多机光伏并网逆变器并联运行的孤岛检测方法研究

多机光伏并网逆变器并联运行的孤岛检测方法研究
刘扬;陈永强;杨骏华
【摘要】针对传统带正反馈的主动移频(Active Frequency Drift Positive Feedback,AFDPF)方法的不足,提出了改进型正反馈主动频率偏移孤岛检测方法,分析了改进型AFDPF孤岛检测方法的基本原理和孤岛检测盲区(Non-Detection Zone,NDZ).通过Matlab/Simulink仿真软件建立了两台光伏并网逆变器并联的仿真模型,在单台逆变器和两台逆变器运行情况下分别对传统AFDPF和改进型AFDPF孤岛检测方法进行了仿真研究.仿真结果表明,改进型AFDPF孤岛检测方法在单台和两台逆变器运行情况下均能够准确检测出孤岛,且满足IEEE std.929-2000标准.%Island detection technology is one of the key technologies of photovoltaic grid connected power generation system.Aiming at the shortage of the traditional AFDPF method,an improved active frequency drift positive feedback (AFDPF) detection method is proposed,and the basic principle and the non-detection zone (NDZ) of the improved AFDPF method are analyzed.The simulation modeI of two PV grid connected inverter is established by the Matlab/Simulink simulation software,and the simulation research of the traditional AFDPF and the improved AFDPF island detection method is carried out in the single inverter and the two inverter operation.The simulation results show that the improved AFDPF island detection method can accurately detect the isolated island under single stage and two inverters operation conditions,and meet the standard of IEEE std.929-2000.
【期刊名称】《可再生能源》
【年(卷),期】2016(034)006
【总页数】6页(P809-814)
【关键词】主动频率偏移;孤岛检测;并网逆变器;检测盲区;逆变器并联
【作者】刘扬;陈永强;杨骏华
【作者单位】西华大学电气与电子信息学院,四川成都 610039;西华大学电气与电子信息学院,四川成都 610039;西华大学电气与电子信息学院,四川成都 610039【正文语种】中文
【中图分类】TM76
可再生能源发电是解决能源危机和环境污染问题的有力手段[1]。

太阳能发电是可
再生能源发电系统的重要组成部分。

随着太阳能并网技术的快速发展，截至2014年底，全球光伏发电的装机容量已经达到28.1 GW[2]。

大量的光伏并网发电系统接入传统电力系统将会对电力系统安全运行提出新的技术挑战，其中孤岛检测为光伏并网发电系统的关键技术之一。

孤岛现象通常是指当电力系统处于故障期间，分布式光伏发电系统仍然向所接入的负载进行供电，因此形成了电力公司无法控制的局部系统，孤岛期间线路仍然带电，将会对电力检修人员造成人身伤害，因此研究孤岛检测技术具有重要意义[3]。

针
对这一问题，IEEE std.929-2000 规定了孤岛检测时间标准[4]，如表1所示。

孤岛检测方式主要分为被动检测和主动检测方法。

被动检测方法主要根据高/低电
压和过/欠频率保护检测孤岛，被动孤岛检测方法简单，然而检测盲区较大，通常
不予单独采用[5]，[6]。

主动孤岛检测方法包括多种形式，主要通过向并网电流参
考值中注入幅值、频率或者相位等扰动量[7]～[9]，在并网运行期间其扰动量近似为0，而在故障期间扰动量将会被放大，进而检测出孤岛。

主动孤岛检测方法常常和被动孤岛检测方法配合使用达到更好的效果。

为了有效的检测出孤岛，文献[10]提出了新型正反馈主动频率检测方法，对参数进行了优化。

文献[11]提出了基于分段函数施加扰动的AFDPF孤岛检测方法，该方
法能够减小输出电流总谐波畸变率，提高输出电能质量。

文献[12]提出了带电压频率正反馈的AFD孤岛检测方法，能够减小盲区、电流总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion，THD）以及加快检测速度。

文献[13]研究了正反馈主动频率孤岛检测方法，给出了孤岛检测方法流程图，并且进行了仿真验证。

除此之外，文献[14]给出了多机并联光伏发电系统AFD设计方法。

针对孤岛检测问题，本文提出了一种改进型AFDPF孤岛检测方法。

首先对AFD
和传统AFDPF孤岛检测方法的基本原理进行了分析，其次，分析了改进型的AFDPF孤岛检测方法的工作原理和检测盲区。

为了验证提出控制策略的可行性和
有效性，通过Matlab/Simulink仿真软件搭建了两台光伏并网逆变器的仿真模型，在单台并网运行和两台并联运行情况下分别对传统方法和改进型AFDPF孤岛检测方法进行了仿真研究。

光伏并网发电系统示意图如图1所示。

图中：P和Q为光伏输出有功和无功功率，Pload和Qload为负载有功和无功功率。

由图1可得：
由式（1），（2）可以看出，当逆变器输出功率和负载吸收功率不匹配时，有功
和无功功率变化量较大将会引起PCC电压幅值和频率发生较大偏移，此时可以通
过被动检测方式检测出孤岛。

当逆变器输出功率和负载吸收功率相等或者接近时，PCC电压幅值和频率发生较大偏移基本不变，此时被动孤岛检测方法失效，因此
需要采用主动孤岛检测方法。

主动频率偏移孤岛检测方法的基本原理是逆变器输出电流参考值的频率，且偏移量固定，如图2所示。

图中：Upcc为PCC电压；Iinv为逆变器输出电流。

由图2可以看出，当输出电流达到过零点时，在零点位置持续保持时间长度为tz。

当采用AFD孤岛检测方法时，其逆变器的输出电流参考值为
式中：θAFD为输出电流偏移角度；Im为参考电流幅值；ω为参考电流基波角频率。

输出电流偏移角度为
式中：cf为截断系数。

根据系统运行原理，在正常并网状态时，PCC电压频率由大电网进行支撑，不发
生变化。

当电网侧发生故障时，断路器将会断开，此时PCC电压频率将会跟踪频
率扰动发生偏离，直到达到过/欠频率保护门限值，引起孤岛保护。

根据前文分析可知，当采用AFD孤岛检测算法时，其偏移量固定，容易进入检测
盲区。

为了加快孤岛检测速度，通常在固定偏移量中叠加频率的正反馈分量，带频率正反馈的主动移频孤岛检测方法的截断系数为
式中：cf0为初始截断系数；k为正反馈系数；fa为PCC电压实际频率；fg为额
定频率。

由式（5）可知，在并网运行期间，电网频率和PCC电压频率相同，因此正反馈
项可以近似为零，不会对输出电流参考值的频率造成影响。

而在孤岛运行期间，PCC电压频率将会发生变化，通过正反馈调节使其变化不断增加，进而能够检测
出孤岛。

根据传统带频率正反馈的主动移频孤岛检测方法的基本原理，其截断系数扰动具有单向特性，当负载呈现容性时，式（5）第二项数值为负，将会与第一项相互抵消，
使其延缓孤岛检测速度，容易进入检测盲区，进而导致孤岛检测方法失效。

为了解决传统AFDPF孤岛检测方法出现的问题，本文提出了一种改进型AFDPF孤岛检
测方法。

本文提出的改进型AFDPF孤岛检测方法的截断系数为
式中：sign为符号函数。

由式（6）可以看出，本文提出的方法在传统AFDPF孤岛检测方法的基础上进行
了改进，加入了符号函数可以实时判断PCC电压频率扰动方向。

当负载为阻性时，PCC电压和逆变器输出电流同频同相，此时fa-fg=0；当逆变器为呈现感性负载时，fa-fg>0，电压相位超前于电流相位，此时初始截断系数和正反馈系数均大于零，两者叠加导致频率不断上升，实现正反馈；当逆变器为呈现容性负载时，fa-
fg<0，电压相位滞后于电流相位，此时初始截断系数和正反馈系数均小于零，两
者叠加导致频率不断减小，加快孤岛检测。

除此之外，将式（5）中正反馈系数与频率变化量平方值进行乘积有利于减小电流THD，提高输出电流电能质量。

根据文献[9]得知，传统AFD孤岛检测盲区为
式中：Qf0为RLC负载品质因数，Cnom为标准化电容。

由式（6），（7）得到改进型 AFDPF 的孤岛检测盲区为
根据式（8），设置cf0=0.02，能够得到k变化时改进型AFDPF孤岛检测方法的检测盲区，如图3所示。

为了验证本文所研究控制算法的有效性，通过Matlab/Simulink仿真软件搭建了
光伏并网逆变器的仿真模型，其系统结构如图4所示。

假设两台光伏并网逆变器的参数一致，如表2所示。

首先对单台并网逆变器进行仿真研究，设置负载电阻为15.5 Ω，负载电感为19.7 mH，负载电容为50.134 mF，谐振频率为50 Hz，品质因数为2.5。

采用传统AFDPF和改进型AFDPF的仿真结果如图5，6所示。

在初始条件下，电网电压正常，此时逆变器输出电流和PCC电压同频同相，频率
为50 Hz。

在0.1 s时，电网侧出现短路故障引起断路器跳闸，此时处于孤岛运行，从图5可以看出，PCC电压频率在49.5 Hz以上进行小幅震荡，并没有达到频率
门限值。

从图6可以看出，在断路器断开之后，频率迅速降低，在0.2 s时频率达到49.5 Hz，此时检测出孤岛，孤岛检测时间满足IEEE std.929-2000国际标准，仿真结果验证了单台并网逆变器孤岛检测的可行性和有效性。

在微电网中，通常情况下存在多台光伏并网逆变器并联运行，而多台光伏并网逆变器直接并网将会相互影响，有可能使得孤岛检测方法失效。

为了验证本文提出的孤岛检测方式适用于多台并网逆变器并联运行情况，本文建立两台光伏并网逆变器并联运行仿真模型，采用传统AFDPF和改进型AFDPF的仿真结果如图7，8所示。

在并联运行期间，接入的RLC负载大小不变，负载需求功率由两台逆变器共同承担，且承担功率一致。

在初始条件下，电网电压正常，在0.1 s时，电网侧出现短路故障引起断路器跳闸，此时处于孤岛运行，从图7可以看出，在0.241 s时PCC电压频率达到49.5 Hz，检测出孤岛，然而其检测时间超过IEEE std.929-2000要求的时间标准，因此检测失效，并且电流的畸变率为3.50%。

从图8可以看出，在0.202 s处PCC电压频率达到49.5 Hz，在允许时间范围内能够准确检
测出孤岛，并且电流的畸变率明显下降为3.03%。

仿真结果验证了多台并网逆变
器孤岛检测的可行性和有效性。

针对传统AFDPF孤岛检测方法存在的问题，提出了改进型AFDPF孤岛检测方法，能够根据负载的不同，改变频率扰动方向，有效避免了容性负载容易进入检测盲区的问题。

除此之外，采用频率变化量的平方量与正反馈系数相乘，能够减小输出电流THD，提高系统输出电能质量。

对单台独立运行和两台逆变器并联运行分别进
行了仿真研究，仿真结果表明，本文提出的孤岛检测方法在单机和多机并联情况下
均能够在规定的时间范围内有效检测出孤岛，且对电流总谐波的畸变影响最小。

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