一种光伏并网逆变器孤岛检测新方法.pdf

第４１卷第２２期２０１３年１１月ｌ６日电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＶｏ１．４１Ｎｏ．２２ＮＯＶ．１６．２Ｏ１３一种光伏并网逆变器孤岛检测新方法殷志锋，张元敏，张振波，罗书克（１．许昌学院电气信息工程学院，河南许昌４６１０００；２．中海石油深圳分公司，广东深圳５１８０６７）摘要：当电网出现故障时，在孤岛检测时，常用的无源检测方法和有源检测方法中的有源频率偏移、滑模频率偏移和输出功率扰动法都存在检测盲区。针对这几种方法在孤岛检测时的缺陷，提出了一种主动式孤岛检测新方法，通过脉动负载改变逆变器并网负荷大小，检测逆变器输出电压、频率等来判断孤岛的发生。通过理论分析了该方法具有检测速度快，对电网无影响，无检测盲区。该方法对多台并网运行的光伏逆变器也同样适用。并通过仿真测试和实际产品试验验证了该方法的有效性。关键词：光伏逆变；并网；孤岛检测；无源；主动—Ａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｆｏｒｉｓｌａｎｄｉｎｇｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｉｎｖｅｒｔｅｒ—ＹＩＮＺｈｉ．ｆｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＹｕａｎ．ｍｉｎ，ＺＨＡＮＧＺｈｅｎ．ｂｏ，ＬＵＯＳｈｕｋｅ（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｕｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｕｃｈａｎｇ４６１０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＣＮＯＯＣＬｔｄ．一Ｓｈｅｎｚｈｅｎ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ５１８０６７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅｎｔｈｅｇｒｉｄｆａｉｌｓ，ｔｗｏｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｕｓｅｄｆｏｒｔｈｅｉｓｌａｎｄｉｎｇｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｏｎｅｉＳｔｈｅｐａｓｓｉｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｏｔｈｅｒｏｎｅｉｓｔｈｅａｃｔｉｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅａｃｔｉｖｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｒｉｆｔ，ｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｈｉＲａｎｄｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｍｅｔｈｏｄ，ｂｕｔｔｈｅｙａｌｌｈａｖｅｎｏｎ－ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｚｏｎｅ．Ｆｏｒｔｈｅｄｅｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｓｅｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄａｎｅｗａｃｔｉｖｅｉｓｌａｎｄｉｎｇｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｉｔｉｄｅｎｔｉｆｉｅｓｔｈｅｉｓｌａｎｄｓｔｈｒｏｕｇｈｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｒｏｕｔｐｕｔｌｏａｄｗｉｔｈｐｕｌｓａｔｉｎｇｌｏａｄ，ａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｎｇｉｎｖｅｒｔｅｒｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｆａｓｔａｎｄｈａｓｎｏｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｇｒｉｄ，—ａｎｄｔｈｅｒｅａｒｅｎｏｔｂｌｉｎｄｓｐｏｔｓ．ＴｈｉｓｍｅｔｈｏｄａｌｓｏａｐｐｌｉｅｓｔｏｍｕｌｔｉｐｌｅｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄＰＶｉｎｖｅｒｔｅｒｓ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｙｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄ．—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＶｇｒｉｄｉｎｖｅｒｔｅｒｓ；ｇｒｉｄｃｏｎｎｅｄｔｅｄ；ｉｓｌａｎｄｉｎｇｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｐａｓｓｉｖｅ；ａｃｔｉｖｅ中图分类号：ＴＭ６１５文献标识码：Ａ——文章编号：１６７４３４１５（２０１３）２２－０１１７０５０引言近年来，分布式发电得到了快速发展，越来越多的光伏发电、风力发电等通过并网逆变器被并入电网。由于分布式发电的功率一般都比较小，要求并网逆变器都具备孤岛检测功能。孤岛检测功能是指当电网由于各种原因造成电网终止供电情况下，并网逆变器能够快速检测到这一现象，断开并网逆变器的输出。否则会造成分布式发电和本地局部负载形成公共供电系统，这种情况严重威胁到电网维修人员的人身安全，影响配电系统的继电保护动作程序ｌｌ１。因此，在分布式发电广泛应用的今天，孤岛效应检测的准确性直接决定了供电系统的可靠性。目前，对孤岛的检测方法通常有两大类：无源基金项目：河南省科技攻关（重点）项目（１１２１０２２１０３３９）检测方法和有源检测方法［２１。本文首先对两种检测手段进行比较分析，在此基础上提出了无源主动式孤岛检测新方法，并从理论推导和仿真两方面验证了该方法对电网系统的电能质量影响小，无检测盲区，检测速度快等优点。１无源检测方法无源检测方法结构如图１所示，Ｋ２为逆变器内部输出并网开关，Ｋ１的闭合与断开代表了电网是否断电，本地负载为逆变器外部的局部负载。由文献［１］可知，当逆变器并网工作时，如果逆变器输出的有功功率不是全部落在本地负载上，此时输向电网远部负载的有功功率不为零，也就是逆变器输出通过Ｋ１的有功功率不为零。当孤岛发生时，逆变器输出有功功率与本地负载上消耗的有功功率就会失去平衡，结果会引起逆变器输出电压的改变。如果逆变器输出的有功功率全部落在本地负电力系统保护与控制载上，此时输向电网远部负载的有功功率为零。当孤岛发生时，逆变器输出有功功率与本地负载上消耗的有功功率仍然保持平衡，结果不会引起逆变器输出电压的改变。在这种情况下，该孤岛检测方法就失去了检测意义。因此无源检测方法与本地负载有很大关系，对孤岛的检测存在盲区Ｊ。无论是无源检测方法中的过电压／欠电压、高频／低频检测，相位突跳检测和电压谐波检测等都存在检测盲区，不能可靠地保护孤岛效应【４】。电网图１无源检测方法示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｐａｓｓｉｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ２有源检测方法—从文献［５７］可知，常见的有源检测方法包括有源频率偏移（ＡｃｔｉｖｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｒｉｆｔ，ＡＦＤ）、滑模频率偏移（ＳｌｉｐＭｏｄｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｈｉｆｔ，ＳＭＳ）和输出功率扰动三种。ＡＦＤ方法通过周期性的向ＰＶ系统输出电流引入一个微小的频率偏移量来实现对孤岛的检测，该方法对ＲＬＣ负载存在检测盲区；ＳＭＳ通过加入相角偏移来检测孤岛的发生，该方法对于并联谐振型ＲＬＣ负载也存在检测盲区。同时这两种方法都是在光伏逆变器输出中加入的干扰项，而干扰项的加入会降低光伏逆变器输出电能的质量，同时这两种有源检测方法中也存在检测盲区。输出功率扰动方法原理为控ＮＰＶ系统周期性地输出有功功率或无功功率扰动，当电网断开后，该扰动会使系统电压或频率明显变化超出预设阈值，从而检测出孤岛的发生。该检测方法要求多台ＰＶ系统同步扰动，而同步扰动功能需要ＰＶ系统之间进行通信才能实现。若无法保证同步扰动，则该方法很可能会失效。同时该方法对于单台并网逆变器在孤岛检测中无法应用。３无源主动式孤岛检测方法无源主动式孤岛检测方法结合了上述无源检测和有源检测的优点提出来的，该检测方法不需在电路中另外施加检测信号源（施加高频、谐波等于扰信号的孤岛检测为有源检测），且一直处于积极主动检测状态，对整个系统运行无影响。其结构和能量流动图如图２所示。图２无源主动式检测结构和能量图Ｆｉｇ．２Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｅｎｅｒｇｙｄｉａｇｒａｍｏｆｐａｓｓｉｖｅａｃｔｉｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ图２中符号含义如下：Ｐ、Ｑ为逆变器输出总有功功率和总无功功率；Ｐ】、Ｑ为孤岛检测负载加入时消耗的有功功率和无功功率；尸２、Ｑｚ为本地负载消耗的有功功率和无功功率；Ｐ、Ｑ为逆变器送入电网的有功功率和无功功率；为电网电压；为逆变器输出端电压。图中，Ｋ３为模拟电网是否断电开关，相当于Ｋ３闭合，电网带电；Ｋ３断开，电网断电。在正常工作情况下，逆变器输出开关Ｋ２、Ｋ３闭合，而开关Ｋ１处于脉动的闭合与断开状态。开关Ｋ１为检测孤岛效应的关键之处。３．１电网正常工作时电网正常工作时，相当于开关Ｋ２、Ｋ３闭合，Ｋ１脉动式闭合，此时，ｕｉ＝，逆变器输出频率等于电网频率Ｊ。假设电网角频率为，则有ＲＲ，Ｑ１＝（１一￣ｏｇＣ，）Ｖｇ‘一—Ｑ：：（１一）（２）一ｓ‘’２＋一ＪＤ（３）Ｒ１Ｒ，１一）＋（壶一ｃｏ￣ｃ２）Ｕｇ４）３．２电网停止工作时电网停止工作时，相当于开关Ｋ３断开，此时，逆变器流向电网的有功功率和无功功率均为零（即乡喊～季／肼Ⅷ淼一母殷志锋，等一种光伏并网逆变器孤岛检测新方法－１１９－Ｐ３＝０、Ｑ３：０）。但在Ｋ３断开前后，逆变器输出的有功功率、无功功率不变，假设此时逆变器输出电压角频率为，则有Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ２Ｑ＝ＱＩ＋Ｑ２（５）由式（２）和式（５）得＋＝ＰＲ取仿真参数为电网电压２２０ｖ／５０Ｈｚ；逆变器额定输出功率５００Ｗ；逆变器输出电流峰值３Ａ【。为了验证本文提出方法的正确性，分三种情况来验证。孤岛检测中最坏情况为逆变器输出功率和负载功率相等。因此，设置参数为‘壶一）＋一￣ｃ２）ｕｉＱＬＬ１根据逆变器输出有功功率平衡并从式（３）和式（６）可以推得Ｄｒ，＝ｌ一二旦（８）尸根据逆变器输出无功功率平衡并从式（４）和式（７）可以推得Ｑ３一ＣＯｇＰＱ（９）ｒ垡－１）±一Ｉ－堕一１从式（８）和式（９）可知，当孤岛发生时，逆变器输出的电压幅值和电压频率与逆变器输出的有功功率和无功功率有关。并且如果逆变器输出有功功率全部被本地负载消耗掉，也就是尸３＝０时，当发生孤岛效应时，逆变器输出电压幅值和频率不会发生变化，但是由于有功功率的非连续性，使不会一直为零。≠≠３．３尸Ｐ２或Ｐ尸１＋尸２时当逆变器输出功率与本地负载消耗功率不等时，此时，根据式（８）和式（９）可知，在这种情况下发生孤岛时，逆变器输出的电压幅值和频率会发生改变，随着各量积累，电压幅值和频率将超出规定范围而被检测出。３．４Ｐ＝Ｐ２或Ｐ＝Ｐ１＋尸２时当逆变器输出功率与本地负载消耗功率相等时，此时，根据式（８）和式（９）可知：如果Ｐ＝Ｐ２，当Ｋｌ闭合时，Ｐ＜Ｐ１＋Ｐ２，则会出现电压幅值下降，频率升高；如果Ｐ：Ｐ１２，当Ｋ１断开时，Ｐ＞Ｐ２，则会出现电压幅值上升，频率降低。因此通过脉动开关Ｋ１的动作，弥补无源孤岛检测方法的检测盲区。４仿真及实验结果分析４．１仿真结果（Ａ）１＝ｏ。，Ｌ１＝。。，Ｃ１０ｇＦ，Ｒ２１１１Ｑ，Ｌ２７．６５＝５６；（Ｂ）Ｒ１＝３０Ｑ，Ｌ１＝２．２ｍＨ，Ｃ１１０ｇＦ，Ｒ２１１１Ｑ，Ｌ２＝１０ｍＨ，Ｃ２＝４７ｇＦ；（Ｃ）Ｒ］＝４０Ｑ，Ｌ１＝３ｍＨ，Ｃ１３２，Ｒ２７０Ｑ，Ｌ２＝１２ｍＨ，Ｃ２＝３０。电网在０．０６ｓ模拟断电，测得波形如图３～图７所示。；器０２００一—４００４００３Ｏ０２００１０００—１００—２００－３００—４００图３Ａ叶青况时电压波形图Ｆｉｇ．３ＶｏｌｔａｇｅｗａｖｅｆｏｒｍｓｉｎｃａｓｅＡ图４Ｂ情况时电压波形全图Ｆｉｇ．４ＦｕｌｌｖｏｌｔａｇｅｗａｖｅｆｏｒｍｓｉｎｃａｓｅＢ图５Ｂ情况时电压波形局部图Ｆｉｇ．５ＰａｒｔｏｆｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｗａｖｅｆｏｒｍｓｉｎｃａｓｅＢｆ／ｓ图６ｃ情况时电压波形全图Ｆｉｇ．６ＦｕｌｌｖｏｌｔａｇｅｗａｖｅｆｏｒｍｓｉｎｃａｓｅＣ殷志锋，等一种光伏并网逆变器孤岛检测新方法［８］［９］‘—ＹＡＮＧＨａｉｚｈｕ，ＪＩＮＸｉｎ－ｒａｉｎ．Ａｎｔｉｉｓｌａｎｄｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｏｆ—ｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｉｎｖｅｒｔｅｒｂａｓｅｄｏｎｐｏｓｉｔｉｖｅｆｅｅｄｂａｃｋｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｒｉｆｔ［Ｊ］．ＡｃｔａＥｎｅｒｇｉａｅＳｏｌａｒｉｓＳｉｎｉｃａ，２００５，２６（３）：４０９－４１２．李冬辉，王鹤雄，朱晓丹，等．光伏并网发电系统几个关键问题的研究［Ｊ］＿电力系统保护与控制，２０１０，—３８（２１）：２０８２１３．———ＬＩＤｏｎｇｈｕｉ，ＷＡＮＧＨｅｘｉｏｎｇ，ＺＨＵＸｉａｏｄａｎ，ｅｔａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｅｖｅｒａｌｃｒｉｔｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ—ｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙ￣ｅｍ—ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１０，３８（２１）：２０８２１３．张超．光伏并网发电系统ＭＰＰＴ及孤岛检测新技术的研究［Ｄ］．杭州：浙江大学，２００６．ＺＨＡＮＧＣｈａｏ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＭＰＰＴａｎｄａｎｔｉ．ｉｓｌａｎｄｉｎｇｏｆ—ｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｄ］．Ｈａｎｇｚｈｏｕ：ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００６．［１０］郑诗程，丁明，苏建徽，等．光伏发电系统及其孤岛效应的仿真与实验研究［Ｊ］．系统仿真学报，２００５，１７（１２）：３０５．３０８．—ＺＨＥＮＧＳｈｉ－ｃｈｅｎｇ，ＤＩＮＧＭｉｎｇ，ＳＵＪｉａｎｈｕｉ，ｅｔａ１．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｔｓｉｓｌａｎｄｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｙｓｔｅｍＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２００５，１７（１２）：３０５－３０８．［１１］ＩＥＥＥｓｔａｎｄａｒｄｆｏｒｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｒｅｓｏｕｒｃｅｓｗｉｔｈｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓ［Ｓ］．收稿日期：作者简介：殷志锋电子技术及张元敏应用。—２０１３－０３１６；—修回日期：２０１３－０４１９（１９７５一），男，硕士，副教授，研究方向为电力数字信号处理；Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｉｎｚｆ４２４＠１６３．ｃｏｍ（１９６３一），男，教授，研究方向为电力电子技术