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(cè)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(xué)電氣工程學(xué)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(xué)研究院(南京分院) 江蘇 南京 210000)

針對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島保護(hù)與低電壓穿越之間的運(yùn)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(cè)方法。根據(jù)系統(tǒng)在并網(wǎng)、孤島、電壓擾動(dòng)三種運(yùn)行狀態(tài)下諧波電壓的不同，用傅里葉級(jí)數(shù)定量分析了頻譜泄漏對(duì)諧波檢測(cè)的影響，同時(shí)在考慮主電網(wǎng)背景諧波對(duì)諧波檢測(cè)的影響后，推導(dǎo)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(cè)實(shí)現(xiàn)方案及其算法流程，并在仿真軟件平臺(tái)上驗(yàn)證。從“協(xié)鑫邊昭光伏電站帶邊昭變孤島試驗(yàn)”的數(shù)據(jù)中提取的諧波特性曲線進(jìn)一步驗(yàn)證了所提的諧波電壓閾值可以識(shí)別孤島現(xiàn)象。理論分析、仿真實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(dòng)現(xiàn)象的依據(jù)，所提的基于諧波特性的同步檢測(cè)方法可以有效協(xié)調(diào)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島保護(hù)和低電壓穿越兩種功能。

光伏；并網(wǎng)；孤島保護(hù)；低電壓穿越；背景諧波；頻譜泄漏；同步檢測(cè)

0 引言

為了解決日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)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(shì)[4]，接入配電網(wǎng)中不僅可以有效緩解當(dāng)?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(yùn)行機(jī)理和常規(guī)發(fā)電機(jī)組存在較大差異，大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)勢(shì)必會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[6-7]。為了保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)須同時(shí)具備孤島保護(hù)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(shí)，由該區(qū)域的分布式電源繼續(xù)向負(fù)荷供電，從而形成一個(gè)獨(dú)立不可控的自給式供電區(qū)域[8-9]。而孤島保護(hù)則是指當(dāng)網(wǎng)側(cè)斷路器斷開、系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)時(shí)，光伏電站應(yīng)及時(shí)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(huì)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成嚴(yán)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(yīng)具有低電壓穿越能力。低電壓穿越是指當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓短時(shí)跌落時(shí)，光伏電站應(yīng)保持并網(wǎng)狀態(tài)運(yùn)行一段時(shí)間，以維持電壓與頻率的穩(wěn)定[13]。這就帶來了一個(gè)難題，即當(dāng)檢測(cè)到公共耦合點(diǎn)(Point of Common Coupling, PCC)電壓跌落時(shí)，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)如何選擇低電壓穿越或者孤島保護(hù)動(dòng)作。當(dāng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行低電壓穿越操作不僅會(huì)影響孤島檢測(cè)效果，而且還會(huì)對(duì)設(shè)備與人員造成傷害；而當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生暫態(tài)擾動(dòng)時(shí)，執(zhí)行孤島保護(hù)的停機(jī)動(dòng)作會(huì)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(cè)并不是同步進(jìn)行的，而是在發(fā)生電壓跌落時(shí)，保持并網(wǎng)狀態(tài)運(yùn)行在國標(biāo)規(guī)定的低電壓穿越時(shí)間后再進(jìn)行孤島檢測(cè)。然而，根據(jù)GB/T 19964－2012、IEEE Std. 1547.1－2020等國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)[15-23]的規(guī)定，在PCC電壓跌落以后，孤島保護(hù)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(hù)動(dòng)作時(shí)間上與各并網(wǎng)準(zhǔn)則相悖。

為了使孤島保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和低電壓穿越時(shí)長均能符合并網(wǎng)準(zhǔn)則，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)需要同時(shí)進(jìn)行低電壓穿越與孤島檢測(cè)，對(duì)電壓暫態(tài)擾動(dòng)與孤島狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確而快速的區(qū)分，然而目前對(duì)此鮮有研究。文獻(xiàn)[14]提出了一種基于無功功率擾動(dòng)的低電壓穿越與孤島同步檢測(cè)算法，但是該算法是基于網(wǎng)側(cè)電壓暫態(tài)擾動(dòng)時(shí)頻率不變這一前提的，未考慮主電網(wǎng)在故障時(shí)的頻率偏移。文獻(xiàn)[24]提出了一種基于阻抗特性的孤島保護(hù)和故障穿越協(xié)調(diào)運(yùn)行方法，但是需要外加1.5次諧波源來測(cè)取諧波阻抗，不僅成本高，而且會(huì)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[25]利用負(fù)序電流注入實(shí)現(xiàn)孤島保護(hù)和不平衡故障穿越，但是未能實(shí)現(xiàn)三相對(duì)稱故障時(shí)的低電壓穿越。文獻(xiàn)[26-27]把并網(wǎng)準(zhǔn)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(hù)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(xiàn)[28]把低電壓持續(xù)的時(shí)間作為區(qū)分孤島現(xiàn)象和電壓暫態(tài)擾動(dòng)的依據(jù)，這并不完全符合并網(wǎng)準(zhǔn)則的要求。

針對(duì)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(cè)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(jìn)而執(zhí)行不同操作，保護(hù)人員與設(shè)備安全。

1 孤島與電壓暫態(tài)擾動(dòng)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(fù)荷為RLC并聯(lián)恒阻抗負(fù)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(fù)載阻抗Z，其值為

式中：R、L、C為并聯(lián)負(fù)載參數(shù)；為工頻對(duì)應(yīng)的角頻率。

在系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)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(yùn)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(yùn)行時(shí)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(dòng)的情況下，斷路器依舊閉合，擾動(dòng)后經(jīng)過一段時(shí)間PCC電壓會(huì)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，此時(shí)S與本地負(fù)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(duì)故障檢測(cè)的影響

上節(jié)結(jié)論建立在兩個(gè)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(dòng)均有可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻率發(fā)生變化。因?yàn)楣收虾蟮念l率很難確定，而其具體數(shù)值通常不會(huì)偏離工頻太遠(yuǎn)，所以目前多數(shù)學(xué)者[25]仍以工頻下的阻抗Z來分析電壓諧波的幅值，即認(rèn)為式(3)和式(7)依然成立。那么引入了一個(gè)新的問題——頻譜泄漏。

頻譜泄漏是信號(hào)頻譜中各譜線之間相互影響使測(cè)量結(jié)果偏離實(shí)際值，同時(shí)在譜線兩側(cè)其他頻率點(diǎn)上出現(xiàn)一些幅值較小的假譜。簡(jiǎn)單來說，造成頻譜泄漏的是采樣頻率，而不是信號(hào)頻率的整數(shù)倍，造成周期采樣信號(hào)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(dòng)以后系統(tǒng)頻率由50 Hz變?yōu)?9.5 Hz，且穩(wěn)定，此時(shí)系統(tǒng)中的100 Hz諧波幅值是接近于0的，但實(shí)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(huì)存在100 Hz諧波。這是因?yàn)椤胺递^大的49.5 Hz間諧波”的存在干擾了對(duì)“幅值為0的50 Hz基波”的2次諧波的檢測(cè)，造成了頻譜泄漏。

頻譜泄漏在電力檢測(cè)中是普遍存在的，國內(nèi)外學(xué)者通過給檢測(cè)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(gè)考慮因素應(yīng)用于所提出的同步檢測(cè)方法。

綜上，式(8)所給出的實(shí)際檢測(cè)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(jí)。

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

2 同步檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方案

步驟1：采集PCC電壓、電流及頻率等信息，對(duì)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(shí)時(shí)檢測(cè)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(zhǔn)則[15-23]所規(guī)定的頻率允許范圍(48Hz ～ 50.5 Hz，考慮頻率適應(yīng)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(hù)動(dòng)作。

步驟3：將實(shí)時(shí)檢測(cè)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(yùn)行狀態(tài)(根據(jù)上文分析，此時(shí)系統(tǒng)有可能處于孤島狀態(tài)或者電壓暫態(tài)擾動(dòng)狀態(tài))，執(zhí)行步驟4；若檢測(cè)到PCC等于正常值，則繼續(xù)正常運(yùn)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(jìn)入低電壓穿越運(yùn)行狀態(tài)即光伏系統(tǒng)保持并網(wǎng)運(yùn)行，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[15-23]為暫態(tài)運(yùn)行期間PCC電壓提供暫態(tài)無功支撐；

圖3 同步檢測(cè)方法算法流程圖

3) 經(jīng)過最大穿越時(shí)限max后，判斷電壓是否達(dá)到正常值，若達(dá)到，則恢復(fù)正常運(yùn)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(gè)電氣量的作用，本節(jié)的方案還考慮了孤島的頻率保護(hù)。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(cè)法單獨(dú)以頻率作為判據(jù)，存在較大的檢測(cè)盲區(qū)，所以需要結(jié)合電壓檢測(cè)法來判定故障；2) 電壓檢測(cè)法有可能混淆孤島現(xiàn)象與電壓暫態(tài)擾動(dòng)現(xiàn)象，從而造成孤島誤判和低電壓穿越失敗，所以需要進(jìn)一步結(jié)合諧波檢測(cè)法來分析系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

3 算例分析

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)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(duì)故障后諧波的影響，同時(shí)避免頻率保護(hù)系統(tǒng)對(duì)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(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，本文通過調(diào)節(jié)負(fù)荷參數(shù)以及設(shè)置主電網(wǎng)參數(shù)，將電壓暫態(tài)擾動(dòng)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(duì)應(yīng)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(dòng)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(diǎn)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(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(xué)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(yàn)”，實(shí)驗(yàn)線路如圖6所示。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)人員在07：43和09：35時(shí)進(jìn)行了兩次孤島運(yùn)行，本文僅以07：43時(shí)這次孤島運(yùn)行為例驗(yàn)證所提方法。在孤島運(yùn)行前，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(fù)荷相匹配(即使光伏電站工作在傳統(tǒng)的孤島檢測(cè)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(shí)現(xiàn)持續(xù)性的孤島運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)過程為：07：43時(shí)在準(zhǔn)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(yùn)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(hù)告警，延時(shí)0.2 s保護(hù)動(dòng)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(hù)動(dòng)作；延時(shí)0.1 s后，頻率電壓緊急控制裝置動(dòng)作，光伏并網(wǎng)開關(guān)跳開，孤島運(yùn)行終止。

圖6 孤島實(shí)驗(yàn)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(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島保護(hù)與低電壓穿越之間的運(yùn)行沖突問題，本文計(jì)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(duì)諧波檢測(cè)的影響，提出了一種基于諧波特性的同步檢測(cè)方法，并給出了作為檢測(cè)依據(jù)的諧波電壓閾值。該方法可以有效辨識(shí)PCC電壓跌落的原因，使孤島保護(hù)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(yùn)行。

下一步研究將考慮控制器檢測(cè)到PCC處電壓異常時(shí)，低電壓穿越所要求的動(dòng)態(tài)無功支撐與主動(dòng)式孤島檢測(cè)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFB0902002)；國網(wǎng)吉林省電力有限公司科技項(xiàng)目(SGJL0000DKJS1800321)；中國電力科學(xué)研究院南京分院科技項(xiàng)目(NYN51201900639)

2021-04-10；

2021-07-17

趙禹燦(1995—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槲㈦娋W(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?yàn)榕潆娋W(wǎng)與微電網(wǎng)運(yùn)行控制。E-mail: zjuyumiao@ zju.edu.cn

(編輯 姜新麗)