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第42卷第15期2014年8月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVb1.42NO.15Aug.I,2014一种新的主动孤岛检测法张瑞叶,张少如,王平军,王朋强(1.河北师范大学物理科学与信息工程学院,河北石家庄0500242.天津工业大学电气工程与自动化学院,天津300387)摘要:孤岛的发生不仅会导致电力系统设备损坏,严重时还会出现威胁电力系统维修人员的生命安全等一系列问题。因此,光伏并网发电系统必须具备孤岛检测功能,以保证电网的安全运行。传统的AFD(ActiveFrequencyDrift)检测方法在不同的负载下,检测效果不同,对纯阻性负载检测效果比较好。尽管科研工作者提出了基于反馈调节、周期性扰动的AFD法,可以减少THD,但同时减慢了检测速度鉴于此,提出了一种基于新型的扰动方式的孤岛检测方案,比传统的AFD检测方法谐波低,盲区小,检测速度更快,具有很高的实用价值。Matlab/Simulink仿真以及实验结果表明,该方法比传统的AFD检测方法更具有优势关键词:并网光伏发电系统;孤岛;主动法;扰动;谐波Anewactiveislanddetectionmethodbasedonanoveldisturbanceway———ZHANGRuiye,ZHANGShaoru,WANGPing ̄un,WANGPengqiang(1.CollegeofPhysicsScienceandInformationEngineering,HebeiNormalUniversity,Shijiazhuang050024,China;2.CollegeofElectricalEngineeringandAutomation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)Abstract:Thehappeningoftheislandwillbringpeoplenotonlyaserioussecuritythreat,butalsoaseriesofproblems,likeleadingtoadamageofsystemequipment.Therefore,photovoltaicgridpowersystemmustbeequippedwiththeislandingdetectionfunction’’toensurethesafetyofthepowergrid.ThetraditionalAFDdetectingeffectsisdifferentunderdifferentloads,anditSgoodfortheimpedanceload.AlthoughtheimprovedAFDbasedon ̄edbackadjustmentorperiodicdisturbanceproposedbyformerresearcherscanreducetheTHD,thedetectingspeedsloweddownatthesametime.Inviewofthis,thispaperproposesanewactiveislanddetectionmethodbasedonanovelperturbationway,ithasthelowerTHD,thesmallerblindareaandthemorefasterdetectingspeedcomparedwiththetraditionalAFD,SOithasahighpracticalvalue.Matlab/SimulinksimulationandtheexperimentresultsshowthatthenewmethodiSbeRerthanthetraditionalAFD.—Keywords:gridconnectedphotovoltaicpowergenerationsystem;islanding;activemethod;disturbance;harmonic中图分类号:TM615文献标识码:A—文章编号:1674.3415(2014)150074060引言并网光伏发电固然可以缓解用电压力,但是孤岛效应带来的危害不容忽视l】]。我国国家标准要求,并网光伏发电系统实际运行时,至少采用主动孤岛检测法和被动孤岛检测法各一种[6]。被动检测法的盲区大,主动检测法通过干扰的方式可以有效减小盲区,但同时也带来了较大的谐波,降低了电能质量。为了降低谐波畸变率(TotalHarmonic基金项目:河北省自然科学基金(E2013205173);河北省教育厅基金项目(2009141);河北师范大学博士基金项目(L2008B04);硕士研究生科研基金项目(2O1202007)Distortion,THD),国内外研究者提出了改进型AFD(ActiveFrequencyDrift)法川,这些方法虽然在一定程度上减少了谐波,但是却以检测速度为代价。本文提出的方案不仅比传统AFD检测方案谐波低,降低了对电能质量的影响,而且检测速度快,还可以进一步缩小检测盲区。1传统AFD检测原理对于并网光伏发电系统有i(t)=lmsin(03t+(1)式中:i(t)为逆变器输出电流;1为输出电流的幅值;为输出电流的角频率;为输出电流的初始张瑞叶,等一种新的主动孤岛检测法一75.相位。传统的AFD检测法【7】通过注入谐波电流来改变输出电流的频率,使电流频率产生固定的偏移,电流波形如图1所示。当系统正常运行时,由于公用电网的钳制作用,电流频率的偏移不会使系统电压产生偏移,逆变器输出电流处于与电网电压同步工作的状态;孤岛时,公用电网停电,不再对系统起钳制作用,逆变器输出电流不再与电网电压同步工作,电流频率的偏移促使电压频率产生偏移,当频率超出阈值范围时,则触发孤岛保护。如图1所示为AFD法电流波形,图1上图为初始参考电流波形,,为注入谐波电流波形;图1下图为注‘入谐波电流i后的电流D与初始参考电流f的波形对比。时间决定了扰动深度的大小。为AFD电流的周期,为参考电流的周期。—4r---,ii『,A/2‘f/2/2图1AFD法电流波形Fig.1WaveformofAFD则斩波率为寺由式(2)可知,越大,就越大,导致谐波随之增加。AFD法的参考电流波形为,sin(2尢厂})O,sin(2兀厂})0其中,厂(高)。传统的AFD孤岛检测法原理简单,易于实现控制,比被动检测法盲区小,可靠性更高,比外部孤岛检测法造价低,对于纯阻性负载检测效果好,但是AFD法带来的谐波较大,如果减少扰动深度,谐波也随之降低,但是检测速度降低了,并且增加了检测盲区。2新主动法原理新主动法采用了与传统的AFD法不同的扰动方式,其电流波形如图2所示。图2上图为初始参考电流与注入谐波电流;的电流波形,图2下图为注入谐波电流;后的电流与初始参考电流的波形对比。为新主动法参考电流与初始参考电流的相位差。为新主动法电流的周期,为初始参考电流的周期。l|、/\、//k\、、‘_1__/,/,—、,一—/a------一-.厂f/2一、/3、22/譬州∥/2—f图2新主动法电流波形Fig.2Waveformoftheproposedmethod在新主动法下,参考电流波形为越大,扰动强度0gOt71;一f71;一tz刎兀(3)—÷—7cgOt2丁cf--->2兀一fgOt2zcIsin(aX+、一k/0/sin(cot-I-、0—÷0rot7c一2a—÷丁c一2got/I;--(4)≤丁c一COt2re一—27c一Eat2冗其中,为新主动法参考电流与初始参考电流的相位差,且6g=arcsink,k为扰动深度。电流波形如图2所示。该方法通过移相的办法来移频,不但改变了电流的频率,而且电流波形没有发生畸变,每半周都是正弦波形,由于电流幅值的变化对谐波的影响很小,那么该方法的谐波可近似计算:’,,v~THD=竺.100%=兰.100%(5).76一电力系统保护与控制当k=0.075时,即=O.0238,低谐波法的THD=2.4%,其注入电网的无功计算如下。将式(4)展开为傅里叶级数:∑F(t)=ao+(cosncot+b.sinn ̄)(6)n=l:一堡)(7)bl:I(1一、(8)兀所以,由式(7)、式(8)可得——垒:rck-2k2.100%(9)———————————…一一_一t,^…P——71;2k当k=0.075时,新主动法注入电网的无功为:7.5%(10)P由文献[7]可知,对于AFD法有THD:垒(11)那么,当两种方法注入电网的无功均为7.5%时,新主动法注入电网的THD为2.4%,而AFD法注入电网的THD为7.5%,新主动法比AFD法谐波降低68%之多;当两种方法的谐波均为2.4%时,新主动法注入电网的无功为7.5%,AFD注入电网的无功为2.4%,所以新主动法的检测盲区比AFD法小。3仿真结果及实验结果3.1仿真结果本文对220V单相、小容量供电系统,用Matlab/Simulink进行了仿真实验,根据中国电能质量标准,电压偏差的限制为标称电压的+7%、一10%,容量较小时,频率的偏差为±0.5Hz,并在2S内检测出来,注入电网电流的总谐波畸变率不超过5%。测得系统的有功为4.585kW,无功为47vA,R=10.55Q,品质因数取2,谐振频率为50.2Hz。由于AFD孤岛检测法的检测盲区随着系统品质因数的增加而增大,故本文在仿真时将电路的品质因数调成2,谐振频率为50.2Hz。仿真时间均设为3S,公用电网在0.7S断开。为了验证该方法谐波低、检测速度快的优点,本文将该方法与传统的AFD法进行了对比。当=0.0255时,传统的AFD和新主动法注入电流波形的仿真结果分别如图3、图4所示。∥图3传统AFD仿真电流波形Fig.3SimulationresultoftraditionalAFDcurrentwaveformt/s图4新主动法仿真电流波形Fig.4Simulationresultoftheproposedmethodcurrentwaveform(a)当C=O.0255,孤岛检测结果和谐波分析分别如图5~图8所示。传统的AFD孤岛后2.24S才检测出孤岛,检测时间超出了规定时间2S,检测失败。而新主动法在孤岛后60ms内检测出孤岛,可见本文提出的新主动法相对于传统AFD检测法盲区更小。传统的AFD若要成功检测孤岛,必须增大斩波率,那么THD也随之增大。00051015202530tfs图5AFD法检测结果Fig.5DetectionresultofAFDmethodlOO50O5Oloo15O’’:‘—・一孤岛000510152,02530t}s图6新主动法检测结果Fig.6Detectionresultoftheproposedmethod∞∞如0如张瑞叶,等一种新的主动孤岛检测法.77.Fundamental(50Hz)2919,THD=3O4%7Cf=0.0255时,AFD法的THDTHDofAFDmethodwhenCf=0.0255Fundamental(50Hz)一2804,THD一263%图8Cf=0.0255时,新主动法的THDFig.8THDoftheproposedmethodwhencf=0.0255对PCC点电流进行FFT(快速傅里叶)分析,当C,=0.0255时,两种孤岛检测方法的THD分别如图7、图8所示,传统AFD检测法的THD为3.04%,而新主动法的THD为2.62%,在相同的条件下,THD降低了13.8%。(b)当=0.0286时,孤岛检测结果和谐波分析分别如图9~图12所示。由图9、图10可以看出,当Cf=0.0286时,传统的AFD检测法在孤岛后,1.19S内将孤岛检测出来;新主动法在孤岛后,60ms就检测出孤岛。由图11、图12可知,AFD法谐波增至3.36%,而新主动法的THD仅为2.91%,低于传统AFD法。由此可见,新主动法与传统的AFD法相比,不仅检测速度快,而且谐波也低。≤8乏0.0051.0152.02530∥s图9AFD法检测结果Fig.9DetectionresultofAFDmethodlOO500—5Olool5O罄澄孵捧擘:I●:I一y.--孤离0005l01.5202530∥s图10新主动法检测结果10DetectionresultoftheproposedmethodFundamental(50Hz)29.13,THD:3.35%图11=0.08时,AFD法的THDFig.11THDofAFDwhen=0.08Fundamental(50Hz)2785,THD一2.93%flHz图12=0.08时,新主动法的THDFig.12THDoftheproposedmethodwhen0.083.2实验结果本文用太阳能电池板模拟器模拟直流源,设定功率为1.5kW,直流电压360V,测得输出无功约为0.27kW。用电网模拟器作为电网。负载为RLC并联可调负载。在孤岛检测之前现将系统调至谐振状态,谐振后电流约为原来的1%左右,孤岛后电流变为0。示波器测量的是逆变器与电网之间公共点,孤岛后,电网断开,电网与逆变器之间的电流为0,但是由于逆变器仍正常运行,此时电压不为0,孤岛检测成功即逆变器停止后,示波器中电压也变为0,那么电流变为0至电压变为0之间的时间段即为孤岛检测时间。当两种方法产生的谐波均为5%时,其检测结果如图13和图14所示。图13为AFD法的检测结寸^/8^Il甚。目wPuj皇。一紫苫一墨口ogwpujJ0一张瑞叶,等一种新的主动孤岛检测法.79..—ofChinaElectrotechnicalSociety,2011,26(14):l12119.[7]MASSOUDAM,AHMEDKH.Harmonicdistortion-basedislanddetectiontechniqueforinverter-baseddistributedgeneration[J].1ETRenewablePower—Generation,2009,3(4):493507.[8]杨滔,王鹿军,张冲,等.基于无功电流一频率正反馈的孤岛检测方法[J].电力系统自动化,2012,36(14):193.200.YANGTao,WANGLU-jun,ZHANGChong,eta1.Anovelislandingdetectionmethodbasedonpositivefeedbackbetweenreactivecurrentandfrequency[J].AutomationofElectricPowerSystems,2012,36(14):—193200.[9]廖政伟,廖晖,吕征宇.带正反馈的有源频率偏移孤岛检测及盲区讨论[J].电力电子技术,2011,45(10):27.28.—LIAOZheng-wei,LIAOHui,LiiZhengyu.Analysisoftheactivefrequencydriftmethodwithpositivefeedbackofislandingprevention[J].PowerElectronics,2011,45(10):27-28.[1O]王武,蔡逢煌,郑必伟.正反馈有源频率扰动孤岛检测的一种改进算法【J】_电力电子技术,2012,46(2):4547.—WANGWu,CAIFenghuang,ZHENGBi-wei.Animprovedactivefrequencydriftwithpositive ̄edbackmethodforislandingdetection[J].PowerElectronics,—2012,46(2):4547.[儿]任碧莹,钟彦儒,孙向东,等.基于周期交替电流扰动的孤岛检测方法[J].电力系统自动化,2008,32(19):—8184.—RENBi-ying,ZHONGYan一121,SUNXiangdong,eta1.Islandingdetectionmethodbasedonthealternatecurrentdisturbances[J].AutomationofElectricPowerSystems,2008,32(19):81-84.[12]马静,米超,王增平.基于谐波畸变率正反馈的孤岛检测新方法[J].电力系统自动化,2012,36(1):47.51.MAJing,MIChao,WANGZeng-ping.Anovelislandingdetectionmethodbasedonpositive ̄edbackofvoltageharmonicdistortion[J].AutomationofElectricPowerSys ̄ms,2012,36(1):47-51.[13]YAFAOUIA,WUBin.Improveda ̄ivefrequencydriftanti-islandingdeW.ionmethodforgridconnectedphotovoltaicsystems[J].IEEETransonPower—Electronics,2012,27(5):23672375.收稿日期:2013-1O-05;修回日期:2014-05-27作者简介:张瑞叶(1988-),女,硕士研究生,研究方向为电力—电子与电力传动;Email:ruiyezhang@126.com张少如(1971-),女,通信作者,博士,副教授,硕士生导师,研究方向为电力电子与电力传动;王平军(1966-),男,本科,实验师,研究方向为新能源。
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