tǒng)的主動(dòng)頻移式孤島檢測(cè)算法行之有效，但是由于電流擾動(dòng)量的存在，對(duì)其輸出的電能質(zhì)量影響較大。針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)對(duì)其擾動(dòng)原理進(jìn)行研究，提出一種新型主動(dòng)頻移式孤島檢測(cè)方案，該方案通過(guò)移相的方式實(shí)現(xiàn)頻移。仿真結(jié)果表明，頻移式新算法檢測(cè)盲區(qū)小，與傳統(tǒng)頻移法相比總諧波畸變率降低了24.8%，檢測(cè)速度提前了0.1 s。該算法在有效減少諧波畸變率的同時(shí)提高了檢測(cè)速度，顯著提高了注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)； 主動(dòng)移頻； 孤島檢測(cè)； 擾動(dòng)方式； 諧波； 分布式發(fā)電

中圖分類號(hào)： TN98?34； TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）17?0132?04

Abstract： The islanding detection is a necessary function for photovoltaic grid?connected inverter to protect the electrical equipment and related maintenance personnel security， and its detection algorithm should have fast detection speed and active power quality effect. The traditional active frequency drift algorithm for islanding detection is effective， but its current disturbance quantity has a great influence on the output power quality. Aiming at the above problems， a new type of active frequency drift scheme for islanding detection is proposed by studying its disturbance principle， which can realize the frequency drift by means of phase drift. The simulation results show that the new frequency drift detection algorithm has small non?detection zone， its total harmonic distortion rate is reduced by 24.8% and the detection speed is 0.1 s improved than that of the traditional frequency drift method. The algorithm improves the detection speed while effectively reducing the harmonic distortion rate， and significantly improves the power quality of power grid.

Keywords： photovoltaic grid?connected system； active frequency drift； islanding detection； disturbance mode； harmonic； distributed generation

0 引 言

近年來(lái)，可再生能源以其清潔環(huán)保、可再生等特點(diǎn)得到了迅速發(fā)展，越來(lái)越多的分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）系統(tǒng)接入到電網(wǎng)中，使得孤島效應(yīng)問(wèn)題日益突出，引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。孤島效應(yīng)[1]是指在電網(wǎng)突然停止供電后，光伏發(fā)電裝置未能及時(shí)檢測(cè)出電網(wǎng)的失電狀態(tài)，并繼續(xù)向失壓的電網(wǎng)供電，并與其周圍的負(fù)載形成一個(gè)自給供電的孤島系統(tǒng)。孤島效應(yīng)的發(fā)生有諸多危害，因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)必須采取有效措施來(lái)防止孤島效應(yīng)的發(fā)生。

反孤島策略通常分為被動(dòng)式方案和主動(dòng)式方案兩類[2?4]。被動(dòng)式方案通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)中頻率或電壓的異常來(lái)識(shí)別孤島現(xiàn)象，該方法簡(jiǎn)單、有效，并且對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量沒(méi)有污染，但存在較大的不可檢測(cè)區(qū)域（Non?detection Zone，NDZ）。而主動(dòng)式方案通過(guò)向逆變器的輸出注入擾動(dòng)來(lái)判斷孤島的發(fā)生，雖然有效減小了檢測(cè)盲區(qū)，但或多或少對(duì)電能質(zhì)量造成不良影響。在主動(dòng)式孤島檢測(cè)方案中，主動(dòng)頻移（Active Frequency Drift，AFD）[5?9]是一種較好的孤島檢測(cè)方法，無(wú)需在系統(tǒng)中添加任何硬件，且對(duì)孤島檢出率高。但是該算法中電流給定非正弦引入的電流畸變，增加了總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion，THD），從而對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生了更大的不利影響。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上提出一種新的主動(dòng)頻移式孤島檢測(cè)方案，其電流給定為正弦波，僅在電流波形的第二和第四個(gè)[14]處進(jìn)行擾動(dòng)，通過(guò)移相的方式來(lái)移頻。與傳統(tǒng)AFD檢測(cè)方案相比，不僅電流畸變率低，而且檢測(cè)速度快，并通過(guò)Matlab仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

1 傳統(tǒng)AFD算法原理

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)等效模型如圖1所示。系統(tǒng)正常工作時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)受電網(wǎng)的鉗制，二者同時(shí)向負(fù)載供電。而當(dāng)電網(wǎng)斷開(kāi)連接時(shí)，負(fù)載由光伏系統(tǒng)單獨(dú)供電。在電網(wǎng)斷開(kāi)連接時(shí)，若逆變器的輸出功率與負(fù)載功率不匹配，逆變器輸出頻率就會(huì)發(fā)生較大的偏移，當(dāng)偏移量超出所設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)檢測(cè)出孤島的發(fā)生[10]。

傳統(tǒng)的主動(dòng)頻移（AFD）反孤島策略原理[11]為：通過(guò)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)向電網(wǎng)注入略微有點(diǎn)變形的電流，以形成一個(gè)連續(xù)改變頻率的趨勢(shì)。當(dāng)孤島發(fā)生時(shí)，公共連接點(diǎn)電壓的過(guò)零點(diǎn)比期望的提前到達(dá)，因此其電壓和逆變器輸出電流之間的相位差將會(huì)增加，這樣光伏并網(wǎng)逆變器能繼續(xù)檢測(cè)到二者的頻率誤差并再次增加公共連接點(diǎn)的電壓頻率，當(dāng)頻率偏移量足夠大時(shí)，就會(huì)觸發(fā)孤島保護(hù)。

傳統(tǒng)主動(dòng)頻移（AFD）法的電流波形如圖2所示，[Iref]為參考電流波形，[Irej]為注入的諧波波形，[IAFD]為AFD法時(shí)逆變器的輸出電流波形，[tz]定義了擾動(dòng)的深度，[T]為參考電流的周期，τ為傳統(tǒng)主動(dòng)頻移法電流的周期。

對(duì)于并網(wǎng)逆變器來(lái)說(shuō)，AFD方案原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。特別是在負(fù)載為純阻性的情況下能有效阻止光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的孤島運(yùn)行，檢測(cè)盲區(qū)（NDZ）比被動(dòng)式反孤島策略更小。但是其電流給定為非正弦，增加了總諧波畸變率（THD），給并網(wǎng)電能質(zhì)量帶來(lái)了較大的不良影響。

2 新型頻移式算法原理

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)主動(dòng)頻移（AFD）法的擾動(dòng)原理進(jìn)行分析，本文提出一種新型擾動(dòng)方式的孤島檢測(cè)方案。其電流波形如圖3所示，通過(guò)在電流的第二和第四個(gè)[14]處施加擾動(dòng)，有效的移動(dòng)了正弦波電流波形的相位角，通過(guò)移相的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)頻移。該方法不僅使電流的頻率發(fā)生偏移，而且與傳統(tǒng)AFD法相比，輸出的電流波形是正弦波，沒(méi)有發(fā)生畸變，有效的減少了電流給定非正弦所產(chǎn)生的THD。

因此，由式（4），式（8）和式（10）可知，當(dāng)以上兩種孤島檢測(cè)方案的功率比均為5%時(shí)，頻移式新算法的THD是3.2%，傳統(tǒng)主動(dòng)頻移（AFD）法的THD是5%?？梢?jiàn)，與傳統(tǒng)孤島檢測(cè)法相比，頻移式新算法的諧波畸變率減少了36%。同時(shí)由文獻(xiàn)[6]可知，增加注入負(fù)載的無(wú)功功率將會(huì)減小孤島檢測(cè)的非檢測(cè)區(qū)域，當(dāng)以上兩種方法的THD均為3.2%時(shí)，所提算法注入負(fù)載的無(wú)功比傳統(tǒng)AFD法多，從而具有更小的檢測(cè)盲區(qū)，能更好地實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

針對(duì)以上分析，本文利用400 V單項(xiàng)、小容量光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)所提算法的孤島檢測(cè)性能用Matlab/ Simulink進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真中采用恒電流控制的逆變器，電網(wǎng)電壓為220 V，電網(wǎng)頻率為50 Hz。由文獻(xiàn)[14]可知，仿真時(shí)選取負(fù)載為RLC并聯(lián)負(fù)載，并且負(fù)載消耗的功率與并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的輸出功率相匹配。取品質(zhì)因數(shù)為2.5，諧振頻率為50 Hz的最壞的情況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。則可用負(fù)載值為：[R=]6 Ω，[L=]7.45 mH，[C=]1 300 μF。仿真時(shí)間設(shè)置為0.4 s，公共電網(wǎng)在0.06 s斷開(kāi)。

3.2 仿真結(jié)果

傳統(tǒng)AFD法和新型頻移式算法的仿真電流波形分別如圖4，圖5所示。

諧波分析和孤島檢測(cè)結(jié)果如圖6～圖9所示。為了便于對(duì)比，仿真時(shí)兩種算法選取相同的擾動(dòng)量。當(dāng)[tz=]0.1 ms（[α=]0.03）時(shí)，傳統(tǒng)AFD法和新型孤島檢測(cè)法的輸出電流波形諧波分析分別如圖6，圖7所示。由圖可知，傳統(tǒng)AFD法的總諧波畸變率（THD）為3.23%，新型頻移式算法的諧波畸變率（THD）為2.43%；與傳統(tǒng)AFD算法相比，新算法下的諧波畸變率降低了24.8%，有效地減少了注入電網(wǎng)的諧波，提高了電能質(zhì)量。

傳統(tǒng)AFD法和新型孤島檢測(cè)方法的孤島檢測(cè)結(jié)果如圖8，圖9所示。由圖可知，在擾動(dòng)量相同的條件下，傳統(tǒng)AFD法在電網(wǎng)斷開(kāi)后0.26 s檢測(cè)到孤島，而新算法在電網(wǎng)斷網(wǎng)后0.16 s檢測(cè)到孤島的發(fā)生；斷網(wǎng)后頻率被更快地推至正常范圍以外，比傳統(tǒng)AFD法的檢測(cè)時(shí)間提前了0.1 s。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)傳統(tǒng)主動(dòng)頻移AFD算法的擾動(dòng)原理進(jìn)行詳細(xì)分析，立足減少算法產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的不良影響，提出一種與傳統(tǒng)AFD法擾動(dòng)方式不同的孤島檢測(cè)新算法。經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，該算法原理簡(jiǎn)單，滿足孤島檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，與傳統(tǒng)AFD法相比總諧波畸變率（THD）降低了24.8%，檢測(cè)速度提高了0.1 s。所提算法在有效減少諧波的同時(shí)提高了檢測(cè)速度，同時(shí)具有更小的檢測(cè)盲區(qū)，因此該算法對(duì)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)有孤島檢測(cè)算法的進(jìn)一步完善具有重要意義。

注：本文通訊作者為楊淑連。

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