光伏并网逆变器的孤岛检测技术

图 1 公共点电压 Vpcc与逆变器电流 i(i1 为基波 ) Figure1 VoltageofPCCandinverteroutputcurrent
AFDPF在 AFD的基础上引入频率正反馈加速
公共点电压的频率偏离正常值 , 使检测盲区进一步 减小 .引入频率正反馈后的截断系数[ 3, 6] 可表示为
关 键 词 :光伏 ;并网逆变器 ;孤岛检测 中图分类号 :TM 615 文献标识码 :A 文章编号 :1673-9140(2009)01-0008-04
Investigationofislandingdetectionstrategies forPV grid-connectedconverters
第 24卷第 1 期 2009年 3 月
电力科学与技术学报 JOURNALOFEIECTRICPOWERSCIENCEANDTECHNOLOGY
Vol.24 No.1 Mar.2009
光伏并网逆变器的孤岛检测技术
刘方锐 , 康 勇 , 张 宇
(华中科技大学 电气与电子工程学院 , 湖北 武汉 430074)
LIUFang-rui, KANGYong, ZHANGYu
(CollegeofElectricalandElectronicEngineering, HuazhongUniversityofScienceandTechnology, Wuhan430074, China)
Abstract:Islandingdetectionisanessentialfunctionformostgrid-connectedconverters, especiallyPV grid-connectedconverters.Thepassiveislandingdetectionmethodshavelargenonedetectionzone.The activeislandingdetectionstrategiesareproposedtoimprovethedetectionability.However, theyintroduceperturbationsintheconvertersoutput, contributingtopoorpowerquality.Thispaperanalyzesthe workingprincipleandparametersselectionrulesforfrequencyshiftandphaseshiftislandingdetection techniques.Thealgorismsoptimizationandthemulti-converteroperationperformancearealsoinvestigated.ItprovidesbasicislandingdetectionguidanceforPVgrid-connectedconverters. Keywords:PV;grid-connectedconverter;islandingdetection
RLC负载的电流超前电压的相角为 [ 10, 12]
θload =tan-1 R ωC-ω1L =
tan-1
Qf
ff0 -
f0 f
.
(7)
式中 f0 与 Qf为分别为负载的谐振频率与品质因
数 .并网逆变器多采用并网电流直接控制模式 , 工作
在近似单位功率因数下 .当本地 RLC负载的谐振频
率为 50 Hz且所需有功与并网逆变器的输出相匹配 时 , 电网断电后本地系统的电压幅值与频率无变化 ,
代表了检测孤岛最难的情况 .因此 , 要求在此最恶劣
的工况下该孤岛方法能准确检测出孤岛 , 则必须满
足逆变器的电流相角比并联 RLC负载的相角增加
得更快[ 10, 12] .从而在 f=f0 =fg时 , 满足 :
dθload df
≤ f=f0
dθA . df f=fg
(8)
式中 θA为移频法或移相法中电流超前 电压的相
随着分布式发电技术的迅速发展 , 越来越多的 并网逆变器通常要求具备孤岛检测功能 [ 1 ～ 4] .并网 可再生能源 (如太阳 能 、风能 、生物 质能和 燃料电 逆变器的孤岛现象是指电网因故中断供电时逆变器 池 )被转化为电能后通过并 网逆变器输送到电网 . 仍向电网传输电能 , 和本地负载形成一个公共电网
2.3 参数选取原则
在带频率正反馈的移频和移相法中 , 反馈增益
参数 (k, n)选取越大则扰动越大 , 孤岛检测的可靠
性越高 , 但对并网质量的影响越大 .通常要求该参数
尽量小 , 既能保证孤岛检测有效性又同时具有较高
并网电能质量 .
并联 RLC负载的参数设置灵活 , 在研究与测试
孤岛检测性能时常被用来模拟本地负载 .定义并联
为有效的途径 .因此 , 移频法与移相法在研究与应用 中受到更多的重视 .
2 主动孤岛检测法的运行特性
随着分布式发电技术的发展 , 并网逆变器被广 泛运用 .在一个局部区域内带有不同主动孤岛检测 技术的并网逆变器不可避免的会并联运行 .目前 , 主 动孤岛检测技术的研究主要侧重于单台逆变器 , 其 在多机运行下的特性也显得尤为重要 . 2.1 移频法的工作原理
移频法主要 有主动移 频法 [ 3] (activefrequency drift, AFD)和带正反馈的主动移频法 [ 3, 6, 10] (active frequencydriftwithpositivefeedback, AFDPF).AFD 通过将公共点处电压的频率值进行偏移后作为逆变 器输出电流的参考频率来进行孤岛检测 , 该偏移量 为固定值 .图 1给出了采用 AFD时并网逆变器输出 参考电流及公共点电压波形 .当输出电流变为零时 将保持一段时间 tz直至下半个周期开始 .将截断系 数 cf定义为电流过零点超前 (或滞后 )电压过零点 的时间间隔 tz与电压周期 TV一半的比值 .该方法在 实际应用中 产生的谐 波电流 较大 .通常 cf取值 为 正 , 使系统仅向频率增加的方向偏移 , 因而检测盲区 较大 .
质上是在电流与电压间施加相位扰动来检测孤岛 .
由式 (2)可知 , AFDPF既可使系统向频率增加的方
向偏移也可向频率减小的方向偏移 , 主要取决于本
地负载的谐振频率 .当其与电网额定频率一致时 , 电
网断电时刻频率正反馈所产生的相位扰动为零 .cf0 的作用正是产生初始相位扰动以有效触发频率正反
馈的动作 , 取一个较小值即可 .
角 .由式 (8)即可求出反馈参数的最小取值 .在满足
摘 要 :以光伏逆变器为代表的各种并网逆变器通常要求具备孤岛检测功 能 .被动式的孤岛 检测方法存 在较大孤
岛检测盲区 .主动检测法提高了孤岛检测 的可靠 性 , 但其 在并网 逆变 器的 输出中 施加 了扰动 , 影 响了 并网电 能质 量 .重点分析移频与移相主动孤岛检测算法的工作原理及参数选取原则 , 并给出相关的 参数优化 建议 , 同 时探讨多 并网逆变器运行时的孤岛检测有 效特性 , 为光伏并网逆变器的孤岛检测设计提供参考 .
当并网逆变器所发出的功率与本地的负载较匹 配时 , 电网中断供电后系统的频率与电压幅值变化 较小 , 仍在正常运行范围内 .为此 , 并网逆变器在被 动防孤岛的基础上再配置主动防孤岛保护 , 以提高 孤岛检测的可靠性 .主动孤岛检测法通过施加扰动 以判断是否发生孤岛 [ 3] , 主要作用方式是 :
电 力 科 学 与 技 术 学 报 2009 年 3月
入的相角与逆变器电流 (忽略谐波分量 )分别为
θAFDPF
=ωtz =πcf=cf0 +k(f-fg)π . (2)
22
2
iAFDPF =IAFDPFsin(ωt+θAFDPF).
(3 )
AFDPF的扰动虽然直接作用于输出电流频率 , 其本
1 孤岛检测概述
IEEEStd.2000 -929[ 1] 规定对于有功功率失配 度在 50%以内且本地负载 (品质因数不超过 2.5) 功率因数大于 0.95时 , 并网逆变器应在 2s内检测 出孤 岛 并停 止 供 电 .《光 伏 系 统 并 网技 术 要 求 》 (GB/T19939 -2005)[ 2] 也规定防孤岛效应保护应 在 2s内动作 , 将光伏系统与电网断开 .同时也规定 电网接口的电压幅值在额定值的 85% ～ 110%之外 或频率在额定值的 99% ～ 101%之外时 , 光伏并网 逆变器应与电网断开 .
收稿日期 :2009-02-28 基金项目 :国家自然科学基金 (50877032) 作者简介 :刘方锐 (1981 -), 男 , 博士 , 讲师 , 主要从事分布式发电与新能源利用研究 . 通讯作者 :康 勇 , 男 , 博士 , 教授 , 博士生导师 ;E-mail:ykang@mail.hust.edu.cn
进 , 加快了在电网断电后的相位偏移量 , 但是算法稍
复杂 , 系统参数较多 .
依据 AFDPF的工作原理 , 滑动移相法同样可以
采用线性 的频率 正反 馈加 以 简化 (IM-SMS)如式
(6), 同时引入初始附加相角以出发频率正反馈的
有效动作 .
θIM-SMS =n(f-fg)+F(f-fg)· θ0 . (6) 式中 n为反馈增益 ;θ0 为常数 .当 f-fg≥0时 , F(f -fg)为 1;当 f-fg <0时 , F(fБайду номын сангаасfg)为 -1.
1)检 测 电 网 断 电 前 后 系 统 阻 抗 的 异 常 变 化 [ 3, 5] ;
2)将 系 统 的 频 率 或 电 压 拉 出 正 常 工 作 范 围 [ 3, 6 ～ 12] .前面一种方式被称为阻抗检测法 , 虽然检 测效果较理想 , 但是对逆变器的硬件配置要求较高 , 同时实现复杂 .仅少数国家如德国要求光伏并网逆 变器必须具备该孤岛检测方式 .后一种方式所对应 的孤岛检测法有有 /无功功率扰动法 、输出电压正反 馈法 、移频法和移相法等 .对比频率与电压的正常工 作范围 , 将系统的频率拉出正常工作范围是一种更
cf=cf0 +k(f-fg).
(1)
式中 cf0 为无频率误差下的截断系数 (即初始截断
系数 );k为反馈增益 ;f与 fg分别为公共点电压频率
与电网额定频率 .一旦电网断电后 , 公共点的电压频
率会因为电流中引入的频率偏移量而加速变化 , 直至
频率保护继电器动作 .该方法在逆变器输出电流中引
10
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刘方锐 , 等 :光伏并网逆变器的孤岛检测技术
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系统所无法控制的自给供电孤岛[ 1] .该现象的发生 会威胁到电网维修人员的安全 , 影响配电系统的保 护开关动作程序 , 在重合闸时可能对用电设备造成 损坏等 .
在并网逆变器的孤岛检测中 , 仅依靠被动式检 测方法检测逆变器与电网间的公共点处电压的异常 现象 (如过 /欠压 、过 /欠频 ), 则容易漏检 .多采用被 动与主动相结合的方法以减小检测盲区 .然而主动 检测法需对逆变器的输出施加扰动 , 影响了并网电 能质量 .因此 , 对主动检测法提出较高的标准 , 要求 检测效果好且对电网产生的不良影响小 .本文重点 分析了移频法与移相法的孤岛检测工作原理与参数 选取方法 , 并探讨了这类方法在多机工作运行下的 特性 , 为光伏并网逆变器的孤岛设计提供了理论指 导.
率与额定频率的函数 .逆变器输出参考电流可表示 为 [ 3, 11]
iSMS =ISMSsin(2πft+θSMS). 引入的电流相位扰动量为
(4 )
θSMS
=326π0θmsin
π 2
·
f-fg fm -fg
.
(5 )
式中 θm 为最大相角偏移 (单位为 °);fm 为产生该
相角时的频率 .
自动移相法是在滑动移相法的基础上进行了改
2.2 移相法的工作原理 移相法 主 要 有 滑 动 移 相法 [ 3] (Slip-modefre-
quencyshift, SMS)与自动移相法 (autophaseshift, APS)[ 3, 11] .SMS是 对逆变器 输出电 流相位 进行扰
动 , 电流的相角被设置为上个周期公共点电压的频