廖紅偉,林永君

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,河北 保定 071003)

光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島的檢測(cè)

廖紅偉,林永君

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,河北 保定 071003)

介紹了光伏并網(wǎng)發(fā)電出現(xiàn)孤島會(huì)帶來(lái)的負(fù)面影響,同時(shí)引入了關(guān)鍵電量檢測(cè)法和主動(dòng)頻率偏移法(AFD法)及在其基礎(chǔ)上改進(jìn)的 2N周期擾動(dòng)法。2 N周期擾動(dòng)法極大地減小了主動(dòng)頻率偏移法的死區(qū),并減小對(duì)電流質(zhì)量的影響,但由于 2N周期擾動(dòng)法仍存在比較嚴(yán)重的非檢測(cè)區(qū)的問(wèn)題,提出了 2 N周期擾動(dòng)法和關(guān)鍵電量檢測(cè)法相結(jié)合的方法,通過(guò)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn),這個(gè)方法可以有效減小非檢測(cè)區(qū)并且在檢測(cè)區(qū)內(nèi)可以提高孤島檢測(cè)的可靠性。

孤島檢測(cè);2 N周期擾動(dòng)法;關(guān)鍵電量檢測(cè)法

0 引 言

近年來(lái)隨著世界能源危機(jī)和環(huán)境污染的加劇,光伏發(fā)電污染少,使用壽命長(zhǎng),得到了人們的廣泛重視。光伏并網(wǎng)發(fā)電有初期投資低、電能輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),目前已成為光伏發(fā)電發(fā)展最快的形式之一。[1]

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島效應(yīng)是指當(dāng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)相連接的電網(wǎng)的部分線路因故障或維修停電時(shí),停電線路所帶負(fù)載由所連的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)繼續(xù)供電,并連同周圍負(fù)載構(gòu)成一個(gè)自給的供電的孤島。孤島效應(yīng)會(huì)對(duì)配電網(wǎng)和用戶端設(shè)備造成嚴(yán)重的危害。因此研究孤島效應(yīng)的檢測(cè)方法和保護(hù)措施,將孤島效應(yīng)的危害降至最低,具有很重要的理論意義和工程應(yīng)用意義。[2]

孤島的檢測(cè)方法主要有被動(dòng)檢測(cè)法和主動(dòng)擾動(dòng)法。被動(dòng)檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是當(dāng)發(fā)生孤島后公共耦合點(diǎn)電壓處于非檢測(cè)區(qū)內(nèi)時(shí),存在無(wú)法識(shí)別問(wèn)題。主動(dòng)擾動(dòng)方法一般是通過(guò)定時(shí)地改變輸出信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)效果。根據(jù)逆變輸出電流公式 Iinv=Imsin(2πft+θ)可知,對(duì)幅值 Im、頻率 f或初始相位 θ進(jìn)行擾動(dòng),使處于孤島狀態(tài)下的系統(tǒng)公共耦合點(diǎn)電壓的參數(shù)：幅值、頻率或諧波含量等超出正常范圍,從而達(dá)到檢測(cè)孤島效應(yīng)的目的。主動(dòng)頻率偏移法 (AFD)是一種常用的主動(dòng)擾動(dòng)法。

1 孤島檢測(cè)原理分析

1.1 AFD法的基本原理

主動(dòng)頻率偏移法 (AFD)是一種最常用的主動(dòng)擾動(dòng)檢測(cè)孤島的方法。圖 1所示為 AFD法基本原理圖,T為公共耦合點(diǎn)電壓波形周期;T1為逆變器輸出電流參考波形的周期;T2為加入擾動(dòng)后的畸變時(shí)間。

圖1 AFD法原理圖Fig.1 AFD method schematic

前半周期的前段系統(tǒng)輸出電流保持正弦但頻率不同于電網(wǎng)電壓,當(dāng)該電流達(dá)到過(guò)零點(diǎn),輸出電流將保持 T2時(shí)間的零值,直到后半周期開(kāi)始;后半周期的第一部分,光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電流是前半周期第一部分呈現(xiàn)橫軸翻折,當(dāng)系統(tǒng)電流再次達(dá)到過(guò)零點(diǎn),它將保持為零直到電壓到達(dá)過(guò)零點(diǎn)。由于 T2時(shí)間內(nèi)輸出為零,電流參考波形傅里葉分解中既含有正弦分量又有余弦分量,因此其基波分量相對(duì)于此電流就出現(xiàn)了一個(gè)相移。反復(fù)如此,系統(tǒng)的頻率將會(huì)增加。電網(wǎng)正常工作時(shí),在擾動(dòng)信號(hào)的作用下并網(wǎng)電流只會(huì)有微小的頻率偏移,無(wú)法持續(xù)改變頻率;當(dāng)孤島形成以后,將發(fā)生持續(xù)偏移,偏移量足夠大時(shí)就能被頻率保護(hù)電路檢測(cè)到。

1.2 AFD法缺陷及改進(jìn)的 2 N周期電流擾動(dòng)法

AFD法其本身存在兩個(gè)重要的缺陷。一是加入了主動(dòng)地?cái)_動(dòng)信號(hào),導(dǎo)致光伏并網(wǎng)發(fā)電的質(zhì)量下降。二是存在孤島檢測(cè)的 “死區(qū)”,會(huì)使在特定條件下對(duì)孤島做出的檢測(cè)失效。所以出現(xiàn)了很多對(duì) AFD法的改進(jìn)方法。

2 N周期擾動(dòng)法是對(duì) AFD法的一種改進(jìn)方法,原理如圖 2所示。在第 2 N個(gè)整數(shù)電壓周期時(shí),采用與 AFD法相同的電流擾動(dòng);在第2N+1個(gè)整數(shù)電壓周期時(shí),逆變器輸出電流與公共耦合點(diǎn)電壓同頻同相,并不進(jìn)行任何畸變。檢測(cè)時(shí)比較2N周期和2N+1周期電壓的頻率差別,這樣既可以提高并網(wǎng)電流質(zhì)量,還有效地減小了非檢測(cè)區(qū)的范圍。

圖2 2N周期擾動(dòng)法原理圖Fig.2 2N cycle perturbation method schematic

2 N周期法的原理是電網(wǎng)斷電后若是負(fù)載頻率大于電網(wǎng)頻率的,則耦合點(diǎn)頻率增大。若是負(fù)載頻率小于電網(wǎng)頻率則耦合點(diǎn)頻率減小。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)以前電壓頻率是高低交錯(cuò)漸進(jìn)變化的,最終相鄰周期電壓頻率會(huì)穩(wěn)定在兩個(gè)頻率上變化。2N周期的電壓頻率高,這是電流擾動(dòng)的結(jié)果。2N+1周期的電壓頻率比較低,是本地負(fù)載固有頻率決定的?？梢酝ㄟ^(guò)連續(xù)記錄耦合點(diǎn)相鄰周期電壓頻率之差正負(fù)交替變化狀態(tài)次數(shù),當(dāng)超過(guò)設(shè)定次數(shù)時(shí),則進(jìn)行孤島保護(hù)。[3]

1.3 關(guān)鍵電量變化率檢測(cè)

關(guān)鍵電量變化檢測(cè)法是通過(guò)檢測(cè)關(guān)鍵電量的變化判斷電網(wǎng)是否斷電,原理如圖 3所示。

圖3 關(guān)鍵電量檢測(cè)原理圖Fig.3 Key pow er detection schematic

式中：P,Q為逆變器輸出的有功和無(wú)功;PL,QL為本地負(fù)載的有功和無(wú)功;ΔP,ΔQ為不匹配有功和無(wú)功;VPCC為 PCC處的電壓。

孤島發(fā)生后逆變器的輸出 P,Q保持不變,逆變器的輸出功率與本地負(fù)載達(dá)到平衡,這種情況下會(huì)有

由此可知只要 ΔP,ΔQ不為零,逆變器的輸出功率與本地負(fù)載需求功率不完全匹配時(shí),孤島發(fā)生后 PCC點(diǎn)處的電壓和頻率都會(huì)發(fā)生變化,而且會(huì)因?yàn)椴黄ヅ涑潭仍酱?頻率變化就越大。頻率和電壓的變化會(huì)引起其他一些相關(guān)電量的變化,如負(fù)載電壓、輸出有功和無(wú)功等。

通過(guò)檢測(cè)這些相關(guān)電量的變化可以達(dá)到監(jiān)測(cè)孤島的目的。如果電壓和頻率的變化較小時(shí)可以考慮頻率變化與相關(guān)電量的變化之比 Δf/Δp,如頻率變化與負(fù)荷電壓之比、頻率變化與負(fù)荷有功變化之比等,來(lái)檢測(cè)孤島的存在。本文利用 Δf/Δp檢測(cè)孤島提高靈敏度。

又因?yàn)?PCC處的電壓即為本地負(fù)荷電壓,負(fù)荷吸收的有功變化等于 ΔP,可以得出

針對(duì) AFD進(jìn)行改進(jìn)的 2 N周期電流擾動(dòng)法,可以通過(guò)檢測(cè)相鄰周期的電壓頻率之差是否連續(xù)正負(fù)交替變換來(lái)有效地識(shí)別非檢測(cè)區(qū)內(nèi)的孤島,這種方法存在的問(wèn)題是在特定條件下依然會(huì)存在死區(qū)。

本文提出 2 N周期擾動(dòng)與關(guān)鍵電量變化率檢測(cè)相結(jié)合的方法,可以使非檢測(cè)區(qū)的范圍減小,提高孤島監(jiān)測(cè)可靠性,也有效克服了電量檢測(cè)反應(yīng)慢的缺點(diǎn)。

2 2N周期法結(jié)合與關(guān)鍵電量變化率檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用 TI公司的 2000系列 DSP(T MS320LF2407A)為核心設(shè)計(jì)該測(cè)量模,具有較高的數(shù)據(jù)處理能力。其采用高性能靜態(tài) C MOS技術(shù),使供電電壓降為 3.3 V,功耗低。

并網(wǎng)逆變器的孤島檢測(cè),可以采用直流檢測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)電壓及欠電壓的檢測(cè)。該檢測(cè)方法先將三相交流電進(jìn)行三相橋式整流,然后濾波,再對(duì)整流出來(lái)的脈沖波形進(jìn)行峰值判斷,當(dāng)峰值高于規(guī)定的最高值或低于最低值時(shí),發(fā)生孤島信號(hào),使電網(wǎng)斷電。

使用 T MS320LF2407A進(jìn)行孤島測(cè)量的組成框圖如圖 4所示。被采樣信號(hào)首先通過(guò)隔離與差分輸入,再進(jìn)入低通濾波,然后通過(guò) MAX125采樣。差分輸入是為了抑制共模干擾,濾波的作用是濾除高頻諧波,防止頻譜混疊。T MS320LF2407A把處理的結(jié)果可以通過(guò)液晶顯示,也可以上傳到上位機(jī)參數(shù)監(jiān)測(cè)。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 System structure

基于數(shù)字信號(hào)處理器 T MS320C32進(jìn)行了單臺(tái)逆變器并網(wǎng)實(shí)驗(yàn),電網(wǎng)電壓 220 V/50 Hz,tZ=100 us,ε=15 us,Nref=20,本地負(fù)載 L=100mH,C=100 uF,R=110Ω,開(kāi)關(guān)頻率 20 kHz,濾波電感 100 mH。另外,本實(shí)驗(yàn)采用有限沖擊響應(yīng)濾波器對(duì)電網(wǎng)電流進(jìn)行了濾波,從電網(wǎng)電流中提取了基波含量,避免了諧波的影響。

實(shí)現(xiàn) 2 N周期擾動(dòng)與關(guān)鍵電量變化率檢測(cè)相結(jié)合的方法的中斷服務(wù)軟件流程圖如圖 5,6所示。

圖5 關(guān)鍵電量變化率檢測(cè)實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.5 Detection rate of change of the key power flow chart

圖6 2N周期擾動(dòng)法實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.6 2 N cycle perturbation method flow chart

3 結(jié) 論

本文采用一種被動(dòng)式和主動(dòng)式相結(jié)合的孤島效應(yīng)檢測(cè)方法。該種檢測(cè)方法對(duì)電能質(zhì)量的影響小,檢測(cè)簡(jiǎn)單方便,適合工程實(shí)現(xiàn)。并且易于硬件電路的搭建,系統(tǒng)發(fā)生故障幾率小,可以作為工程應(yīng)用的參考。

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Islanding Detection Based on Photovoltaic Power Generation System

Liao Hongw ei,Lin Yongjun
(Schoolof Controland Computer Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

The effects of islanding in grid-connected PV system are studied in the article.And introduce the active frequency drift(AFD)method and 2N periodic perturbation method.As there is non-detection zone exist in the methods.Aiming at the disadvantages ofmethods above,a new passive islanding detection algorithm is Proposed-2N periodic perturbation combine with key-powerdetectingmethod.That can reduce the“dead zone” and improve islanding detection reliability.

islanding detection;2N periodic perturbationmethod;key-power detectingmethod

T M615

A

2010-06-11。

廖紅偉 (1985-),男,碩士研究生,研究領(lǐng)域?yàn)楣夥l(fā)電,E-mail：liaohongwei@126.com。