光伏并網(wǎng)逆變器一個(gè)有效的反孤島解決方案

1、反孤島解決方案1. 孤島效應(yīng)所謂孤島效應(yīng)，是指當(dāng)電力公司因故障或停電維修而停止供電時(shí)，用戶端的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)仍處于工作狀態(tài)，使得并網(wǎng)逆變器和周圍的負(fù)載形成了電力公司無(wú)法控制的自供電網(wǎng)絡(luò)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果：（1）電網(wǎng)無(wú)法控制孤島中的電壓和頻率，若電壓和頻率超出允許的范圍，可能對(duì)用戶的設(shè)備造成的損壞；（2）若負(fù)載容量大于光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量，光伏發(fā)電系統(tǒng)過(guò)載運(yùn)行，易被燒毀；（3）與光伏發(fā)電系統(tǒng)連接的電路仍會(huì)帶電，對(duì)檢修人員造成危險(xiǎn)，降低電網(wǎng)的安全性；（4）對(duì)孤島進(jìn)行重合閘操作時(shí)會(huì)導(dǎo)致該線路再次跳閘，還有可能損壞光伏發(fā)電系統(tǒng)和其他設(shè)備。因此，光伏并網(wǎng)逆變器具有孤島檢測(cè)

2、和反孤島的功能是很有必要的。2. 孤島檢測(cè)檢測(cè)孤島效應(yīng)的方法有很多種，主要分為兩種：被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)檢測(cè)。被動(dòng)檢測(cè)就是光伏并網(wǎng)逆變器檢測(cè)與電網(wǎng)連接處的電網(wǎng)電壓或頻率的異常來(lái)檢測(cè)孤島效應(yīng)。主動(dòng)檢測(cè)是有意的引入一些擾動(dòng)信號(hào)，來(lái)監(jiān)控系統(tǒng)中的電壓、頻率和阻抗的相應(yīng)變化，以確定電網(wǎng)的存在與否。比較被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)檢測(cè)的區(qū)別，被動(dòng)檢測(cè)的軟件實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，但是檢測(cè)范圍有限，無(wú)法滿足并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)反孤島保護(hù)安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此我們選擇用主動(dòng)檢測(cè)的方法；而主動(dòng)檢測(cè)可以使孤島檢測(cè)的盲區(qū)盡可能的小，孤島檢測(cè)比較有效，但是軟件實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，并且會(huì)使并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率有所降低。國(guó)際上對(duì)反孤島檢測(cè)方案和響應(yīng)時(shí)間沒(méi)有明確的規(guī)

3、定， IEEE Std.9292和IEEE Std.15473根據(jù)孤島效應(yīng)發(fā)生時(shí)的具體情況推薦了不同的孤島效應(yīng)檢測(cè)時(shí)間。表1為IEEE Std.15473允許的孤島效應(yīng)檢測(cè)時(shí)間。表1 IEEE Std.15473允許的孤島效應(yīng)檢測(cè)時(shí)間狀態(tài)電網(wǎng)跳閘后電壓幅值電網(wǎng)跳閘后電網(wǎng)頻率允許的檢測(cè)時(shí)間（s）10.50.1620.5<<0.88231.10<<1.2141.2<0.165<-0.7Hz0.166>+0.5Hz0.16注：指電網(wǎng)電壓的額定值。對(duì)于中國(guó)的單相市電，為220（有效值）； 指電網(wǎng)電壓的頻率值。對(duì)于中國(guó)的單相市電，為50Hz。經(jīng)研究討論，根據(jù)逆變

4、器的控制策略，我們選擇了兩種的孤島檢測(cè)的方法，滑膜頻率偏移法（slip-mode frequency shift, SMS）和主動(dòng)電流擾動(dòng)法。3. 滑膜頻率偏移法并網(wǎng)光伏逆變器采用電流控制并網(wǎng)，即控制逆變器的輸出電流，使其成為與電網(wǎng)同頻的正弦波，而對(duì)輸出電壓卻不直接控制，輸出電壓或受電網(wǎng)鉗制（并網(wǎng)工作時(shí)），或取決于輸出電流和負(fù)載（孤島運(yùn)行時(shí)）?；ゎl率偏移法在逆變器電流控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制逆變器輸出電流的相位控制，使公共點(diǎn)頻率在電網(wǎng)失壓后偏離額定值而檢測(cè)出孤島。3.1 滑膜頻率偏移法的工作原理在不加SMS算法時(shí)，逆變器輸出電流和公共點(diǎn)電壓同頻相加；加入SMS孤島檢測(cè)算法后，逆變器電流給定的頻

5、率不變，但相位發(fā)生偏移（大小由SMS算法決定），如圖1所示。逆變器的電流控制為：由鎖相環(huán)（PLL）檢測(cè)公共點(diǎn)電壓上升沿時(shí)間，得到公共點(diǎn)（PCC）電壓頻率，作為下一個(gè)周期光伏并網(wǎng)逆變器輸出電流的頻率；下一個(gè)周期電流的起始時(shí)刻為公共點(diǎn)電壓過(guò)零上升時(shí)刻，其初始相位由SMS算法決定，通常取其中為滑膜頻率偏移算法期望的最大偏移，為產(chǎn)生最大相移時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率，為電網(wǎng)額定頻率，為公共點(diǎn)頻率。圖1 滑膜頻率偏移法孤島檢測(cè)方法示意圖由逆變器電流控制系統(tǒng)等效模型（參見(jiàn)圖2）可知，電流和電壓的相位差受SMS算法和RLC負(fù)載相位角G(j)的影響，當(dāng)+G(j)>0時(shí)，PLL“看到”電流滯后于電壓，會(huì)增加給定電流的頻

6、率；當(dāng)+G(j)<0時(shí)，PLL“看到”電流超前于電壓，會(huì)減小給定電流的頻率。因此，要使電網(wǎng)斷開(kāi)后公共點(diǎn)頻率因電流頻率的變化而逐漸遠(yuǎn)離額定值，必須滿足：+G(j)>0， 時(shí)；+G(j)<0， 時(shí)。如果上述關(guān)系成立，在電網(wǎng)斷電后，公共點(diǎn)的電壓的相位就會(huì)始終超前（或滯后）于電流相位，在鎖相壞的作用在頻率逐漸推高（或降低），最后超出正常范圍，檢測(cè)出孤島。圖2 PV系統(tǒng)等效模型需要說(shuō)明的是在孤島運(yùn)行時(shí)，由于只控制電流輸出，電壓與電流的位置主要受負(fù)載的類型所影響，主要分為容性負(fù)載和感性負(fù)載。感性負(fù)載的特性是電壓的相位超前電流，并且總有超前電流的趨勢(shì)。圖3 感性負(fù)載電壓/電流相位圖容性負(fù)載

7、的特性是電壓的相位滯后電流，并且總有滯后電流的趨勢(shì)。圖4 容性負(fù)載電壓/電流相位圖滑動(dòng)頻率偏移法是根據(jù)負(fù)載的類型，計(jì)算相位角 G(j) 與滑動(dòng)頻率偏移角人為的造成電流相位一個(gè)微小的偏移。在并網(wǎng)時(shí)，由于電網(wǎng)頻率鉗制電壓波形，導(dǎo)致電壓相位不會(huì)受到電流相位的影響；在孤島發(fā)生時(shí)，電流相位的微小偏移會(huì)在電壓波形的超前/滯后的特性下導(dǎo)致電壓的頻率不斷減小/增大，而電流頻率又反過(guò)來(lái)受到電壓頻率影響，電流頻率不斷減小/增大，與額定值的偏移量就會(huì)不斷增大，因而由SMS算法得出的每個(gè)周期所施加的偏移相位也不斷增大，進(jìn)而再導(dǎo)致頻率偏離額定值越來(lái)越大，直至超過(guò)限定值，從而快速檢測(cè)出孤島。但是，我們可以發(fā)現(xiàn)，如果+G(

8、j)=0時(shí)，即SMS算法得到的相位偏移量為0，當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)孤島無(wú)法被檢測(cè)出的情況，即所謂的孤島檢測(cè)的盲區(qū)，這個(gè)盲區(qū)是無(wú)法的被消除的，只能盡可能去減小盲區(qū)，使上面的情況出現(xiàn)的可能性盡量小。從各方面的資料文獻(xiàn)上，我們了解到取5°時(shí)，能使這個(gè)盲區(qū)比較小。我們?nèi)?°，對(duì)應(yīng)的弧度值約為0.0873；取電網(wǎng)頻率50.0Hz；取49.5Hz，也就是當(dāng)頻率偏移至49.5Hz時(shí)認(rèn)為孤島出現(xiàn)。當(dāng)前電壓頻率通過(guò)鎖相環(huán)得到，代入公式后為：化簡(jiǎn)后，得到最終公式：根據(jù)計(jì)算出的相位差代入程序中電流相位的補(bǔ)償項(xiàng)AngleIref，得到了新的電流相位補(bǔ)償項(xiàng)。模擬出的結(jié)果如下圖所示。圖5

9、孤島出現(xiàn)時(shí)頻率的變化3.2 滑膜頻率偏移法的程序流程根據(jù)上一節(jié)的分析，我們就可以將滑膜頻率偏移法編入到程序中，作為電流控制的一部分，每個(gè)周期都對(duì)電流施加相位偏移，當(dāng)孤島發(fā)生時(shí)，能夠快速的檢測(cè)出。 圖6為程序?qū)崿F(xiàn)框圖，圖7為程序運(yùn)行流程圖。圖6 程序?qū)崿F(xiàn)框圖圖7 程序運(yùn)行流程圖4. 主動(dòng)電流干擾法4.1 主動(dòng)電流干擾法工作原理圖8 主動(dòng)電流擾動(dòng)法檢測(cè)孤島系統(tǒng)圖主動(dòng)電流擾動(dòng)法檢測(cè)孤島系統(tǒng)如圖8所示。并網(wǎng)逆變器工作在電流控制模式，在不添加電流擾動(dòng)的情況下，控制逆變器輸出電流跟隨給定信號(hào)（一般為電網(wǎng)信號(hào)或者與電網(wǎng)同頻同相的正弦），此時(shí)=在添加干擾信號(hào)時(shí)，電流的參考信號(hào)為正弦信號(hào)和干擾信號(hào)的差，則=-

10、并網(wǎng)情況下，公共點(diǎn)PCC的電壓為電網(wǎng)電壓，如果逆變器輸出和負(fù)載消耗的功率相匹配，那么在不添加擾動(dòng)情況下電網(wǎng)斷電時(shí)，PCC點(diǎn)的電壓不發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致孤島發(fā)生。而在添加電流擾動(dòng)的情況下，電網(wǎng)斷電時(shí)，PCC點(diǎn)的電壓取決于逆變器輸出電流和本地負(fù)載。=Z=(-)Z 在原來(lái)的基礎(chǔ)上添加了Z的電壓降，超出欠電壓保護(hù)的闕值范圍，即使在功率相匹配的情況下孤島也可以檢測(cè)出來(lái)。4.1 主動(dòng)電流干擾法軟軟件實(shí)現(xiàn)圖9 主動(dòng)電流擾動(dòng)法檢測(cè)孤島的流程圖主動(dòng)電流擾動(dòng)法檢測(cè)孤島流程如圖9所示。在這個(gè)方法中，要主動(dòng)給電流幅值施加偏移量，那這個(gè)偏移量只能是負(fù)的，即減小電流的幅值，因?yàn)槿绻龃箅娏鞣?，就有可能使逆變器過(guò)載。另外，施

11、加的偏移量不能過(guò)小，如果過(guò)小就有可能電壓幅值變化也不夠大，沒(méi)有超出電壓的限制，導(dǎo)致檢測(cè)孤島失敗，所以施加的偏移為給定值的50%是合理的。主動(dòng)施加的偏移量比較大，導(dǎo)致逆變器的輸出效率會(huì)有明顯降低，因此不能每個(gè)周期都施加電流偏移量，要根據(jù)反孤島檢測(cè)時(shí)間和逆變器的輸出效率綜合考慮，來(lái)確定主動(dòng)擾動(dòng)的頻率。我們?cè)O(shè)定每隔20個(gè)周期施加2個(gè)周期的電流擾動(dòng)，numA=20，numB-numA=2，即numB=22。使用NUM計(jì)數(shù)周期，NUM初始值為0。首先檢測(cè)公共點(diǎn)電壓的頻率，如超出限制，則判為孤島，逆變器停止；若頻率檢測(cè)正常，采樣公共點(diǎn)電壓和電流，若電壓超過(guò)限制，則判為孤島；若電壓檢測(cè)正常，NUM計(jì)數(shù)加一，然后和numA比較，若小于numA，即計(jì)數(shù)周期還未計(jì)滿20次，不施加電流擾動(dòng)，給定正常電流，然后重新開(kāi)始循環(huán)檢測(cè)；若大于numA，則表示計(jì)數(shù)周期已有20次，接下來(lái)兩個(gè)周期要施加電流擾動(dòng)，即NUM計(jì)數(shù)到第20，21周期時(shí)為施加擾動(dòng)周期，和numB（numB=22）比較 ，小于numB時(shí)，給電流施加擾動(dòng)，我們給定電流的偏移量為50%，然后開(kāi)始下一次循環(huán)，若計(jì)數(shù)到了22，即表示電流施加擾動(dòng)結(jié)束，NUM清零，開(kāi)始下一輪的施加電流擾動(dòng)的大循環(huán)。從以上分析