《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種改進(jìn)的孤島檢測(cè)策略在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
李 菲,,舒欣梅,何建平,,苗 淼
西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院,,四川 成都610039
摘要: 在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中,,可能產(chǎn)生的孤島效應(yīng)一定程度上限制了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)(photovoltaic grid connected power system,PV)的應(yīng)用和發(fā)展,,孤島檢測(cè)是光伏系統(tǒng)必須具備的功能,。傳統(tǒng)的滑模頻率偏移法有檢測(cè)效率較低、對(duì)系統(tǒng)發(fā)電質(zhì)量影響較大等缺點(diǎn),,提出了一種將傳統(tǒng)滑模頻率偏移法和電壓正反饋機(jī)制相結(jié)合的孤島檢測(cè)策略,。分析了改進(jìn)方法的工作原理,基于dq變換實(shí)現(xiàn)了有功電壓,、無(wú)功電壓以及有功電流,、無(wú)功電流的分離,通過(guò)與參考量做差作為反饋量,,達(dá)到破壞功率平衡從而檢測(cè)出孤島的目的,。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性,對(duì)工程應(yīng)用有一定的參考價(jià)值,。
中圖分類(lèi)號(hào): TM615
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2015)03-0058-0
The application of an improved islanding detection strategy in photovoltaic grid connected power system
Li Fei,,Shu Xinmei,He Jianping,,Miao Miao
College of Electrical and Information,,Xihua University,Chengdu 610039,,China
Abstract: In modern power system, the application and development of photovoltaic grid connected power system(PV) may be limited by islanding effect to a certain degree,so islanding detection is a necessary function of photovoltaic system.The traditional method of slip-mode frequency shift(SMS) has shortcomings of low detection efficiency,poor power quality and so on,therefore a islanding detection strategy is presented in this paper which is combined with traditional SMS and voltage positive feedback mechanism.The working principle of the improved method is analyzed,and the separation of the active voltage,reactive voltage,and active current,reactive current can be realized by using dq transformation.The difference value with reference can be a feedback to destroy the balance of power,then the islanding can be detected rapidly.The simulation and experimental results verify the feasibility and effectiveness of the method,and it also has certain reference value for engineering application.
Key words : photovoltaic grid connected power system; islanding effect; islanding detection; slip-mode frequency shift; dq transform; feedback mechanism

 

0 引言

  光伏并網(wǎng)技術(shù)得以發(fā)展遭遇的最大挑戰(zhàn)之一是所謂的“孤島效應(yīng)”,,即當(dāng)光伏并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)斷路器跳脫之后的規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有停止輸出功率,而是繼續(xù)為本地負(fù)載供電,。文獻(xiàn)[1]分析了孤島效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理,,其產(chǎn)生的必要條件是:逆變器輸出有功功率、無(wú)功功率和負(fù)載的有功功率,、無(wú)功功率相匹配,。

  “孤島”產(chǎn)生后如果光伏并網(wǎng)逆變器繼續(xù)工作,不僅可能會(huì)使相連的設(shè)備由于失步合閘受到破壞,,還可能威脅在“孤島”期間維護(hù)電網(wǎng)工人的生命安全,。為了避免這些嚴(yán)重后果,光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)需要滿足一系列要求以確保供電的安全性和可靠性,,并網(wǎng)發(fā)電裝置必須具備孤島保護(hù)的功能,,保證能夠及時(shí)檢測(cè)到孤島效應(yīng)并與電網(wǎng)切離,。

  目前常見(jiàn)的孤島檢測(cè)方法主要分為被動(dòng)式檢測(cè)法和主動(dòng)式檢測(cè)法,前者通過(guò)檢測(cè)公共點(diǎn)電壓幅值,、相位或頻率,、功率、諧波等參數(shù)變化判斷孤島發(fā)生,,檢測(cè)形式基本固定,,主要有過(guò)欠壓/過(guò)欠頻檢測(cè)法(Over/Under Voltage and Over/Under Frequency method,OUV/OUF),、相位突變檢測(cè),、電壓諧波檢測(cè)等;后者通過(guò)有意的給系統(tǒng)注入擾動(dòng)信號(hào)破壞功率平衡,,使處于孤島狀態(tài)下的PCC(Point of Common Coupling)點(diǎn)電壓參數(shù)(幅值,、頻率或諧波含量等)超出正常范圍,來(lái)確定電網(wǎng)的存在與否以達(dá)到檢測(cè)出孤島的目的,,主要有阻抗測(cè)量法,、有源頻率偏移法、正反饋有源頻率偏移法,、滑模頻率偏移法(Slip-Mode Frequency Shift,SMS),、Sandia電壓偏移法等。由于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法存在一定的缺點(diǎn),,文獻(xiàn)[2]研究了基于無(wú)功電流和頻率反饋的方法,;文獻(xiàn)[3]研究了帶電壓頻率正反饋的主動(dòng)頻移法;文獻(xiàn)[4]研究了一種復(fù)合式孤島檢測(cè)方法,;文獻(xiàn)[5]研究了基于正切的滑模頻移法,,本文受上述文章的的啟發(fā)提出了一種改進(jìn)的滑模頻移法。

1 原理分析


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  研究孤島檢測(cè)方法的目的是為了尋找一種能在任何性質(zhì)負(fù)載下檢測(cè)出孤島狀態(tài)的技術(shù),,如圖1所示在具體的反孤島測(cè)試中,,通常用當(dāng)并聯(lián)諧振負(fù)載代表局部負(fù)載,,從而模擬一種最嚴(yán)重的孤島狀況,。本文基于該測(cè)試電路研究了電壓正反饋和滑模頻率偏移法相結(jié)合的反孤島策略并搭建了模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證和結(jié)果分析,下文分別進(jìn)行原理闡述,。

  1.1 滑模頻率偏移法

  定義逆變器的相位為一個(gè)以頻率為變量的函數(shù),,使逆變器的相位比單位功率因數(shù)的負(fù)載相位在電網(wǎng)頻率附近增加更快。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),,逆變器輸出頻率為50 Hz,,輸出電流電壓相位差為零,如果電網(wǎng)跳閘公共點(diǎn)電壓的頻率發(fā)生畸變,,逆變器輸出電流跟隨給定的電壓相位按SMS曲線偏移,,只有在圖中A,、B兩點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)才會(huì)到達(dá)新的平衡。在到達(dá)A或B點(diǎn)之前的過(guò)程中,,由于負(fù)載相角與頻率成正比,,系統(tǒng)輸出電流為了保持與電壓的相角差需要不斷增大頻率,直至頻率偏移到觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作,。

  滑模頻率偏移法屬于主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法[6],,它是一種較早的移相式檢測(cè)法,實(shí)質(zhì)是通過(guò)移相達(dá)到移頻,,對(duì)相位施加擾動(dòng)使逆變器輸出電壓頻率在短時(shí)間內(nèi)變得不穩(wěn)定,,從而判別孤島發(fā)生與否。原理示意如圖2所示,,將輸出電流的參考電壓的相位平移一個(gè)角度?茲SMS,,逆變器給定電流的起始時(shí)刻為公共電壓過(guò)零點(diǎn)上升沿,未加入算法前逆變器輸出電流與公共點(diǎn)電壓同頻同相,,加入SMS算法后,,電流頻率不變但相位發(fā)生變化,大小由移相角決定,。應(yīng)用SMS進(jìn)行孤島檢測(cè)時(shí),,對(duì)并網(wǎng)逆變器輸出電流引入相位偏移,電流i0和移相角?茲SMS分別如式(1)和式(2)所示,。

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  式中,,f為公共點(diǎn)電壓頻率,fg為電網(wǎng)頻率,,?茲m為最大相位角,,fm為最大相位?茲m出現(xiàn)時(shí)的最大頻率。

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  1.2 基于dq變換的正反饋

  由負(fù)載特性:

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  可知系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí),,逆變器輸出與負(fù)載的有功功率不匹配程度將決定負(fù)載端電壓的變化,,逆變器輸出與負(fù)載的無(wú)功功率將決定頻率變化的大小。利用正反饋原理增加逆變器輸出功率和負(fù)載需求頻率的不匹配程度,,迅速超出所設(shè)定的電壓或頻率的閾值,,避免進(jìn)入非檢測(cè)區(qū)(None Detection Zone,NDZ),,使孤島檢測(cè)更有效,。將a-b坐標(biāo)系中的各參數(shù)變換到d-q軸后,有功功率和d軸成比例,,無(wú)功功率和q軸成比例,。電流或電壓等矢量都是d軸和q軸的合成量,其中任意一個(gè)軸的值改變不僅能引起矢量幅值的變化,兩軸之間的角度也會(huì)改變,,從而角度又促使頻率發(fā)生變化[7],。

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  運(yùn)行機(jī)制如圖3所示,令逆變器輸出三相電流和電壓分別通過(guò)abc-dq0變換器,,當(dāng)逆變器輸出端d軸電壓增加時(shí),,反饋促使逆變器輸出d軸參考電流增大,從而使有功功率增大帶動(dòng)電壓增大,,d軸電壓再次升高,。依次循環(huán),電壓增大到超過(guò)所設(shè)定的閾值斷開(kāi)逆變器,,孤島被檢測(cè)出來(lái),。

  1.3 SMS算法與電壓正反饋相結(jié)合的反孤島策略

  本文利用電壓正反饋與滑模頻率偏移法相結(jié)合的策略:電壓反饋模塊通過(guò)dq變換實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓和電壓的分離以及有功電流和無(wú)功電流的分離;通過(guò)與電流參考量做差值后進(jìn)入dq0-abc轉(zhuǎn)換器作為反饋量,;再利用過(guò)欠壓,、過(guò)欠頻檢測(cè)來(lái)判斷孤島是否發(fā)生。如果沒(méi)有進(jìn)入SMS檢測(cè)模塊,,計(jì)算負(fù)載相位角與滑模頻率偏移角的相位偏差SMS+∠G(jw),,孤島發(fā)生時(shí)微小的偏移量會(huì)導(dǎo)致電壓頻率的不斷地增大或減小,與額定頻率的偏差會(huì)越來(lái)越大直至超出所設(shè)置的閾值[8],。本文設(shè)計(jì)的孤島檢測(cè)結(jié)構(gòu)如圖4所示,。

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2 基于MATLAB的建模及仿真分析

  通過(guò)模塊MATLAB/Simulink和power system blockset建立仿真模型對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)搭建基于三相逆變器的孤島檢測(cè)模型[9]。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能通過(guò)逆變器整流,,使輸出電壓,、頻率、相角符合并網(wǎng)要求,,由于逆變器為電流控制模式,,再經(jīng)過(guò)濾波后輸出給負(fù)載和電網(wǎng)。鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電流對(duì)公共點(diǎn)電壓的同頻同相控制,,檢測(cè)電壓的過(guò)零上升沿獲得電壓的頻率和相位,。公共點(diǎn)三相電壓和電流分別通過(guò)SMS算法和電壓反饋?zhàn)酉到y(tǒng)產(chǎn)生逆變器控制信號(hào)。直流電源模擬為光伏電池,,三相可編程電壓源模擬為電網(wǎng),,三相并聯(lián)RLC作為本地負(fù)載,初始時(shí)刻發(fā)電系統(tǒng)處于并網(wǎng)狀態(tài),,三相開(kāi)關(guān)閉合,,0.1 s時(shí)三相開(kāi)關(guān)斷開(kāi),,發(fā)電系統(tǒng)處于孤島狀態(tài),,通過(guò)示波器監(jiān)視電網(wǎng)斷開(kāi)前后逆變器及公共點(diǎn)電壓、電流、頻率以及孤島檢測(cè)信號(hào)的變化,。具體的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示,。

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3 仿真結(jié)果分析

  圖5、圖6分別給出了傳統(tǒng)SMS檢測(cè)算法和本文檢測(cè)策略下的逆變器電流,、公共點(diǎn)電壓,、頻率及孤島檢測(cè)信號(hào)。當(dāng)電網(wǎng)0.1 s斷開(kāi)后,,失去了電網(wǎng)的鉗制作用,,產(chǎn)生的微小偏差通過(guò)算法和正反饋?zhàn)饔檬构颤c(diǎn)頻率迅速減小,直到欠頻保護(hù)逆變器斷開(kāi),,孤島效應(yīng)被高效的檢測(cè)出來(lái),。分別對(duì)比圖(a)和圖(b),傳統(tǒng)SMS算法下到0.32 s經(jīng)過(guò)約0.22 s,,頻率超出下限49.5 Hz,,孤島效應(yīng)檢測(cè)出來(lái),而本文檢測(cè)策略下僅用了約0.128 s,,可見(jiàn)大大提高了檢測(cè)效率,。并且對(duì)比斷網(wǎng)后的電流和電壓波形,本文策略下的畸變很小,,一定程度上提高了發(fā)電質(zhì)量,,降低電網(wǎng)的諧波污染。由于加入了電壓反饋機(jī)制使有功電流增加,,增大了逆變器與本地負(fù)載的不匹配程度,,更有利于孤島檢測(cè),能夠有效減小孤島非檢測(cè)區(qū),。

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4 結(jié)論

  本文研究了傳統(tǒng)滑模頻率偏移法和電壓反饋相結(jié)合的針對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)檢測(cè)策略,,對(duì)各模塊的基本原理進(jìn)行了扼要分析,通過(guò)搭建的仿真模型對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,。結(jié)果表明,,本文所提出的檢測(cè)方法相比于傳統(tǒng)的SMS算法能夠快速有效地檢測(cè)出孤島,產(chǎn)生的諧波污染,、對(duì)電能質(zhì)量的影響以及檢測(cè)盲區(qū)都較小,,符合IEEEstd.2000-929/UL1741的孤島檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),有檢測(cè)快速,、諧波小,、對(duì)電能質(zhì)量影響小的優(yōu)點(diǎn)。另外,,對(duì)于多臺(tái)逆變器同步運(yùn)行下的孤島檢測(cè)方法以及檢測(cè)盲區(qū)的定量分析將會(huì)做進(jìn)一步的研究,。

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