基于谐波电压突变的无功功率扰动孤岛检测法

第２７卷㊀第３期
２０２３年３月
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电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Ｅｌｅｃｔｒｉｃ㊀Ｍａｃｈｉｎｅｓ㊀ａｎｄ㊀Ｃｏｎｔｒｏｌ
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Ｖｏｌ ２７Ｎｏ ３Ｍａｒ.２０２３
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基于谐波电压突变的无功功率扰动孤岛检测法
戴志辉ꎬ㊀何静远ꎬ㊀于礼瑞ꎬ㊀张艺宏ꎬ㊀吴桐ꎬ㊀赵謇
(华北电力大学河北省分布式储能与微网重点实验室ꎬ河北保定０７１００３)
摘㊀要:由于无法辨析并网点(ｐｏｉｎｔｏｆｃｏｍｍｏｎｃｏｕｐｌｉｎｇꎬＰＣＣ)电压跌落的本质原因ꎬ光伏电站低压穿越(ｌｏｗｖｏｌｔａｇｅｒｉｄｅｔｈｒｏｕｇｈꎬＬＶＲＴ)控制与现有的孤岛保护在同时满足动作条件时缺乏选择性ꎬ影响系统的安全稳定ꎮ为研究与光伏ＬＶＲＴ相互协调的孤岛检测方法ꎬ根据孤岛现象和电压暂态扰动现象发生时ＰＣＣ谐波电压的差异ꎬ提出一种基于光伏并网点谐波电压突变的无功功率扰动孤岛检测方法ꎮ该方法在检测到ＰＣＣ处的谐波电压突变后ꎬ经４０ｍｓ延时ꎬ对光伏逆变器输出的无功电流采用基于ＰＣＣ频率变化量函数进行扰动ꎬ使ＰＣＣ频率超出正常范围ꎬ实现孤岛检测功能ꎮ仿真结果表明:方法在保证与ＬＶＲＴ协调配合的前提下能在较短时间内完成对光伏电站孤岛状态的检测ꎻ此外在故障特征量较小的工况下方法依然可靠适用ꎬ消除了传统孤岛检测方法盲区的同时保证了孤岛检测的准确性ꎮ
关键词:光伏电站ꎻ低压穿越ꎻ孤岛检测ꎻ电压暂态扰动ꎻ谐波电压ꎻ无功功率扰动法ꎻ无功电流ＤＯＩ:１０.１５９３８/ｊ.ｅｍｃ.２０２３.０３.００２
中图分类号:ＴＭ７７１
文献标志码:Ａ
文章编号:１００７－４４９Ｘ(２０２３)０３－００１０－１１
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收稿日期:２０２２－０４－１６
基金项目:国家自然科学基金(５１８７７０８４)
作者简介:戴志辉(１９８０ )ꎬ男ꎬ博士ꎬ教授ꎬ研究方向为电力系统保护与控制ꎻ
何静远(１９９８ )ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为电力系统保护与控制ꎻ于礼瑞(１９９７ )ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为电力系统保护与控制ꎻ张艺宏(１９９８ )ꎬ女ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为电力系统保护与控制ꎻ吴㊀桐(２０００ )ꎬ男ꎬ博士研究生ꎬ研究方向为电力系统保护与控制ꎻ赵㊀謇(１９９８ )ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为电力系统保护与控制ꎮ
通信作者:戴志辉
Ｉｓｌａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｂａｓｅｄ
ｏｎｈａｒｍｏｎｉｃｖｏｌｔａｇｅｍｕｔａｔｉｏｎ
ＤＡＩＺｈｉ￣ｈｕｉꎬ㊀ＨＥＪｉｎｇ￣ｙｕａｎꎬ㊀ＹＵＬｉ￣ｒｕｉꎬ㊀ＺＨＡＮＧＹｉ￣ｈｏｎｇꎬ㊀ＷＵＴｏｎｇꎬ㊀ＺＨＡＯＪｉａｎ
(ＨｅｂｅｉＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅａｎｄＭｉｃｒｏｇｒｉｄꎬＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＢａｏｄｉｎｇ０７１００３ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｄｕｅｔｏｔｈｅｉｎａｂｉｌｉｔｙｔｏｉｄｅｎｔｉｆｙｔｈｅｅｓｓｅｎｔｉａｌｃａｕｓｅｓｏｆｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｄｒｏｐａｔｔｈｅｐｏｉｎｔｏｆｃｏｍｍｏｎｃｏｕｐｌｉｎｇ(ＰＣＣ)ꎬｉｔ ｓｎｏｔｓｕｒｅｈｏｗｔｏｃｈｏｏｓｅｔｈｅｌｏｗｖｏｌｔａｇｅｒｉｄｅｔｈｒｏｕｇｈ(ＬＶＲＴ)ｃｏｎｔｒｏｌｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａ￣ｉｃｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｓｏｒｔｈｅｉｓｌａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｗｈｅｎｓａｔｉｓｆｙｉｎｇｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅꎬｗｈｉｃｈａｆｆｅｃｔｓｓｙｓｔｅｍｓｅｃｕｒｉｔｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ.ＴｏｓｔｕｄｙｔｈｅｉｓｌａｎｄｉｎｇｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄｗｉｔｈｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＬＶＲＴꎬａｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｉｓｌａｎｄｉｎｇｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｈａｒｍｏｎｉｃｖｏｌｔａｇｅｍｕｔａｔｉｏｎ
ａｔｔｈｅＰＣＣｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｔｈｅｈａｒｍｏｎｉｃｖｏｌｔａｇｅａｔｔｈｅＰＣＣｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｈｅ￣ｎｏｍｅｎｏｎｏｆｉｓｌａｎｄｉｎｇａｎｄｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ.Ｉｎｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄꎬａｆｔｅｒａｄｅｌａｙｏｆ４０ｍｓꎬｔｈｅｒｅａｃｔｉｖｅｃｕｒｒｅｎｔｏｕｔｐｕｔｂｙｔｈｅｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｉｎｖｅｒｔｅｒｗａｓｐｅｒｔｕｒｂｅｄｂｙａｆｕｎｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＰＣＣｆｒｅｑｕｅｎ￣ｃｙｖａｒｉａｔｉｏｎｗｈｅｎｈａｒｍｏｎｉｃｖｏｌｔａｇｅｍｕｔａｔｉｏｎａｔｔｈｅＰＣＣｉｓｄｅｔｅｃｔｅｄꎬｓｏｔｈａｔｔｈｅＰＣＣｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｘｃｅｅｄｓｔｈｅｎｏｒｍａｌｒａｎｇｅａｎｄｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｉｓｌａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎ.Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｃａｎｄｅｔｅｃｔｔｈｅｉｓｌａｎｄｉｎｇｓｔａｔｅｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｓｉｎａｓｈｏｒｔｔｉｍｅｕｎｄｅｒｔｈｅｐｒｅｍｉｓｅｏｆｅｎｓｕｒｉｎｇｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａ￣
ｔｉｏｎｗｉｔｈＬＶＲＴ.Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎꎬｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｓｔｉｌｌｒｅｌｉａｂｌｅａｎｄａｐｐｌｉｃａｂｌｅｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｓｍａｌｌｆａｕｌｔｆｅａｔｕｒｅｑｕａｎｔｉｔｙꎬｗｈｉｃｈｅｌｉｍｉｎａｔｅｓｔｈｅｂｌｉｎｄａｒｅａｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｉｓｌａｎｄｉｎｇｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｅｎｓｕｒｅｓａｃ￣ｃｕｒａｃｙｏｆｉｓｌａｎｄｉｎｇｄｅｔｅｃｔｉｏｎ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｐｏｗｅｒｐｌａｎｔꎻｌｏｗｖｏｌｔａｇｅｒｉｄｅｔｈｒｏｕｇｈꎻｉｓｌａｎｄｉｎｇｄｅｔｅｃｔｉｏｎꎻｖｏｌｔａｇｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｄｉｓ￣ｔｕｒｂａｎｃｅꎻｈａｒｍｏｎｉｃｖｏｌｔａｇｅꎻｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｍｅｔｈｏｄꎻｒｅａｃｔｉｖｅｃｕｒｒｅｎｔ
０㊀引㊀言
根据国家能源局发布的光伏并网逆变器技术规
范ＮＢ/Ｔ３２００４－２０１８ꎬ孤岛效应是指电网失压时ꎬ
光伏系统保持对失压电网中的某一部分线路继续供
电的状态[１]ꎮ非计划孤岛一旦发生ꎬ孤岛中的电压和频率将不再受电网控制ꎬ进而可能导致电力线路
上的用户设备损坏ꎬ干扰电网的恢复过程ꎬ给检修人
员带来危险[２－３]ꎮ为避免光伏孤岛效应带来的不必要损失ꎬ我国于２０１２年颁布了光伏发电站接入电力系统技术规定ＧＢ/Ｔ１９９６４－２０１２ꎬ规定了光伏发电站根据需要应配置独立的防孤岛保护装置ꎬ且动作时间应不大于２ｓ[４]ꎮ
高效的孤岛检测方法是实现防孤岛保护可靠性
及速动性的重要保证ꎬ目前孤岛检测方法大致可分
为三类:被动法㊁主动法以及远程法ꎮ其中ꎬ被动法
通过检测电网断电时逆变器输出的端电压幅值㊁频
率㊁相位㊁谐波是否出现异常来判断是否产生孤岛ꎮ
主要包括过/欠压孤岛检测方法㊁过/欠频孤岛检测
方法㊁电压谐波检测法等[５－６]ꎮ主动法的核心思想是在逆变器被控电流的幅值㊁频率或相位上加入一个扰动ꎬ当逆变器正常并网运行时ꎬ由于大电网钳制作用ꎬ小的扰动不会使并网点处的电压幅值或频率造成明显影响ꎬ但孤岛发生时ꎬ这些扰动的作用就比较明显ꎬ可通过检测并网点处的电压幅值或频率来判断是否有孤岛发生[７－１０]ꎮ远程法主要有电力线载波通讯法和监控与数据采集方式等[１１]ꎮ
光伏电站控制系统应同时具有孤岛检测与ＬＶＲＴ功能ꎮ当处于ＬＶＲＴ控制时ꎬ光伏电站需要对并网点提供一定时间的电压支撑ꎬ此时传统检测手段无法满足快速准确识别孤岛的要求ꎬ且ＰＣＣ过低的电压还可能导致孤岛保护发生误动ꎮ目前考虑光伏电站ＬＶＲＴ能力的孤岛检测研究中ꎬ文献[１２]提出一种基于电压有效值的故障穿越和孤岛检测协调运行算法ꎬ但没有考虑光伏输出功率与本地负载功率平衡ꎬ即功率匹配情况下ꎬ被动式防孤岛保护存在的盲区ꎮ文献[１３]根据孤岛和电压暂态扰动情况下并网点阻抗的变化特征不同ꎬ实现了同一逆变器中孤岛和电压暂态扰动现象的同步检测ꎬ从而正确执行孤岛保护与故障穿越两种功能ꎮ该方法只适用于电网等效阻抗较小或远小于本地负载阻抗的情况下ꎬ具有一定的局限性ꎮ文献[１４]提出了一种适用于新能源并网发电系统低电压穿越运行与孤岛检测同步实施的功率扰动方法ꎬ但并未考虑功率扰动模块启动时间对孤岛检测带来的影响ꎬ同样存在一定的检测盲区ꎮ
针对上述问题ꎬ本文从传统孤岛检测方法存在的缺陷及其与光伏ＬＶＲＴ无法妥善协调的原因两方面入手进行深入分析ꎬ提出了基于光伏并网点谐波电压突变的无功功率扰动孤岛检测方法ꎮ该方法在检测到ＰＣＣ处谐波电压突变后ꎬ采用基于ＰＣＣ频率变化量函数进行扰动使ＰＣＣ频率超出正常范围ꎬ实现孤岛检测功能ꎮ
１㊀孤岛检测原理
１.１㊀谐波电压检测法基本原理
图１为典型光伏系统并网模型ꎬ其主要由光伏电站㊁本地负载和电网三部分组成ꎮ光伏电站由光伏阵列及逆变器组成ꎬ本地负载由ＲＬＣ并联负载等效ꎬ光伏电站及本地负载通过断路器ＣＢ在ＰＣＣ处与电网连接ꎬ其开关状态可以模拟光伏电站是否处于孤岛运行ꎮ图中:Ｐ㊁Ｑ以及ΔＰ㊁ΔＱ分别表示光伏电站及电网流向ＰＣＣ的有功功率和无功功率ꎻＰｌｏａｄ㊁Ｑｌｏａｄ表示ＲＬＣ本地负载吸收的有功功率及无功功率ꎻＩＰＶ表示光伏逆变器出口输出电流ꎻＵ表示
并网点电压ꎻＩＬ表示负载电感电流ꎻＬｓ为电网等效
阻抗ꎮ
根据图１典型光伏系统并网模型可求得本地负载ｈ次谐波阻抗Ｚｈ为
Ｚｈ＝Ｒ//ｊｈω０Ｌ//１ｊｈω
０Ｃ
ꎮ(１)式中:Ｒ㊁Ｌ㊁Ｃ为本地负载参数ꎻω０＝２πｆＮ为工频对应的角频率ꎮ
１１
第３期戴志辉等:基于谐波电压突变的无功功率扰动孤岛检测法
图１㊀光伏系统并网模型
Ｆｉｇ.１㊀Ｇｒｉｄ￣ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｍｏｄｅｌｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ
光伏电站正常运行并与主网保持连接时ꎬ断路器ＣＢ闭合ꎬＰＣＣ处ｈ次电压谐波可表示为
Ｕｈ０＝Ｉｈ０(Ｚｈ//ｊｈω０Ｌｓ)ꎮ
(２)
式中Ｕｈ０㊁Ｉｈ０分别为光伏并网运行时ＰＣＣ电压及光伏输出电流对应的ｈ次谐波有效值ꎮ光伏电站孤岛运行时ꎬ断路器ＣＢ断开ꎬＰＣＣ处
ｈ次电压谐波变为
Ｕｈ１＝Ｉｈ１Ｚｈꎮ
(３)
式中Ｕｈ１㊁Ｉｈ１分别为光伏孤岛运行时ＰＣＣ电压以及输出电流对应的ｈ次谐波有效值ꎮ
假设孤岛发生前后负载的谐波电流均由光伏电站提供ꎮ因为逆变器出口滤波电感的存在ꎬ孤岛发生瞬间光伏输出的谐波电流不能突变ꎬ即Ｉｈ１＝Ｉｈ０ꎮ
当ｈ满足下式时有Ｕｈ１>Ｕｈ０[１７]:
１<ｈɤｈ０＝
１
ω０
１ＬＣ＋１２ＬｓＣ
ꎮ(４)
由式(４)可知ꎬ当光伏孤岛运行时ꎬｈ０次以下谐
波电压将增大ꎮ因此ＰＣＣ处ｈ次谐波电压有效值可作为判断光伏电站是否处于孤岛的依据ꎮ１.２㊀无功功率扰动法基本原理
当系统处于孤岛状态时ꎬ断路器ＣＢ断开ꎬ此时以Ａ相为例ꎬ并由基尔霍夫电流定律可得
ＩＰＶＡ＝Ｃ
ｄＵＡｄｔ＋ＩＬＡ＋ＬＲｄＩＬＡ
ｄｔ
ꎮ(５)
式中:ＩＰＶＡ为光伏逆变器输出的Ａ相电流ꎻＵＡ为ＰＣＣ处Ａ相相电压ꎻＩＬＡ为负载电感电流ꎻＲ为负载电阻ꎻ
Ｌ为负载电感ꎻＣ为负载电容ꎮ
当光伏电站输出的功率因数为１ꎬ且逆变器采
用定电压矢量控制ꎬ即Ｕｑ＝０时ꎬ式(５)可经派克变化推导出光伏电站输出的有功㊁无功电流Ｉｄ㊁Ｉｑ与ＰＣＣ频率ｆ的关系[１９]为
ｆ＝ｆＬ１２ＱｆＩ
ｑＩｄ
＋
１２ＱｆＩｑＩｄæèç
öø
÷
２
＋１æèçöø÷ʈ
ｆＬ１２ＱｆＩ
ｑＩｄ＋１æèç
öø
÷
ꎮ(６)
式中:Ｑｆ＝ＲＣ/Ｌ为本地ＲＬＣ负载品质因数ꎻ
ｆＬ＝１/(２π
ＬＣ)为负载谐振频率ꎮ孤岛发生瞬间
光伏电站输出的无功电流远小于有功电流ꎬ式(６)中的平方项可以忽略不计ꎮ当ＲＬＣ参数一定时ꎬＰＣＣ频率ｆ与光伏电站输出的有功电流与无功电流
的比值Ｉｑ/Ｉｄ呈线性关系ꎮ若光伏输出的有功电流Ｉｄ保持不变ꎬ则其孤岛运行时ꎬＰＣＣ频率ｆ将随输出无功电流Ｉｑ的变化而变化ꎮ无功功率扰动法即是根据式(６)对光伏逆变器输出的Ｉｑ加入适当的扰动量ꎬ通过检测ＰＣＣ频率是否超出正常范围从而判断光伏电站是否处于孤岛运行状态ꎮ１.３㊀孤岛检测与光伏ＬＶＲＴ之间的矛盾
光伏电站ＰＣＣ电压跌落的原因大致可归结为孤岛及电压暂态扰动两类ꎮ当配网因故障㊁误操作或停电维修等原因导致供电中断ꎬ进而失去了电网侧对ＰＣＣ电压的支撑ꎬ电压跌落ꎬ此时光伏电站处于孤岛状态ꎻ而ＰＣＣ电压受暂态扰动出现跌落ꎬ则是由于配网中机组的投切ꎬ故障的发生等引起的电压波动所导致ꎮ对于孤岛情况ꎬ需被防孤岛装置准确识别并切除光伏电站与配网的联系ꎮ对于电压暂态扰动情况ꎬ则需执行光伏电站ＬＶＲＴ控制策略ꎬ与配网保持连接直至不满足ＬＶＲＴ要求ꎮ
然而ꎬ孤岛检测在实现原理与逻辑上与光伏
ＬＶＲＴ存在一定矛盾ꎮ以下从防孤岛保护相关标准以及光伏电站ＬＶＲＴ规程入手ꎬ对两者矛盾进行深入分析ꎬ为后续孤岛检测方案的改进与优化提供理论基础ꎮ
ＮＢ/Ｔ３２００４－２０１８[１]规定:光伏并网逆变器必须具有防孤岛功能ꎬ防孤岛保护动作时间应不大于
２ｓꎮ过/欠压保护动作时间具体如表１所示ꎮ
表１㊀ＮＢ/Ｔ３２００４－２０１８过欠压保护动作时间Ｔａｂｌｅ１㊀ＮＢ/Ｔ３２００４－２０１８ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅａｎｄｕｎｄｅｒｖｏｌｔａｇｅ
ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｐｅｒａｔｉｏｎｔｉｍｅ
电网电压㊀㊀
最大分闸时间
Ｕ<５０％Ｕｎｏｍ
０.２ｓ５０％ＵｎｏｍɤＵ<８８％Ｕｎｏｍ２ｓ８８％ＵｎｏｍɤＵ<１１０％Ｕｎｏｍ连续运行１１０％ＵｎｏｍɤＵ<１３７％Ｕｎｏｍ
２ｓ１３７％ＵｎｏｍɤＵ
０.２ｓ
而当ＰＣＣ处电压降低至０.９ＵＮ时ꎬ光伏逆变器
输出还需满足ＬＶＲＴ要求ꎬ其并网点电压如图２所示ꎮ
２
１电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２７卷㊀
图２㊀光伏ＬＶＲＴ能力要求
Ｆｉｇ.２㊀ＰＶＬＶＲＴｃａｐａｂｉｌｉｔｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ
光伏逆变器输出的无功电流参考值为:
ｉ∗ｑ
ȡ０ꎬＵＴ/ＵＮ>０.９ꎻ１.５ˑ(０.９－ＵＴＵＮ)ＩＮꎬ０.５<ＵＴ/ＵＮɤ０.９ꎻ１.０５ＩＮꎬＵＴ/ＵＮɤ０.５ꎮ
ìîíïïï
ï
(７)
式中:ｉ∗ｑ
为光伏输出无功电流参考值ꎻＵＴ㊁ＵＮ分别为ＰＣＣ工频正序电压以及电网额定电压ꎻＩＮ为光伏输出的额定电流ꎮ
综合表１及图２信息ꎬ当ＰＣＣ处电压下降至满足ＬＶＲＴ启动条件时ꎬ光伏电站将采取ＬＶＲＴ控制策略向主网输送功率ꎬ起到一定的电压支撑作用ꎮ然而ＰＣＣ长时间低压状态会引起防孤岛保护动作ꎬ导致光伏电站极有可能在ＬＶＲＴ过程还未结束之前就断开与电网的连接ꎮ如图３所示ꎬ防孤岛保护与光伏电站ＬＶＲＴ控制策略均会由于ＰＣＣ电压跌落而动作ꎬ而未准确判断ＰＣＣ电压异常缘由是两者选择性缺失的重要原因
ꎮ
图３㊀孤岛保护与ＬＶＲＴ之间的矛盾关系Ｆｉｇ.３㊀Ｃｏｎｔｒａｄｉｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｉｓｌａｎｄｉｎｇｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
ａｎｄＬＶＲＴ
基于以上分析ꎬ准确辨析ＰＣＣ电气量异常原因是妥善协调防孤岛保护与光伏ＬＶＲＴ之间矛盾的保证ꎻ而研究一种具备灵敏性㊁快速性及可靠性为一体的孤岛检测方法则是解决问题的关键ꎮ
２㊀基于谐波电压突变的无功功率扰动
孤岛检测法
㊀㊀提出基于谐波电压突变的无功功率扰动孤岛检测法ꎬ其逻辑简图如图４所示ꎮ该方法在优化传统无功功率扰动法的基础上ꎬ将谐波电压检测法与无功功率扰动法有机融合ꎮ同时ꎬ以ＰＣＣ点谐波电压
幅值与频率信息为特征量分别设置起始判据和主要判据ꎬ由两则判据共同完成对光伏电站的状态判断
ꎮ
图４㊀孤岛检测法逻辑简图
Ｆｉｇ.４㊀Ｌｏｇｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｉｓｌａｎｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄ
２.１㊀基于并网点谐波电压幅值的起始判据设定
基于１.１节中电压谐波检测法经过适当的定值设定可一定程度区分孤岛和电压暂态扰动现象的结论ꎬ对传统谐波电压检测法的检测判据[２０]进行优化ꎬ为后续与改进的无功功率扰动法配合奠定基础ꎮ
当ＰＣＣ处谐波电压满足下式ꎬ即起始判据时ꎬ可初步判断光伏电站可能处于孤岛运行状态:
０.５ɤμ＝
ｍａｘ(Ｕｈｔ)－Ｕｈ０
ｍａｘ(Ｕｈｔ)
ɤ１ꎻ
ΔＴ－１０ɤｔɤΔＴꎮ
}
(８)
式中:μ为起始判据系数ꎻΔＴ为检测时间ꎬｍｓꎻＵｈｔ为检测时段内某一时刻ｈ次谐波电压有效值ꎻＵｈ０为系统正常运行时ｈ次谐波电压有效值ꎮ由于光伏逆变器动态无功电流的响应时间在６０ｍｓ内[１]ꎬ电压谐波检测法灵敏度极高[１６]ꎬ因此起始判据中的ΔＴ取值在６０ｍｓ内较为合适ꎬ其具体取值和依据详见２.２节ꎬ此处不再赘述ꎮ式(８)说明了在满足启动条
件为０时刻点的检测时间[ΔＴ－１０ꎬΔＴ]内ꎬ只要ｈ
次谐波电压幅值的最大值高于正常运行时谐波电压的两倍及以上ꎬ就初步判定光伏电站可能处于孤岛状态ꎬ后续还需要在加入无功电流扰动后进行再次判断ꎮ
以ＰＣＣ谐波电压幅值为特征量的起始判据利用故障前后的谐波电压幅值信息来构造ꎬ没有局限于传统谐波电压检测法单一的阈值ꎮ因此当故障特
３
１第３期
戴志辉等:基于谐波电压突变的无功功率扰动孤岛检测法
征量较小时ꎬ起始判据仍能准确判断ꎮ此外ꎬ起始判据利用了谐波电压检测法灵敏性高的优点ꎬ不仅能快速过滤大多数非孤岛工况ꎬ与后续改进无功功率法有机配合还能一定程度上缩小孤岛检测盲区ꎮ２.２㊀基于频率变化量扰动函数的改进无功功率扰动法及主要判据设定
㊀㊀针对满足２.１节中起始判据的工况ꎬ根据图３需进一步采用无功功率扰动法对光伏电站是否处于孤岛状态进行判断ꎮ为此ꎬ提出基于频率变化量扰动函数的改进无功功率扰动法ꎮ该方法的核心是:首先根据满足检测法启动条件后ＰＣＣ处频率的变化情况构造频率变化量扰动函数ꎬ其次通过该扰动函数对光伏逆变器输出电流的参考值做相应修改ꎬ最后根据ＰＣＣ处频率变化特征来检测孤岛是否发生ꎮ
由式(６)分析可知:孤岛发生后ꎬ若不施加无功电流扰动且逆变器处于单位功率因数运行不输出无功电流时ꎬ光伏电站ＰＣＣ频率最终会稳定于本地ＲＬＣ负载谐振频率ｆＬꎮ将孤岛发生后ꎬ人为扰动引起的ＰＣＣ频率变化称为扰动偏移量ꎬ用ΔｆＫ表示ꎻ而负载本身引起的ＰＣＣ频率变化称为负载偏移量ꎬ用ΔｆＬ表示ꎬ其表达式为
ΔｆＬ＝ｆＬ－ｆ０ꎮ(９)式中ｆ０为光伏正常并网运行时ＰＣＣ频率ꎮ
在无功功率扰动法中必须考虑扰动偏移量与负载偏移量之间的关系ꎬ否则在施加不恰当的扰动量时可能会出现以下两种特殊情况:１)在设定的孤岛检测时段内ＰＣＣ处频率已经越限ꎬ而功率扰动的作用使频率稳定于正常范围内(４９.５~５０.５Ｈｚ)ꎬ从而造成孤岛检测失败ꎻ２)功率扰动在ＰＣＣ点频率越限之前就已注入ꎬ但是其效果却使本应越限的频率不再越限ꎬ孤岛检测失败ꎮ下面结合图５ꎬ针对情况２)中加入扰动与未加入扰动工况做对比分析ꎮ假设孤岛检测前ＰＣＣ频率ｆ０为４９.８Ｈｚꎬ本地负载谐振频率ｆＬ为５０.８Ｈｚꎬ电网额定频率ｆｇ为５０Ｈｚꎮ在孤岛发生后ｔ０~ｔ１之间的任一时刻ꎬ对逆变器无功电流参考值施加传统无功功率扰动函数[１６]为
ｉ∗ｑ＝ｋｉｄｓｉｇｎ(ｆ－ｆｇ)ꎮ(１０)则扰动偏移量会使得ＰＣＣ频率下降ꎻ相反ꎬ负载偏移量却在光伏电站孤岛运行时使得ＰＣＣ频率上升ꎬ两者对ＰＣＣ频率的影响最终导致其仍处于正常范围ꎬ孤岛检测失败ꎮ式(１０)中:ｋ为扰动放大系数ꎻｉ∗ｑ为光伏输出无功电流参考值ꎻｆ为ＰＣＣ处频率ꎻｆｇ为电网额定频率ꎻｓｉｇｎ为符号函数ꎮ传统无功功率扰动法在扰动函数的建立上未计及孤岛发生前ＰＣＣ处频率信息ꎬ加上没有充分考虑扰动量的注入时间ꎬ导致了上述两种特殊情况的发生
ꎮ
图５㊀无功功率扰动法频率示意图
Ｆｉｇ.５㊀Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｉａｇｒａｍｏｆｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｍｅｔｈｏｄ
为避免出现传统无功功率扰动法所存在的缺陷ꎬ提出的改进无功功率扰动法其频率变化量扰动函数为
ｉ∗ｑ＝Ｋｉｄｓｉｇｎ[(ｆｔ－ｆｔ０)/Δｔ]ꎮ(１１)式中:Ｋ为扰动放大系数ꎻΔｔ为延时时间ꎻｆｔ０为Δｔ延时时间开始时刻ＰＣＣ频率ꎻｆｔ示Δｔ延时时间结束时刻ＰＣＣ处频率ꎮ由于逆变器输出电流的响应时间为毫秒级ꎬ大量实验结果表明[１６]:当系统工况发生变化时ꎬＰＣＣ处频率经两个周波的时间便足以确定其变化方向ꎬ即在工况变化后４０ｍｓ时间便能准确得出符号函数ｓｉｇｎ(ｆｔ－ｆｔ０)的值ꎮ因此为了不延长所提方法的检测时间式(１１)中的延时时间Δｔ取值为４０ｍｓꎬ与其相协调的起始判据中的检测时间ΔＴ的取值也为４０ｍｓꎮ在整体方法的实施中ꎬ式(９)中的检测时间ΔＴ与下式中延时时间Δｔ同步进行ꎬ具体流程见２.３节步骤２ꎮ
Δｔ＝ΔＴ＝４０ｍｓꎮ(１２)此外ꎬ在光伏电站处于ＬＶＲＴ运行状态时发生孤岛ꎬ即:光伏电站已按照式(７)进行无功电流参考值向电网输送功率时发生孤岛ꎮ此时通过对式(１１)扰动量函数中扰动系数Ｋ的调整可以使其与式(７)在数值上匹配ꎬ既满足ＬＶＲＴ条件又可实现无功功率扰动检测法的要求ꎮ
改进后的无功电流扰动函数在引入时ꎬ不仅考虑了故障前ＰＣＣ频率ꎬ还结合孤岛发生后频率的变
４１电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２７卷㊀
化量共同构造扰动函数ꎮ即使正常运行时ＰＣＣ处频率与电网额定频率(５０Ｈｚ)略有偏差或本地负载的谐振频率在不同工况下有所变化ꎬ式(１１)所示的扰动函数也能准确反映负载偏移量对于ＰＣＣ频率的影响ꎬ从而有效避免了孤岛检测期间扰动偏移量与负载偏移量相互抵消的情况ꎮ改进后的电流扰动函数在提升无功功率扰动法孤岛检测准确性的同时ꎬ一定程度上缩短了孤岛检测的时间ꎮ
加入无功电流扰动后光伏电站处于孤岛状态时的主要判据为
∃[ＴꎬＴ＋０.１]ɪ[ＴＲ＋０.２５ꎬＴＲ＋０.４]ꎬ
ｆ([ＴꎬＴ＋０.１])∉[４９.５ꎬ５０.５]ꎮ
(１３)式中:[ＴꎬＴ＋０.１]为主要判据检测区间内时间跨度为０.１ｓ的时间区间ꎻｆ表示频率关于时间的函数ꎻＴＲ表示无功电流扰动投入时刻ꎬｓꎮ为了躲过加入无功电流扰动函数后扰动偏移量引起的频率暂态波动[１６]ꎬ主要判据需在扰动投入０.２５ｓ后再进行判断ꎮ式(１３)表示若在无功电流扰动投入后的[０.２５ｓꎬ０.４ｓ]主要判据检测区间内ꎬＰＣＣ频率只要有持续０.１ｓ以上时间均处于正常范围之外ꎬ即可判定光伏电站处于孤岛状态ꎮ
２.３㊀基于ＰＣＣ谐波电压突变的无功功率扰动孤岛检测法具体流程
㊀㊀所提方法由ＰＣＣ谐波电压量测元件㊁无功电流扰动元件㊁频率检测模块三部分组成ꎮ图６表示了基于ＰＣＣ谐波电压突变的改进无功功率扰动孤岛检测法流程图ꎮ
步骤１:谐波电压量测元件实时采集ＰＣＣ工频电压和ｈ次谐波电压的有效值ꎮ若ＰＣＣ处当前采样点ｈ次谐波电压幅值为前一采样点的２倍及以上时即满足检测法启动条件ꎬ执行步骤２ꎮ
步骤２:记录此刻ＰＣＣ处频率ｆ０ꎬ并进入Δｔ(Δｔ＝４０ｍｓ)延时阶段ꎮ此阶段需进行式(８)起始判据的判断以及式(１１)无功电流扰动函数的构造ꎮ若满足式(８)ꎬ执行步骤３ꎻ反之ꎬ执行步骤４ꎮ
步骤３:启动无功电流扰动元件并持续０.４ｓꎬ根据步骤二构造的无功电流扰动函数ꎬ对光伏逆变器无功电流参考值进行适当调整ꎻ若加入扰动后的[０.２５ｓꎬ０.４ｓ]时间内检测到ＰＣＣ频率超过正常范围且持续０.１ｓꎬ则判定为孤岛运行ꎬ执行步骤５ꎻ反之ꎬ在检测时间段结束后则执行步骤４ꎮ
步骤４:光伏电站采取ＬＶＲＴ控制ꎬ按式(７)要求持续向电网输出功率ꎬ且重复执行步骤一到步骤三流程ꎮ当ＬＶＲＴ过程结束ꎬＰＣＣ工频电压仍未恢复至０.９倍额定电压时ꎬ执行步骤５ꎮ
步骤５:防孤岛保护装置启动ꎬ断开光伏电站与主网及本地负载的联系
ꎮ
图６㊀基于ＰＣＣ谐波电压突变的改进无功功率扰动孤岛检测法流程图
Ｆｉｇ.６㊀Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｉｍｐｒｏｖｅｄｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｄｉｓｔｕｒｂ￣ａｎｃｅｉｓｌａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎＰＣＣｈａｒ￣
ｍｏｎｉｃｖｏｌｔａｇｅｍｕｔａｔｉｏｎ
３㊀仿真验证
基于ＰＳＣＡＤ/ＥＭＴＤＣ搭建了图１所示的光伏并网系统模型ꎬ对所提孤岛检测方法进行仿真试验ꎮ仿真参数设置如表２所示ꎮ
表２㊀仿真参数设置
Ｔａｂｌｅ２㊀Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｔｔｉｎｇ
系统参数数值
逆变器直流母线电压Ｕｄｃ/Ｖ１０００
光伏额定输出电压/Ｖ６００
网侧线电压/ｋＶ１０.５
电网频率/Ｈｚ５０
升压变压器Δ/Ｙ０.６ｋＶ/１０.５ｋＶ
５１
第３期戴志辉等:基于谐波电压突变的无功功率扰动孤岛检测法
３.１㊀ＰＣＣ谐波电压突变仿真
首先对系统发生孤岛与电压暂态扰动这两种情况下并网点谐波电压变化情况进行仿真实验ꎮ对于孤岛工况ꎬ通过如图一所示断路器ＣＢ在某一时刻打开来模拟ꎻ而电压暂态扰动则通过在配网中设置短路故障来模拟ꎬ且均采用三相间过渡电阻一致的三相短路故障来模拟配网中发生的电压暂态扰动现象ꎮ系统从０开始运行ꎬ运行至４.０ｓ时设置孤岛以及电压暂态扰动ꎬ模拟电压暂态扰动时过渡电阻取０.１Ωꎬ仿真结果如图７㊁图８所示
ꎮ
图７㊀孤岛产生时ＰＣＣ谐波电压
Ｆｉｇ.７㊀ＩｓｏｌａｔｅｄｉｓｌａｎｄｓｇｅｎｅｒａｔｅＰＣＣｈａｒｍｏｎｉｃ
ｖｏｌｔａｇｅ
图８㊀电压暂态扰动ＰＣＣ谐波电压
Ｆｉｇ.８㊀ＶｏｌｔａｇｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎＰＣＣｈａｒｍｏｎｉｃ
ｖｏｌｔａｇｅ
图７和图８对比分析可得:１)当系统出现电压暂态扰动以及发生孤岛现象时ꎬＰＣＣ点２~３次谐波电压幅值在１ｍｓ的时间内迅速上升ꎬ谐波电压突变作为无功电流扰动元件触发的条件具备较高的灵敏性ꎮ２)当发生电压暂态扰动时ꎬ２~３次谐波电压幅值处于异常状态的持续时间相较于孤岛运行工况更短ꎬ不足３０ｍｓꎮ３)按照式(８)起始判据的要求ꎬ在检测区间[３０ｍｓꎬ４０ｍｓ]内ꎬ孤岛时谐波电压幅值的
最大值满足式(８)判据ꎻ而电压暂态扰动工况下ꎬ则不满足式(８)判据ꎮ起始判据对于一般性的非孤岛现象能做出一定的识别与筛选ꎮ３.２㊀传统孤岛检测方法失效情况３.２.１㊀被动式孤岛检测方法失效情况
参考ＩＥＥＥＳｔｄ.１５４７.１所规定的最恶劣情况ꎬ当负载品质因数Ｑｆ＝２.５且负载功率与光伏输出功率完全匹配时ꎬ孤岛检测最困难ꎮ因此在仿真实验中将本地负载设置为:Ｒ＝１３２０Ω㊁Ｌ＝１.６８１Ｈ㊁Ｃ＝６.０２９μＦ㊁Ｑｆ＝２.５ꎻ仿真时间为６ｓꎬ其中断路器动作时间设置为４ｓꎬ即孤岛在４ｓ后产生ꎮＰＣＣ处的电压标幺值㊁频率及谐波电压幅值仿真结果如图９所示ꎮ
由图９仿真结果可得:１)当发生孤岛时ꎬＰＣＣ处电压幅值㊁频率均在正常运行范围之内ꎬ因此基于电压幅值以及频率的被动式孤岛检测方法失效ꎮ２)图９中ＰＣＣ处２~３次谐波电压的幅值虽在孤岛发生后突变ꎬ但是其值不到０.３Ｖꎬ远小于传统谐波电压检测法３Ｖ左右的谐波电压阈值[１７]ꎮ由上述结果可知ꎬ传统被动式孤岛检测方法均存在一定的检测盲区ꎮ３)该工况满足起始判据式(８)ꎬ因此能被所提孤岛检测方法初步识别ꎮ相比于传统谐波电压孤岛检测方法ꎬ新方法起始判据的设立在故障特征量较小的工况仍能正确识别ꎬ因此其整体方案检测盲区更小ꎬ对孤岛现象漏判的可能性也更小ꎮ３.２.２㊀传统无功功率扰动孤岛检测方法失效情况
通过２.２节对无功功率扰动法出现的特殊情况２)的分析可知:未计及孤岛发生前ＰＣＣ处频率信息的无功电流扰动函数或过于提前的扰动量注入时间ꎬ会导致无功功率扰动孤岛检测法失效ꎮ因此在仿真中将系统初始频率设置为:ｆ０＝４９.８Ｈｚꎻ本地负载参数设置为:Ｒ＝１３００Ω㊁Ｌ＝１.６２９Ｈ㊁Ｃ＝６.０２５μＦ㊁Ｑｆ＝２.５㊁ｆＬ＝５０.８Ｈｚꎻ系统运行时间为８ｓꎬ其中断路器动作时间设置为４ｓꎬ无功电流扰动量注入时间为４ｓꎻ其中ｉｄｒｅｆ＝０.０２㊁ｉｑｒｅｆ＝－０.１５ꎮ
仿真结果如图１０所示ꎮ
通过图１０分析可得:１)若不加入无功电流扰动量ꎬＰＣＣ处频率在孤岛发生后由于负载偏移量ΔｆＬ的影响会稳定在负载谐振频率５０.６Ｈｚ左右ꎬ超出正常范围０.１ｓ后即能被检测出光伏电站处于孤
岛运行状态ꎮ２)在孤岛发生瞬间ꎬ即刻采用式(１０)传统无功功率扰动法扰动函数对光伏输出无功电流６１电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２７卷㊀
进行扰动时ꎬ本将越限的ＰＣＣ频率却因扰动偏移量ΔｆＫ的影响仍处于正常范围ꎬ因此陷入检测盲区
ꎮ
图９㊀孤岛时仿真结果示意图
Ｆｉｇ.９㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ
ｗｈｅｎｉｓｌａｎｄｅｄ
对比结论１)和结论２)ꎬ其产生的原因为:无功电流扰动量注入的时间过早ꎬ此时系统频率仍处于
４９.８Ｈｚꎬ因此由式(１０)计算得出的无功电流扰动量会引起ＰＣＣ处频率下降ꎬ与负载偏移量相互抵消ꎬ导致ＰＣＣ处频率仍处于正常范围ꎬ孤岛检测方法失效
ꎮ
图１０㊀无功功率扰动法检测失效工况
Ｆｉｇ.１０㊀Ｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏ
ｄｅｔｅｃｔｆａｉｌｕｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
３.３㊀基于谐波电压突变的无功功率扰动孤岛检测
法仿真分析
㊀㊀对于检测方法中基于谐波电压幅值的起始判据已在３.２.１节中进行仿真试验的分析ꎬ不再赘述ꎮ３.３.１㊀改进无功功率扰动法情况
为了与传统无功功率扰动法对比ꎬ仿真实验中
将系统初始频率设置为:ｆ０＝４９.８Ｈｚꎻ本地ＲＬＣ负载参数设置为:Ｒ＝１３００Ω㊁Ｌ＝１.６２９Ｈ㊁Ｃ＝
６.０２５μＦ㊁Ｑｆ＝２.５㊁ｆＬ＝５０.８Ｈｚꎻ系统运行时间为８ｓꎬ断路器动作时间设置为４ｓꎬ根据式(１１)㊁
式(１２)给出的无功电流扰动量大小及注入时间ꎬ在孤岛产生后４０ｍｓ时注入无功电流扰动ꎬ其中ｉｄｒｅｆ＝
０.０２ꎬｉｑｒｅｆ＝３.５ˑ１０－３ꎮ其仿真结果如图１１所示
ꎮ
图１１㊀改进后无功功率扰动法仿真结果
Ｆｉｇ.１１㊀Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｉｍｐｒｏｖｅｄｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒ
ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｍｅｔｈｏｄ
７
１第３期戴志辉等:基于谐波电压突变的无功功率扰动孤岛检测法。