基于相位突变与电流扰动结合的并网孤岛检测

收稿日期:2009 07 01作者简介:刘传洋(1982 )男,山东邹城人,硕士研究生,研究方向为小功率光伏发电变换器。

何礼高(1951 )男,高级工程师,硕士生导师,从事电源变换和交流调速的研究。

文章编号:1009 3664(2009)06 0006 04研制开发基于相位突变与电流扰动结合的并网孤岛检测刘传洋,何礼高(南京航空航天大学,江苏南京210016)摘要:孤岛检测是分布式发电并网研究的难点,特别是在逆变器输出与负载功率平衡时难以检测出孤岛。

针对常规孤岛检测方法存在检测盲区的缺陷,文中采用电压相位突变与主动电流扰动相结合的检测方法,该方法克服了采用单一的被动检测方法在近乎阻性负载下失效的问题,不存在检测盲区,可以实现快速有效的孤岛检测功能。

仿真验证了该方法的正确性。

关键词:孤岛检测;相位突变;电流扰动;并网中图分类号:T M 747文献标识码:AIslanding Detection Based on Phase Jump and t he Current A ctive PerturbationCombination of Photovoltaic Grid Connect ed SystemL IU Chuan y ang ,H E L i gao(Nanjing U niv ersity of A ero nautics and A stro nautics,N anjing 210016,China)Abstr act:It is difficult to det ect islanding in distr ibut ed g ener atio n research,especially w hen po wer balance bet ween the o ut put of inv erter and the load.T his paper designs an islanding detect ion method based o n phase jump and the cur rent act ive perturbatio n co mbination of photov oltaic gr id connected sy st em.T his method can o vercome the sho rtco ming that the phase jump detect ion method fails to wo rk under r esist ive lo ad,and it can achiev e fast and effectiv e islanding det ection.T he lo ad parameter s rang e of islanding no n detectio n zo ne is discussed.Simulatio n results show that the pro po sed model is prac t ical.Key wo rds:islanding detection;phase jump;cur rent distur bing ;g r id co nnected1 分布式发电中的孤岛效应及危害随着人们对电能需求量的增大以及对电能质量要求的提高,分布式发电在电力系统中所占的比例越来越大。

但是,分布式发电的并网运行会带来一些问题,其中最为严重的就是孤岛现象[1],即当电力公司的供电因故障事故或停电维修而跳脱时,各个用户端的并网发电系统和周围的负载形成的一个电力公司无法掌控的自给供电孤岛[2]。

IEEE 929-2000对孤岛问题提出了标准要求,分布式供电系统应尽力避免孤岛的出现,其理由集中在:(1)对电网负载或人身安全的危害,用户或线路维修人员不一定意识到分布式供电系统的存在;(2)供电质量,没有大电网的支持,分布式供电系统的供电质量难以符合各方面的需求,例如电压波动、频率波动以及谐波等技术指标;(3)电网恢复时分布式供电系统重新并网会遇到困难,非同期并网会引起大的电流冲击;(4)电力公司对电网的管理要求,由于孤岛状态意味着脱离了电力管理部门的监控而独立运行,是不可控和高隐患的操作。

因此,不管是从安全性还是可靠性方面考虑,分布式发电系统必须具有孤岛效应检测的功能[3]。

本文设计了一种基于相位突变检测法与主动电流扰动法相结合的孤岛检测系统,克服了传统孤岛检测方法中存在的检测盲区,实现了系统运行时的快速孤岛检测。

2 逆变器侧常用的孤岛检测方法在中小容量的分布式发电系统中,如光伏发电、风力发电等,通过逆变器并网运行是最为常见的方式。

逆变器并网运行结构图如图1,逆变器侧的孤岛检测方法可以分为被动式检测和主动式检测两类[7]。

依据检测原理的不同,每一类可分为若干具体的检测方法。

文献[5]和[6]详细介绍了主动和被动式孤岛检测方法。

被动式检测通过检测公共点处的电压是否出现异常可分为过电压/欠电压、过频/欠频孤岛检测法,相位突变检测法,电压谐波检测法;而主动检测方法通过加入干扰打破了孤岛运行下系统和负载之间的平衡,使公共节点电压超出阈值范围,从而检测出孤岛。

常见的主动检测方法有主动频率偏移法、滑模方式频率偏移法、带正反馈的主动频率偏移法和自动相位偏移法。

被动检测方法具有原理简单,容易实现,对电能质量无影响等优点。

但是,单独采用其中任一种孤岛检测方法时,会出现较大的检测盲区。

主动检测可以减小检2009年11月25日第26卷第6期扰动结合的并网孤岛检测No v.25,2009,V ol.26N o.6测盲区,但这些方法在逆变器输出和负载相角匹配时失效[4],并且给电网引入了谐波,影响功率因数。

图1 光发电系统并网运行结构图2.1 相位突变检测孤岛检测的基本关键点是电网的断电检测,具体的孤岛检测测试电路如图2,测试电路主要由电网、RLC负载、并网逆变器DG以及电网隔离开关S1、逆变器开关S2组成。

当S1闭合时,光伏发电系统并网发电,此时光伏发电系统向公共耦合点提供的功率为: P dg+j Q dg;负载得到的功率为P load+j Q load;则电网提供的功率P+j Q为:P=P load-P dg(1)Q=Q load-Q d g(2)图2 孤岛现象研究等效电路一般情况下,光伏发电系统以单位功率因数向电网发送有功功率,即Q dg=0、Q=Q load。

孤岛形成前瞬间,若P不等于0,则孤岛发生后,公共耦合点a处电压将发生变化。

因此,可利用过压/欠压检测功能检测a点电压幅值变化来检测孤岛。

但是,当光伏发电系统输出功率和负载功率相匹配,即P=Q=0时,即使电网断电,a点电压也不会发生很大的变化,因此无法检测到孤岛的发生。

当负载功率和光伏发电系统的有功功率相匹配时,RLC负载呈阻性R=100 、C= 12.7 F、L=0.8H,在0.48s时断开开关S1,a点电压和光伏系统输出电流仿真波形如图3(a)。

此时,可采用相位突变检测方法来检测孤岛的发生。

由上述图2所示,光伏发电系统并网工作时,其可视为一电流源,因此,公共耦合点a点电压取决于电网电压。

一旦电网断电,即孤岛发生,a点电压将取决于光伏发电系统输出电流和负载的乘积。

即:U a=I o Z(3)Z=|Z|(4)式中,|Z|=11R2+(1!L-!C),=arctan[R(1!L-!C)],可见并网电流与电网电压存在相位差。

若电网未断电,由于并网电流跟踪电网电压,则电压过零点处电流和电压的相位差为零。

若电网断电,孤岛发生,由于电流为频率相位不变的正弦波,若负载呈感性R=100 ,C=12.7 F,L=8H,则电压将超前于电流,由此导致电压相位突变,如图3(b)所示。

所以,通过检测电压和电流之间的相位差的大小,可以判断孤岛的发生。

同理,容性负载情况,R=100 , C=1.27 F,L=0.8H ,如图3(c)所示,该检测方法同样有效。

I o为逆变器输出电流,U a为耦合点电压。

相位突变检测算法简单、易于实现,属于被动检测方法,不会影响光伏系统输出的电能质量,也不会影响系统的暂态响应。

但是,当负载阻抗角接近零时,即负载近似呈阻性时,该方法失效[8]。

通过仿真可以看出电网断电后图3(b)、(c)并网电流和电网电压存在相位差,通过相位检测很容易检测到孤岛的发生。

但是,对于图3(a)来说,由于负载功率与光伏输出功率匹配且负载呈阻性时,并网电流与电网电压相位差近似为0,很难检测到孤岛的发生,因此相位检测孤岛发生失败。

此时,可以采用主动电流扰动法进行欠电压检测来解决这一问题。

2.2 主动电流扰动分析主动电流扰动法是一种主动式孤岛检测法。

对于电流源控制型的逆变器来说,每隔一定周期,减小光伏并网逆变器输出电流给定值,则改变其输出有功功率。

当逆变器并网运行时,其输出电压恒定为电网电压;当电网断电时,逆变器输出电压由负载决定。

一旦到达扰动时刻,输出电流幅值改变,则负载上电压随之变化,当电压达到欠电压范围,即可检测到孤岛发生。

主动电流干扰法孤岛检测系统如图4。

其中L 为滤波电感、Z 为本地负载等效阻抗、a 为公共耦合点、i L 为并网电流、i R 为参考电流、i I 为扰动电流、i G 为给定电流。

并网逆变器通常工作在电流控制模式,在不添加电流扰动的情况下,控制逆变器的输出电流跟踪参考电流。

i L =i G =i R (5)在并网运行时,并网电流是跟踪电网电压,为与电网电压同频同相的正弦波。

在不加扰动情况下的并网电流M ATLAB 仿真图如图5所示。

在添加电流扰动信号后,电流的给定值变成了参考电流i R 与扰动电流i I 的差值。

即i L =i G =i R -i I (6)在并网运行情况下,公共耦合点a 处电压为电网电压,如果逆变器输出功率与本地负载Z 消耗的功率相匹配或是相差不大,那么在不添加电流扰动的情况下电网断电时,a 处的电压几乎不发生变化或是变化不大,孤岛检测系统无法检测到发生孤岛。

然而,在添加了电流扰动的情况下,电网断电时,a 处的电压取决于并网电流i L 与本地负载Z 的乘积,即u a =i L Z =(i R -i I )Z =i R Z -i Z (7)a 处的电压在断网前基础上添加了一个电流扰动i I 与本地负载乘积的电压降i I Z ,使a 处的电压超出欠电压保护的范围,进而做出孤岛保护,即使是在逆变器与本地负载功率相匹配的情况下,发生孤岛也可以检测出来,不存在检测盲区。

然而,主动电流扰动是通过减小给定电流来实现公共耦合点欠电压保护的孤岛检测法,是一种有功检测,主动电流扰动法降低了逆变器的输出功率。

对于并网发电系统来说,减小输出功率是不利的。