1、2009年4月電工技術(shù)學(xué)報(bào)Vol.24 No. 4 第24卷第4期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Apr. 2009 一種低畸變的主動(dòng)移頻式孤島檢測算法鄧燕妮1,2桂衛(wèi)華2(1. 武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院武漢 430070 2. 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院長沙 410083摘要孤島檢測是光伏系統(tǒng)并網(wǎng)必備的功能,要求既能快速檢測出孤島狀態(tài),同時(shí)又盡量減少對電網(wǎng)的不良影響。該文對主動(dòng)移頻式孤島檢測方法進(jìn)行研究,分析了并網(wǎng)逆變器的輸出電流總畸變率與孤島檢測算法間的關(guān)系,針對現(xiàn)有算法畸變率略高的情況提出了一種改進(jìn)方案,新方案實(shí)現(xiàn)簡單,能有效降

2、低主動(dòng)式孤島檢測對電能質(zhì)量的不良影響,同時(shí)達(dá)到孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)的要求。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的有效性。關(guān)鍵詞:主動(dòng)移頻孤島檢測并網(wǎng)光伏系統(tǒng)分布式發(fā)電中圖分類號(hào):TM92An Improved Active Frequency-Drift Method for Islanding DetectionWith Low Harmonics DistortionDeng Yanni1,2 Gui Weihua2(1. Wuhan University of Technology Wuhan 430070 China2. Central South University Changsha 410083 Ch

3、inaAbstract Anti-islanding protection is a mandatory feature for grid-connected inverters. A desired islanding detection method not only can detect islanding within acceptable duration, but also have less adverse impact on power quality. This paper analyzes the total harmonics distortion(THDof grid-

4、connected inverter. The connection of output current THD and anti-islanding algorithm is discussed. Based on it, an improved active frequency-drift method is introduced, which can meet the requirement of anti-islanding standard and has less distortion on inverter current. Simulation and experiments

5、are developed to validate the proposal.Keywords:Active frequency drift, islanding detection, grid-connected PV system, distributed generate electricity1引言孤島檢測是光伏(PV系統(tǒng)(及其他分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)必須解決的技術(shù)問題,在電網(wǎng)突然停止供電后,光伏發(fā)電裝置能及時(shí)檢測出電網(wǎng)的失電狀態(tài)并停止向失壓的電網(wǎng)供電。在光伏電源的孤島檢測中,單純的被動(dòng)式檢測方法容易漏檢,因此常采用主動(dòng)與被動(dòng)相結(jié)合的方法,一方面主動(dòng)對逆變器輸出施加擾動(dòng);另一方面,隨時(shí)檢

6、測公共點(diǎn)的電壓、頻率和諧波等的變化,從而判斷電網(wǎng)的存在情況。能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)及時(shí)檢測出孤島狀態(tài),同時(shí)又能盡量減少對電網(wǎng)的不良影響,這是對并網(wǎng)光伏系統(tǒng)孤島檢測技術(shù)的基本要求。主動(dòng)移頻(Active Frequency Drift, AFD1-5是一種較好的主動(dòng)式檢測方法,它對孤島檢出率高,又無需添加任何硬件,因此人們對它產(chǎn)生了濃厚的興趣,并進(jìn)行了多方面研究4-7。這些研究針對截?cái)嘞禂?shù)為固定值或帶線性正反饋的主動(dòng)移頻方法,在孤島檢測的盲區(qū)4-6、算法參數(shù)設(shè)置3和算法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)8-9等方面進(jìn)行了討論,但現(xiàn)有算法對電網(wǎng)的不良影響方法討論不多,更沒有從如何減少算法引起的電流畸變方面進(jìn)行研究,而算法中電流給

7、定非正弦引入的電流畸變,對電能質(zhì)量產(chǎn)生不良影響是阻國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(60634020。收稿日期 2008-03-09 改稿日期 2009-02-04220電 工 技 術(shù) 學(xué) 報(bào) 2009年4月礙主動(dòng)式孤島檢測方法被廣泛使用的重要因素。本文提出一種新的主動(dòng)移頻式孤島檢測算法,繼承了傳統(tǒng)主動(dòng)移頻式孤島檢測方法的一切優(yōu)點(diǎn),同時(shí)能顯著減少算法引入的電流畸變率,文章對該方法減少電流畸變的原因給出了理論分析,并通過仿真及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。2 孤島檢測對逆變器輸出電流電能質(zhì)量的影響 主動(dòng)移頻式孤島檢測方法的基本思想11-12是:控制PV 并網(wǎng)逆變器輸出電流的給定頻率,使電流頻率比公共連接點(diǎn)電壓的頻

8、率略高(或略低。當(dāng)電網(wǎng)供電正常時(shí),公共點(diǎn)頻率受電網(wǎng)頻率的鉗制不發(fā)生變化,一旦電網(wǎng)失壓,公共點(diǎn)頻率將受電流給定頻率的影響發(fā)生偏移,最終達(dá)到頻率保護(hù)設(shè)定值而封鎖逆變器,實(shí)現(xiàn)孤島保護(hù)。在系統(tǒng)控制中光伏逆變器輸出電流給定信號(hào)是這樣確定的:檢測公共點(diǎn)電壓的頻率,在此基礎(chǔ)上添加偏移量作為電流的給定頻率。電流給定信號(hào)按半波給出,起點(diǎn)為公共點(diǎn)電壓的過零時(shí)刻,如圖1所示。若電流半波已完成而電壓未到過零點(diǎn),則強(qiáng)制電流給定為零,直到電壓過零觸發(fā)到來,電流才開始下一個(gè)半波4。 圖1 PV 系統(tǒng)的電流給定信號(hào) Fig.1 Reference current of PV system在主動(dòng)移頻算法中,定義“截?cái)嘁蜃觕f

9、”表征電流頻率給定偏移的比例,即/2z tcf T = (1常用的主動(dòng)移頻算法(AFD 中,截?cái)嘁蜃尤」潭ㄖ?如取cf =0.02。為減少孤島檢測的盲區(qū),有人提出了帶正反饋的主動(dòng)移頻算法(AFDPF ,即將截?cái)嘁蜃尤?cf cf k f =+ (2 式中,cf 0為固定值;f 為公共點(diǎn)頻率對電網(wǎng)額定頻率的偏差;k 為反饋系數(shù)。由圖1可知,由于cf 0,電流給定不是標(biāo)準(zhǔn)正弦波,因此會(huì)使逆變器輸出電流有畸變,對電網(wǎng)有污染。3 算法參數(shù)與電流畸變的關(guān)系將電流波形的坐標(biāo)軸作調(diào)整,按圖2建立坐標(biāo)軸使電流給定波形奇對稱,則它在0,T /2內(nèi)的函數(shù)關(guān)系可表示如下:10*sin(2(0f t t i t =0

10、00020,22Tt t t T T t t t t <<<<<<(3 式中,T 為公共點(diǎn)電壓的周期;對應(yīng)的頻率用f 1表示,為電流給定半正弦波的頻率。圖2 電流給定波形Fig.2 Waveform of reference currentAFD 算法產(chǎn)生的截?cái)嘞禂?shù)/2zt cf T =與公共點(diǎn)電壓頻率f 、以及電流給定頻率f 1間的關(guān)系為044t cf ft T= (4 10141ff T t cf= (5將其展開成傅里葉正弦級(jí)數(shù),則傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)為0000210021021010110112sin2(sin d/2/242cos2(sin d2=cos

11、2(2cos2(2d sin(2(222(sin(2(T k T t tT t tk x b f t t t T T k x f tt t T T f t t k ft Tf t t k ft t f kf t f t T f kf f kf t =+=×+00102122(2sin 1sin 22sin 1sin 22t Tt f t f kf k k k cf cf T k k k cf cf=×+第24卷第4期鄧燕妮等一種低畸變的主動(dòng)移頻式孤島檢測算法 221根據(jù)上面傅里葉級(jí)數(shù)展開式的系數(shù)解析式,可求得不同截?cái)嘞禂?shù)下AFD電流給定信號(hào)的各次諧波的幅值,由此計(jì)算電流總畸

12、變率如下表所示。表AFD算法及其對應(yīng)的THDTab. THD under different cf for AFD method cf 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 THD 0.01 0.0203 0.0307 0.0413 0.0518可見THD的大小受AFD的截?cái)嘞禂?shù)cf大小的影響,截?cái)嘞禂?shù)越大,則AFD算法引入的總畸變率越大。4新算法的提出對于孤島檢測算法,首先是要保證檢測指標(biāo)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)7的要求,即逆變器帶品質(zhì)因數(shù)為2.5的并聯(lián)諧振負(fù)載時(shí),在逆變器輸出功率與負(fù)載功率完全一致的情況下,能在2s內(nèi)成功檢測出孤島。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)盡量減少逆變器輸出電流的THD,即盡量減小并

13、網(wǎng)時(shí)孤島檢測算法的截?cái)嘞禂?shù)cf。對于截?cái)嘞禂?shù)cf固定的AFD算法,電流THD的大小與頻率無關(guān),具體的對應(yīng)關(guān)系見上表。對截?cái)嘞禂?shù)不固定的AFDPF算法,并網(wǎng)時(shí)電流THD與公共點(diǎn)的檢測頻率以及電網(wǎng)額定頻率的偏差有關(guān),為盡量減小THD值,可取cf k f=(6式中,f為公共點(diǎn)頻率對電網(wǎng)額定頻率的偏差;k為反饋系數(shù)。在美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室提出的SFS算法中,取cf=0.1f。在電網(wǎng)正常時(shí),由于檢測誤差以及電網(wǎng)頻率本身的波動(dòng),會(huì)使f0。f越大,孤島檢測算法產(chǎn)生的cf值越大,導(dǎo)致波形畸變越大。如果并網(wǎng)時(shí)電網(wǎng)頻率波動(dòng)f=0.1Hz,則cf=0.1×0.1=0.01,按上表,并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)逆變器輸

14、出電流THD將增加1%。為盡量減少并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)孤島算法產(chǎn)生的截?cái)嘞禂?shù)cf值,本文提出按下面算法進(jìn)行孤島檢測3cf k f=(7這樣,在頻率偏差f較小時(shí),孤島檢測算法產(chǎn)生的截?cái)嘞禂?shù)被大大降低,減小了并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)孤島檢測算法帶來的電流波形畸變,同時(shí)由于頻率偏差被正反饋引入電流給定,保持了主動(dòng)移頻算法的正反饋特性,在電網(wǎng)失壓時(shí)正反饋的效應(yīng)仍然會(huì)使頻率推離正常范圍,檢測出孤島。GB/T159451995電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差中規(guī)定:電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為±0.2Hz。從全國各大電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行看,基本保持在不大于±0.1Hz范圍內(nèi),觀察實(shí)驗(yàn)室電網(wǎng)頻率波動(dòng)情況,大部分情況下電

15、網(wǎng)頻率在(50±0.05Hz內(nèi)?？紤]電網(wǎng)頻率波動(dòng)f=0.1Hz的情況:傳統(tǒng)算法cf=0.1f與新算法cf=10f 3產(chǎn)生的截?cái)嘞禂?shù)cf相等,都為0.01,按上表其理論上都會(huì)使電流THD增加1%。如果并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)頻率波動(dòng)小于0.1Hz,新算法cf=10f 3比傳統(tǒng)算法cf=0.1f產(chǎn)生的截?cái)嗾`差小,引起的THD增量也小。在f=0.05Hz 時(shí),傳統(tǒng)算法對應(yīng)著cf=0.005,THD0.5%,而新算法對應(yīng)著cf=0.001 25,THD0.125%。下面將通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明新算法在提供相同孤島檢測能力的情況下,電網(wǎng)頻率穩(wěn)定時(shí)比傳統(tǒng)算法產(chǎn)生的THD增量小。5仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文針對3kW戶用光

16、伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測用Matlab/Simulink進(jìn)行了仿真,逆變器采用恒電流控制模式,逆變器輸出的電能通過LC濾波送給負(fù)載和電網(wǎng)。負(fù)載采用與逆變器輸出功率相平衡的RLC并聯(lián)負(fù)載(品質(zhì)因數(shù)Q f=2.5,電網(wǎng)在0.3s時(shí)與光伏系統(tǒng)連接線斷開,孤島檢測算法必須在其后的2s內(nèi)檢測出孤島,確認(rèn)孤島后封鎖逆變器。圖3、圖4為主動(dòng)移頻算法采用線性正反饋cf=k·f時(shí)的仿真情況。圖3為公共點(diǎn)頻率和逆變器輸出電流的波形,由圖3a可見在開始的0.3s中電網(wǎng)與光伏逆變器相連,檢測到的電網(wǎng)頻率約50.05Hz。圖4為在此電網(wǎng)情況下逆變器輸出電流及對應(yīng)的THD值,由圖可看出計(jì)至20次諧波的逆變器輸出電流

17、THD值為1.44%。在0.3s時(shí)電網(wǎng)斷開,公共點(diǎn)頻率在孤島檢測算法的作用下被迅速推離正常范圍,系統(tǒng)檢測出孤島并將逆變器關(guān)閉,檢測過程耗時(shí)0.12s。圖3b為與此過程對應(yīng)的逆變器輸出電流波形。 (a222電 工 技 術(shù) 學(xué) 報(bào) 2009年4月 (b 圖3 移頻算法為cf =0.1×f 時(shí)孤島檢測的仿真 Fig.3 Simulation of islanding detection when thefrequency drift method is cf =0.1×f 圖4 移頻算法為=0.1f 時(shí)并網(wǎng)工作的電流THD Fig.4 Grid-connected work cu

18、rrent THD when thefrequency drift method is =0.1f圖5和圖6為孤島檢測采用新算法cf =k f 3時(shí)的仿真情況:電網(wǎng)情況及斷網(wǎng)時(shí)刻與上同,由圖5a 可見,斷網(wǎng)后頻率被更快地推至正常范圍以外,孤島狀態(tài)能被迅速檢測,檢測耗時(shí)0.1s ,比傳統(tǒng)算法快一個(gè)電壓周期,而該算法下并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)逆變器輸出電流的THD 值為1.15%(如圖6所示,比相同電網(wǎng)情況下傳統(tǒng)算法產(chǎn)生的THD (如圖4所示小。 (a (b 圖5 移頻算法為cf =10f 3時(shí)孤島檢測的仿真 Fig.5 Simulation of islanding detection when thefre

19、quency drift method is cf =10f 3圖6 移頻算法為=10f 3時(shí)并網(wǎng)工作的電流THD Fig.6 Grid-connected work current THD when frequencydrift method is =10f 3圖7為實(shí)驗(yàn)室中用3kW 逆變器通過變壓器與電網(wǎng)并聯(lián)、帶RLC 諧振負(fù)載時(shí)的孤島檢測實(shí)驗(yàn)波形,其中逆變器輸出功率與負(fù)載功率消耗相同。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果知,新算法能滿足孤島檢測要求,在斷網(wǎng)后僅過兩個(gè)周期(40ms 就將孤島狀態(tài)檢出。(a 逆變器輸出電壓,并網(wǎng)時(shí)為220V(RMS第24卷第4期鄧燕妮等一種低畸變的主動(dòng)移頻式孤島檢測算法 223 (b

20、逆變器輸出頻率,并網(wǎng)時(shí)為50Hz圖7 采用cf=10f 3時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Experiment waveform when cf=10f 36結(jié)論本文對主動(dòng)移頻式孤島檢測算法引起的電流畸變進(jìn)行了分析,立足減少孤島檢測算法對電能質(zhì)量的不良影響,提出了一種低畸變率的主動(dòng)移頻式孤島檢測算法,該算法實(shí)現(xiàn)簡單,能滿足孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)的要求,適合在實(shí)際生產(chǎn)中推廣使用。參考文獻(xiàn)1 Kobayashi H, Takigawa K. Statistical evaluation ofoptimum islanding preventing method for utility interactive sma

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