王立志，李揚(yáng)，何東朗，郭春曉，呂赟

(1.山東科技大學(xué)，青島 266590；2.國網(wǎng)山東省蓬萊市供電公司；3.國網(wǎng)山東省萊蕪市供電公司)

?

CC2530的主動移頻法在分布式發(fā)電孤島檢測中的應(yīng)用※

王立志1，李揚(yáng)2，何東朗2，郭春曉2，呂赟3

(1.山東科技大學(xué)，青島 266590；2.國網(wǎng)山東省蓬萊市供電公司；3.國網(wǎng)山東省萊蕪市供電公司)

摘要:光伏并網(wǎng)的孤島主動式檢測中，快速性與電流畸變之間的平衡是核心問題。為了提高孤島檢測效率，同時(shí)盡量減少對電網(wǎng)諧波的影響，在傳統(tǒng)AFD的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)型的電流擾動策略CD-AFD，以CC2530芯片為核心，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)諧波諧波檢測與分析。此策略基于Newton迭代法來使cf步長的改變以尋求最佳平衡點(diǎn),從而有效改善穩(wěn)定電流波形的總諧波失真(THD)，同時(shí)在負(fù)半波加強(qiáng)擾動量能,提高檢測速率。最后利用MATLAB仿真軟件仿真驗(yàn)證該方法的可行性。

關(guān)鍵詞:孤島檢測；主動移頻；Newton迭代；CC2530

引言

自主孤島檢測是光伏并網(wǎng)逆變器所必須具備的一個(gè)功能。發(fā)展到現(xiàn)在，進(jìn)行孤島檢測的方法主要分為兩類，即被動式和主動式孤島檢測方法。主動式AFD 頻率偏移檢測法相對于被動式檢測法,具有檢測盲區(qū)較小、檢測速度快等特點(diǎn)，因而被廣泛采用。傳統(tǒng)的AFD檢測中，cf值越高，則檢測速率越快，但其THD值也越大。

1傳統(tǒng)AFD法簡析

AFD 法的根本思想是通過注入擾動電流，強(qiáng)制將參考電流的基波分量相角移動一定的角度[8]。實(shí)線波形為實(shí)際電流波形，定義截?cái)嘞禂?shù)cf的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[9-10]

(1)

其中，TVutil為電網(wǎng)電壓的周期值，TTpv是逆變器輸出電流給定的周期值，TZ為電流波形在正、負(fù)半周之間存在的死區(qū)。

常用的向上頻移方法是在正弦波中插入死區(qū)，即向電網(wǎng)注入略微有點(diǎn)變形的電流。如圖1所示，用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正弦波作為參考，注入變形電流的同時(shí)提高并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出電流頻率。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)載呈感性時(shí)，電網(wǎng)跳脫后，失真的電流波形流經(jīng)本地負(fù)載時(shí)，光伏逆變器輸出電壓波形將成為標(biāo)準(zhǔn)正弦激勵(lì)的響應(yīng)。

圖1　傳統(tǒng)AFD原理圖

這樣，波形將比預(yù)期的過零點(diǎn)提前到達(dá)過零點(diǎn)，光伏逆變器自動檢測頻率誤差，如果大于設(shè)定值，則增大電壓頻率的值，直到達(dá)到過/欠頻保護(hù)的觸發(fā)值，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。感性負(fù)載相對于容性負(fù)載而言，阻抗角φ<0，在電網(wǎng)斷開后，光伏逆變器輸出電壓頻率將會向下偏移。

當(dāng)發(fā)生孤島現(xiàn)象時(shí)，有可能會面臨這樣的情況:當(dāng)經(jīng)歷k個(gè)完整周期的頻率偏移后，由負(fù)載相角帶來的滯后作用，可能會完全抵消阻抗角φ引起的超前作用，發(fā)生這種情況后，如果頻率和電壓超出規(guī)定的閾值范圍，那么檢測系統(tǒng)就無法檢測孤島的發(fā)生。同理，對于負(fù)偏移方案且負(fù)載阻抗呈容性時(shí)，同樣的情況也會出現(xiàn)。根據(jù)FFT 變換公式規(guī)律，可得出各諧波分量系數(shù) bi的表達(dá)式為：

(2)

其中，i表示諧波次數(shù)，傳統(tǒng)AFD法的電流波形中不含偶數(shù)次諧波，當(dāng)i為偶數(shù)時(shí)，bi=0。對截?cái)嘞禂?shù)cf0取不同值時(shí)，可計(jì)算得到相應(yīng)的諧波分量系數(shù)，將其代入式(3)即可求得AFD電流波形的總諧波失真THD大?。?/p>

(3)

AFD電流波形的THD具體參數(shù)如表1所列(取前5次諧波分量計(jì)算)。

表1　AFD 電流波形的 THD

截?cái)嘞禂?shù) cf隨著 AFD的增大而變大，產(chǎn)生的電流THD可基本近似以線性函數(shù)增長。所以，傳統(tǒng)AFD 的截?cái)嘞禂?shù)cf如何選取最優(yōu)量，成為制約檢測結(jié)果的主要問題。當(dāng)擾動量cf過大時(shí)，在提高孤島檢測效果的同時(shí)其穩(wěn)定時(shí)的輸出電流THD 也偏大，影響電能質(zhì)量；若選取cf過小，其孤島檢測時(shí)間將會延長，太小時(shí)可能會被某些干擾抵消，成為檢測盲區(qū)。

2改進(jìn)AFD算法簡介

圖2　CD-AFD擾動圖

傳統(tǒng) AFD在選取擾動量時(shí)，電流波形正負(fù)半波是一致且固定不變的，即圖2中的tz1=tz2[11]。未發(fā)生孤島效應(yīng)時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，輸出電流THD直接由截?cái)嘞禂?shù)cf決定。從提高孤島檢測速度、改善輸出電流波形質(zhì)量考慮，本文研究了一種新的主動頻移式電流擾動策略，稱之為 CD-AFD(Active Frequency Drift of Current Dichotomy)。

綜上所述，在同樣的擾動量cf下，為了尋找最佳步長值，CD-AFD 通過等分cf來給電流施加擾動，使其擾動量由 0 到cf依次變化，隨著擾動量增加，相應(yīng)的電流THD值也依次變大。與傳統(tǒng) AFD 方法比較，CD-AFD算法產(chǎn)生的總 THD 值相對較小，可以有效提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。

CD-AFD方法與傳統(tǒng) AFD法相比較，其不足體現(xiàn)在尋找最佳擾動量開始時(shí)由于擾動量相對較小，使得要從孤島發(fā)生至檢測步驟出現(xiàn)孤島現(xiàn)象的時(shí)間變長。此現(xiàn)象與等分量N的值緊密聯(lián)系，隨著N取值增大，該現(xiàn)象出現(xiàn)的概率隨之增加，所以提出了用于改善這種缺陷的改進(jìn)方法。

如圖2所示，在檢測裝置檢測到公共點(diǎn)電壓頻率超過一定閾值后，進(jìn)一步加大負(fù)半波的擾動量，即tz1

(4)

其中，cfk=kΔcf=kcf0/n表示連續(xù)n個(gè)正常周期內(nèi)擾動量序列；F為公共點(diǎn)頻率正常波動時(shí)的閾值(一般取0.2Hz)。

3諧波檢測硬件電路設(shè)計(jì)

諧波測量裝置一般包括數(shù)據(jù)測量、分析、設(shè)定參數(shù)、數(shù)據(jù)顯示、通信傳輸、數(shù)據(jù)存儲等功能。本文采用I2C+HSDC的模式，電壓和電流數(shù)據(jù)由ADE7878采樣后，傳輸?shù)紺C2530微控制器中分別進(jìn)行處理；為了便于ADE7878的初始化及在儀器工作時(shí)，獲取電壓、電流、功率等電能參數(shù)，將ADE7878通過I2C接口和CC2530微控制器通信;同時(shí)通過HSDC高速接口與CC2530微控制器通信，實(shí)現(xiàn)電壓電流的實(shí)時(shí)波形信息采集，并作出相應(yīng)的諧波分析。

液晶顯示部分用于顯示這些實(shí)時(shí)諧波數(shù)據(jù)以及諧波分析后的數(shù)據(jù)結(jié)果和波形。鍵盤部分有5個(gè)按鍵，分別為菜單、參數(shù)設(shè)置、上翻頁、下翻頁和確定鍵。本文主要介紹CC2530微控制器芯片的外圍電路，如圖3所示。

圖3　CC2530芯片外圍電路

4仿真分析

為了驗(yàn)證CD-AFD的檢測效果，利用MATLAB中提供的SIMULINK仿真軟件搭建仿真系統(tǒng)，具體參數(shù)為：電網(wǎng)電壓為220 V，頻率為50 Hz；開關(guān)管采用IGBT，并網(wǎng)逆變器輸出功率為2 kW，輸出電流峰值為9 A，Qf取2.5；并聯(lián)RLC負(fù)載分別為R=11.5238 Ω，L=14.7 mH，C=690.55 μF；負(fù)載諧振頻率為50 Hz，δf=0.25 Hz， 系統(tǒng)仿真時(shí)間為0.2 s；在0.08 s時(shí)刻電網(wǎng)斷電。從仿真結(jié)果看，系統(tǒng)在電網(wǎng)斷電后100 ms內(nèi)檢測到孤島負(fù)載電壓降為零，滿足孤島保護(hù)的要求。系統(tǒng)仿真圖略——編者注。

圖4　負(fù)載略呈容性時(shí)電壓電流及頻率

圖5　負(fù)載略呈感性時(shí)電壓電流及頻率

根據(jù)相關(guān)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),諧振頻率為50 Hz、品質(zhì)因數(shù)為2.5的本地負(fù)載被規(guī)定為孤島效應(yīng)最嚴(yán)重情形。一般逆變器若可在此情形下成功識別孤島效應(yīng),則認(rèn)定逆變器在該項(xiàng)指標(biāo)上合格，為模擬最嚴(yán)重的孤島情況,在設(shè)置并聯(lián)負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為2.5的前提下，其并聯(lián)負(fù)載分別略呈容性和略呈感性的仿真波形圖如圖4、圖5所示。由圖4、圖5中可以看出，并網(wǎng)電流iinv為0后，光伏并網(wǎng)點(diǎn)PCC 處電壓UP(即為負(fù)載兩端的電壓)不能立即為零，而是經(jīng)過一段時(shí)間才減小為0。這是由于本地負(fù)載為 RLC 并聯(lián)諧振負(fù)載，因此PCC 處電壓UP的減小有一個(gè)逐漸震蕩衰減過程?？梢园l(fā)現(xiàn)：CD-AFD方法可以很好的檢測出孤島效應(yīng)從而進(jìn)行相關(guān)保護(hù)；同時(shí),可以發(fā)現(xiàn),模型可以準(zhǔn)確在最嚴(yán)重的孤島情況下識別出孤島情形并進(jìn)行相關(guān)保護(hù)。

結(jié)語

本文提出了一種新的孤島檢測方法，從理論上推導(dǎo)了實(shí)現(xiàn)的可能性，并通過仿真驗(yàn)證了其可行性。針對傳統(tǒng) AFD法的截?cái)嘞禂?shù)cf在孤島檢測效率與電流畸變率兩者之間較難取得平衡的問題，CD-AFD改進(jìn)型電流擾動策略為解決該矛盾提供了可行的方法，且CC2530完全能滿足諧波檢測的需要。通過仿真驗(yàn)證，該方法在孤島檢測時(shí)速率較快，不存在盲區(qū)，可保證良好的電能質(zhì)量，對實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 崔民選.2006中國能源發(fā)展報(bào)告[M].北京:社會科學(xué)文獻(xiàn)出版社，2006.

[2] 李俊峰，王斯成,王勃華.等.中國光伏發(fā)展報(bào)告2011[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

[3] Verhoeven B.Probalibity of Islanding in Utility Networks due to Grid ConnectedPhotovoltaic Power Systems[EB/OL].[2015-07].https://en.wikipedia.org/wiki/Islanding.

[4] 劉芙蓉，康勇，王輝，等.主動移相式孤島檢測的一種改進(jìn)的算法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25(3): 172-176.

[5] 程啟明，王映斐，程尹曼，等.分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中孤島檢測方法的綜述研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(6): 147-154.

[6] Francesco De Mango， Marco Liserre， Antonio Dell’Aquila， et al.Overview of anti-islanding algorithms for PV systems-part II: Active methods[C] // IEEE Power Electronics and Motion Control Conference，Asia, 2010:1884-1889.

[7] 任碧瑩， 孫向東，鐘彥儒,等.用于單相分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測的新型電流擾動方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24(7): 157-162.

[8] Yafaoui A， Wu B， Kouro S.Improved active frequency drift anti-islanding detection method for grid connected photovoltaic system[J].IEEE Trans on Power Electron，2012， 27(5): 2367-2375.

[9] M E Ropp，M Begovic，A Rohatgi.Analysis and performance assessment of theactive frequency method of islanding prevention[J].IEEE Transactions on Energy Conversion, 2009，14(3): 810-816.

[10] Luiz A CLopes，Huili Sun.Performanc and Assessment of Active Frequency Drifting Islanding Detection Methods[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2009，21(1).

[11] 蔡逢煌，王武，陳四雄，等.一種改進(jìn)的主動移頻式孤島檢測技術(shù)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41(24): 70-75.

王立志(碩士研究生)，主要從事電力系統(tǒng)及其自動化研究。

(責(zé)任編輯：楊迪娜收修改稿日期：2015-08-21)

Atmel發(fā)布面向成本優(yōu)化型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的超低功耗互聯(lián)平臺

Atmel公司發(fā)布一款面向成本優(yōu)化型物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和可穿戴應(yīng)用的完整超低功耗互聯(lián)平臺。該新平臺采用低功耗ARM Cortex-M0+內(nèi)核的Atmel SMART SAM L21 和榮獲大獎(jiǎng)的BTLC1000 藍(lán)牙智能解決方案，為那些需要監(jiān)測活動和環(huán)境的電池供電型應(yīng)用提供了完美的解決方案。

低功耗互聯(lián)平臺的關(guān)鍵組件包括Atmel SMART SAM L21 MCU和Atmel SMART藍(lán)牙智能解決方案，兩者均達(dá)到業(yè)內(nèi)領(lǐng)先標(biāo)準(zhǔn)。

Application of Active Frequency Shift Method Based on CC2530 in Detection of Distributed Generation lsland※

Wang Lizhi1,Li Yang2,He Donglang2,Guo Chunxiao2,Lü Yun3

(1.Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;2.State Grid Shandong Penglai Electric Power Company;

3.State Grid Shandong Laiwu Electric Power Company)

Abstract：The balance between fast and current distortion is the key problem in the island active detection of PV grid connected.In order to improve the island detection efficiency and minimize the impact of the harmonic,an improved current disturbance strategy CD-AFD is proposed base on the traditional AFD.It takes CC2530 as the core to achieve the grid harmonic detection and analysis.The feasibility of the method is verified using MATLAB simulation software.

Key words:island detection;active frequency shift;Newton iterative method;CC2530

中圖分類號:TP21

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A