光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的新型孤島檢測方法

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的新型孤島檢測方法龔會茹;易靈芝;沈建飛;潘元勇【摘要】Theislandoccurrenceinphotovoltaic(PV)grid-connectedsystemwillnotonlydamagetheequipments,butalsoendangerthelifesafetyofpeople.Thetraditionalperiodiccurrentmagnitudevariation(PC-MV)detectionmethodrequiresaddingalternateactivedisturbancetodrawthecorrelationfactor,whichreducesthedetectionspeedandhasadirectimpactonthequalityofelectricpowergrid.Inordertosolvetheaboveproblem,akindofnovelislandingdetectionmethodisproposedbasedonthecurrentdisturbance.Thismethoddetectstheoutputvoltageandcurrentdisturbanceoftheinverter,calculatesthecorrelationfactor,andthencomparesthecorrelationfactorswiththresholdvaluetojudgewhethertheislandeffectoccurs.Inthispaper,3kWphotovoltaicinverterisusedtobothsimulationandexperiments.Theresultsverifythefeasibilityofthemethod,whichhastheshorttestingtimeandacertainapplicationvalue.%光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中產(chǎn)生孤島時，不僅對設(shè)備造成破壞，而且危及維修人員的安全傳統(tǒng)的定期電流幅值變化(PCMV)檢測方法需要加入備用的主動擾動才能得出相關(guān)因子Cf,降低了檢測的速度,直接影響了并網(wǎng)電能質(zhì)量,針對上述問題，提出一種新型的基于電流擾動的孤島檢測方法?此方法通過檢測逆變器輸出電壓Vinv和電流擾動率K計(jì)算出相關(guān)因子Cf,比較Cf與閾值來判斷是否發(fā)生了孤島效應(yīng)?對3kW光伏逆變器進(jìn)行仿真研究和實(shí)驗(yàn),仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性,檢測時間短,具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值.期刊名稱】《電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)》年(卷),期】2012(024)001【總頁數(shù)】7頁(P59-65)【關(guān)鍵詞】光伏;孤島檢測;定期電流幅值變化;電流擾動;相關(guān)因子【作者】龔會茹;易靈芝;沈建飛;潘元勇【作者單位】湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院,湘潭411105;湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院,湘潭411105;湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院,湘潭411105;湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院,湘潭411105【正文語種】中文【中圖分類】TM615孤島效應(yīng)是光伏并網(wǎng)發(fā)電普遍存在的問題，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果，如對負(fù)載端用戶的設(shè)備造成損壞；孤島線路危及檢修人員的人身安全；在重新合閘前沒有消除孤島效應(yīng)也將會導(dǎo)致不同步并網(wǎng)［1~3］。傳統(tǒng)的孤島檢測分為被動式檢測和主動式檢測，被動式孤島檢測是利用孤島運(yùn)行時逆變器輸出端電壓、頻率和相位不穩(wěn)定而進(jìn)行的檢測主動式檢測方法是通過控制逆變器，使其輸出功率、頻率或相位存在一定的擾動［1,4~6］。為能快速檢測及最大限度地降低檢測方法對電能質(zhì)量的影響，并能判別是孤島現(xiàn)象與電網(wǎng)電壓異常偏離，本文提出一種基于電流擾動的孤島檢測方法，利用當(dāng)孤島發(fā)生時逆變器輸出電壓和添加電流擾動的相互關(guān)系產(chǎn)生相關(guān)因子，比較其相關(guān)因子后設(shè)定閾值，比較相關(guān)因子與閾值大小，高于閾值時判斷發(fā)生了孤島，并且電網(wǎng)電壓異常偏離時相關(guān)因子為負(fù)值，由此與孤島現(xiàn)象區(qū)分開。新型電流擾動的有功功率由直流側(cè)電容器緩沖，不會影響光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤的有功功率。針對傳統(tǒng)的PCMV孤島檢測方法［7］相比，該檢測方法可很容易得到相關(guān)因子，并且具有快速孤島檢測能力、高可靠性，能夠區(qū)分孤島現(xiàn)象與電網(wǎng)電壓的異常偏離，提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全性和可靠性。孤島效應(yīng)的檢測和防止一般是通過檢測并網(wǎng)系統(tǒng)輸出端電壓幅值和頻率實(shí)現(xiàn)的。通常在電網(wǎng)斷開時，如果光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率和電網(wǎng)需求功率之間不平衡時，會引起光伏系統(tǒng)輸出電壓幅值或頻率發(fā)生很大改變，這時通過電網(wǎng)電壓的過/欠壓保護(hù)以及過/欠頻率保護(hù)來檢測電網(wǎng)電壓斷電，從而防止孤島效應(yīng)。然而，當(dāng)負(fù)載消耗的有功功率和無功功率與光伏系統(tǒng)提供的功率相差非常小時，并網(wǎng)系統(tǒng)附近市電電網(wǎng)的電壓和頻率變動量很小而不足以被檢測到的時候，通過被動的方法檢測孤島效應(yīng)就會變得很難［8~10］。孤島現(xiàn)象分析結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖中選用帶有普遍性的電阻R、電容C和電感L并聯(lián)作為該系統(tǒng)的負(fù)載，A點(diǎn)為光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)的連接點(diǎn)。此時負(fù)載阻抗為Z=|Z|"式中：|Z|;^=arctan［R(1/3L-3C)］。當(dāng)斷路器閉合，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)正常工作時：此時光伏系統(tǒng)向A點(diǎn)提供的功率為P+jQ，負(fù)載得到的有功功率和無功功率分別為Pload=U2/RQload二U2/(1/3L-3C)由電網(wǎng)向負(fù)載提供的有功功率和無功功率分別為△P二P-Pload△Q二Q-Qload式中：U和3分別為負(fù)載電壓和角頻率；P和Q分別為光伏電池輸出的有功功率和無功功率；Pload和Qload分別為負(fù)載的有功功率和無功功率；AP和AQ分別為光伏電源和負(fù)載之間的功率偏差。當(dāng)孤島效應(yīng)發(fā)生時，斷路器斷開，從式(2)可以看出，如果光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的有功功率和負(fù)載消耗的有功功率不匹配，公共點(diǎn)的電壓U將會增加或者減小，直到達(dá)到新的平衡狀態(tài)即P=Pload，從式(3)可以看出，如果負(fù)載消耗的無功功率不變，當(dāng)U發(fā)生變化時，頻率也會發(fā)生變化。一般情況下，光伏系統(tǒng)只輸出有功功率，負(fù)載消耗的無功功率由電網(wǎng)提供，當(dāng)孤島現(xiàn)象發(fā)生時Qload=0，則有1/3L-3C=0即頻率會變?yōu)?。若U或f改變足夠大，就可通過電壓或頻率檢測到電網(wǎng)異常情況從而切斷與電網(wǎng)的電氣連接，否則僅依靠電壓或頻率檢測無法得知電網(wǎng)異常情況，系統(tǒng)繼續(xù)以并網(wǎng)方式運(yùn)行，即進(jìn)入檢測盲區(qū)。孤島檢測主動式主要集中在擾動逆變器的輸出，使其在孤島狀態(tài)下相關(guān)電參量不斷偏移直至觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)。逆變器輸出電流的表達(dá)式為Iinv=Imsin(3t+甲)由此可得可施加擾動的量有：電流幅值Im、電流頻率f、電流相位申，以此產(chǎn)生了基于幅值的擾動、基于頻率的擾動、基于相位的擾動。本文采用基于幅值擾動的電流擾動檢測方法的方法。新型電流擾動孤島檢測法的原理該方法基于孤島發(fā)生時電流的周期性變化，然后通過計(jì)算電流擾動偏差和逆變器輸出電壓產(chǎn)生的相關(guān)因子。利用光伏系統(tǒng)并網(wǎng)時，逆變器輸出電壓是受電網(wǎng)電源控制的，與電流擾動的相關(guān)性很弱，孤島發(fā)生時，逆變器的輸出電壓與電流擾動有很強(qiáng)的相關(guān)性。所以，可以用輸出電壓與電流擾動產(chǎn)生的相關(guān)因子，比較其與閾值的大小，高于閾值時，判斷孤島發(fā)生，添加的電流擾動不會影響光伏陣列的最大功率跟蹤的有功功率，其擾動產(chǎn)生的有功功率由直流側(cè)的電容器緩沖。所以定義相關(guān)因子為式中：Cf為相關(guān)因子；N為計(jì)算相關(guān)因子的觀測周期；Vinv,rms為逆變器輸出電壓有效值；AVinv,rms為逆變器輸出電壓有效值偏差；K為額定電流時的擾動率，K=10%Iinv；AK為電流擾動率偏差。新型電流擾動的孤島檢測方法的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)框圖如圖2所示。其中，光伏陣列采用60塊組件，輸出電壓為30V,經(jīng)過Boost升壓電路和全橋PWM逆變器之后得到220V/50Hz的交流電，與電網(wǎng)同頻同相時并網(wǎng)。當(dāng)電網(wǎng)電源因故障斷網(wǎng)時引起逆變器端輸出電壓升高或降低，高于I.IVinv或低于0.88Vinv時添加電流擾動，在每6個電源周期擾動逆變器輸出電流一次，采用K=10%Iinv的擾動率擾動，直流側(cè)電流沒有被擾動。電流擾動原理如圖3所示，其中Vde_ref為直流側(cè)電壓的參考值，為使逆變后得到220V的交流電壓，這里設(shè)為390V,Vdc為直流側(cè)電壓，Vinv為逆變器輸出電壓，Iinv_ref為逆變器輸出電流的參考值，Iinv為逆變器輸出電流。模塊的輸入信號為直流側(cè)參考電壓、直流側(cè)電壓、逆變器輸出電壓和電流、電流擾動，模塊的輸出為PWM的觸發(fā)脈沖信號，控制開關(guān)管的開和關(guān)的時間，使電壓有效值能增加或減小。根據(jù)式(8),單相光伏逆變系統(tǒng)的主要工作波形見圖4。孤島檢測時間應(yīng)小于0.5s,當(dāng)前擾動周期設(shè)置為12,它包含模式1和模式2兩個階段。模式1中的6個周期加入具有相同擾動率為K的電流擾動，連貫的擾動使平均輸出功率等于逆變器額定功率,模式2中的6個周期沒有加入擾動。在圖4中,從上至下依次為：電網(wǎng)電壓有效值波形、逆變器輸出電壓有效值波形、逆變器輸出電壓有效值偏差波形、擾動率K、擾動率偏差△K,逆變器輸出電流瞬時值波形、相關(guān)因子Cf。從圖中可以看出當(dāng)tlt;t0時，逆變器輸出電壓被電網(wǎng)電壓保持，Cf理想值為0,在電網(wǎng)阻抗非常弱的條件下，由于電網(wǎng)電源和逆變器輸出電壓計(jì)算的相關(guān)因子可能超過閾值，在電網(wǎng)電源低阻抗不變情況下t=t0沒有電流擾動時在實(shí)際負(fù)載的平衡作用下逆變器輸出電壓仍然不發(fā)生變化，直到t=t1時刻，于是相關(guān)因子Cf仍然是0。孤島發(fā)生在t=t0時刻，孤島發(fā)生時流向電網(wǎng)的功率為0即△P=0,AQ=0。在t=t1時刻，逆變器的電流開始以擾動率為K被擾動，之后逆變器輸出電壓隨電流擾動使相關(guān)因子增加。當(dāng)相關(guān)因子Cf高于閾值時，逆變器證實(shí)孤島產(chǎn)生并在t=tx時跳閘。閾值計(jì)算通過計(jì)算逆變器輸出電壓得到相關(guān)因子求得適當(dāng)?shù)拈撝?。最能判定孤島檢測能力時，負(fù)載配置要求是品質(zhì)因數(shù)為0、1、2.5、3。品質(zhì)因數(shù)為0時，負(fù)載R、L、C分別為R=16.13Q、L=1.7H、C=0pF;品質(zhì)因數(shù)為1時，負(fù)載分別為R=16.13QL=42.8mH、C=164pF;品質(zhì)因數(shù)分別為2.5時，負(fù)載為R=16.13QL=17.1mH、C=411pF;品質(zhì)因數(shù)為3時，負(fù)載分別為R=16.13Q、L=15.12mH、C=523pF。R、L、C必須滿足基于電流節(jié)點(diǎn)的原理分析可得式中：Vinv為逆變器輸出電壓；Iinv為逆變器輸出電流，通過式(10)和式(11)，可計(jì)算得逆變器輸出電壓和電流，在模式1下品質(zhì)因數(shù)為0時計(jì)算出逆變器輸出電壓，最大預(yù)期相關(guān)因子定義Cf為在第二種和第三種情況下，孤島產(chǎn)生后逆變器輸出電壓可以通過解微分方程(14)得由式(14)得到，相關(guān)因子在品質(zhì)因數(shù)為1、2.5和3情況下分別為3.28、0.98和1.56。在仿真研究中閾值設(shè)為0.98，取最低點(diǎn)，高于閾值即為孤島產(chǎn)生。仿真研究中通過多組品質(zhì)因數(shù)和相關(guān)因子的數(shù)值關(guān)系可以驗(yàn)證閾值0.98選取的正確性。在電網(wǎng)驟升/驟降情況下，相關(guān)因子可減小到一定負(fù)值，可在仿真研究和實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。2.3電流擾動對光伏陣列MPPT的影響直流側(cè)電壓的偏差可以反映電流擾動對光伏最大功率輸出的影響，依據(jù)可以分析一個周期的平均直流電壓偏差值，從直流側(cè)電壓390V能計(jì)算出的直流側(cè)電壓降低為3V，這對220V的交流電沒有影響，對最大功率輸出沒有影響。其中，式中為加電流擾動之后功率增加量；f0為標(biāo)準(zhǔn)頻率；Cdc為直流側(cè)電容；Vdc為直流側(cè)擾動之前電壓；為增加電流擾動后減少的直流側(cè)電壓。3.1仿真研究采用Matlab進(jìn)行仿真研究。光伏逆變器額定功率為3kW，額定輸出電壓有效值為220V,額定輸出電流有效值為13.6A，電網(wǎng)電壓為220V/50Hz，直流側(cè)電容為4700pF。設(shè)置電網(wǎng)在0.5s斷電由光伏系統(tǒng)單獨(dú)向負(fù)載供電，發(fā)生孤島現(xiàn)象，分別對品質(zhì)因數(shù)為0、1、2.5、3下進(jìn)行仿真研究。新型電流擾動的孤島檢測方法仿真模型見圖5。新型電流擾動的孤島檢測方法流程見圖6，它包括由鎖相環(huán)過零、定期電流擾動、相關(guān)因子計(jì)算和決策過程。該方法工作時，對公共點(diǎn)A點(diǎn)(見圖1)電壓進(jìn)行采樣后，判斷A點(diǎn)電壓是否為0,當(dāng)A點(diǎn)電壓為0時，電流擾動對逆變器端輸出電流進(jìn)行擾動，這是逆變器輸出的電壓和擾動的電流有很強(qiáng)的相關(guān)性,產(chǎn)生相關(guān)因子,并計(jì)算,如果這時的相關(guān)因子大于閾值則可以判斷孤島產(chǎn)生。圖7和圖8示出新型電流擾動孤島檢測方法的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果分析如下。圖7(a)表示光伏并網(wǎng)時逆變器輸出電壓波形，穩(wěn)定在220V,正常穩(wěn)定運(yùn)行；圖(b)表示在0.5s時電網(wǎng)斷開后逆變器端電壓降至192V,低于0.88Vinv;圖(c)中Vgrid為電網(wǎng)側(cè)輸出電壓，表示在0.5s時電網(wǎng)斷開后電網(wǎng)端的電壓為0。圖8(a)~(d)中為新型電流擾動檢測方法在品質(zhì)因數(shù)為0、1、2.5、3時的模擬結(jié)果，可以看出孤島發(fā)生在0.5s，在此之前逆變器電流沒有被擾動，電壓沒有偏差，相關(guān)因子仍然是0,在0.5s后電流擾動開始，相關(guān)因子開始增長，孤島產(chǎn)生后逆變器輸出電壓由于負(fù)載的配置不同，最大的相關(guān)因子也是不同的，負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)較高，孤島產(chǎn)生后相關(guān)因子會得到一個較低的值，在圖8(e)可以看出在不同品質(zhì)因數(shù)下產(chǎn)生的相關(guān)因子的關(guān)系圖，在品質(zhì)因數(shù)2.5附近取多個值，得到的相關(guān)因子均大于在2.5時的相關(guān)因子，在2.5時得到一個最低點(diǎn)0.98，之后開始增加，仿真結(jié)果驗(yàn)證了第2.3節(jié)中相關(guān)因子閾值取0.98的合理性。仿真結(jié)果表明該孤島檢測方法檢測時間為12個周期0.2s，比PCMV電流檢測時間短，并且遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定120個周期2.4s的時間，說明了該方法具有很好的快速性。當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升/降時，可能會造成偽孤島現(xiàn)象，造成誤判，新型電流擾動孤島檢測法可區(qū)分這兩種現(xiàn)象，圖9為電網(wǎng)電壓驟升/降時仿真結(jié)果。圖9(a)(b)表示沒有電流擾動時電網(wǎng)電壓驟升/降的仿真結(jié)果，從中可以看出在0.5s時電壓驟升到242V或者是驟降到193V,這時可以通過相關(guān)因子為0來判斷沒有電流擾動。在0.7s時電壓降到或者回升到220V時電流擾動開始增加，這時相關(guān)因子輸出是一個為-0.7，從圖9(c)中可以看出相關(guān)因子的變化。因此，這種方法還能夠區(qū)分孤島現(xiàn)象和電網(wǎng)電壓的異常偏離以防止啟動孤島保護(hù)措施。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文進(jìn)一步根據(jù)圖5進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過stc單片機(jī)采用30MHz晶振產(chǎn)生50Hz、220V工頻電壓，控制該電壓使其幅值可變、頻率可變，負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為0和2.5，使用GwinstekGDS-2102示波器生成波形如圖10所示。圖10(a)表示光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島發(fā)生時逆變器輸出的電壓波形，由圖可知，出現(xiàn)孤島時，A點(diǎn)的電壓明顯減小；圖10(b)表示負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為0時的相關(guān)因子的變化波形，0.5s斷網(wǎng)時相關(guān)因子開始快速累積，0.7s時達(dá)到高峰，圖10(c)表示負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為2.5時的相關(guān)因子的變化波形，峰值變小，這時得到閾值從而驗(yàn)證了此時選取閾值的合理性，圖10(d)表示電網(wǎng)電壓驟升/降的時得到的相關(guān)因子實(shí)驗(yàn)圖波形，可以看出0.7s時得到的相關(guān)因子為-0.7，所以可以區(qū)分孤島現(xiàn)象和電網(wǎng)電壓的異常偏離以防止啟動孤島保護(hù)措施。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真研究結(jié)果相吻合，從而也驗(yàn)證了該方法的可行性。針對傳統(tǒng)的PCMV孤島檢測方法需要加備用的主動擾動產(chǎn)生相互關(guān)系以得到相關(guān)因子的缺點(diǎn)，提出通過對逆變器輸出電壓的幅值周期性新型電流擾動，得到相關(guān)因子的檢測方法，通過比較相關(guān)因子得出閾值，高于閾值時判斷產(chǎn)生了孤島。以該方法建立了3kW光伏逆變器的仿真研究和stc單片機(jī)實(shí)驗(yàn)研究。算法簡單并且檢測時間符合國際孤島檢測的時間標(biāo)準(zhǔn)，添加的電流擾動不會影響最大功率跟蹤的有功功率，還能夠區(qū)分孤島現(xiàn)象和電網(wǎng)電壓的異常偏離。龔會茹(1986-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動。Email:易靈芝(1966-)，女，教授，研究方向?yàn)榻涣髡{(diào)速與電力電子裝置、新能源發(fā)電技術(shù)等。Email:沈建飛(1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎夤こ?。Email:【相關(guān)文獻(xiàn)】[1]郭小強(qiáng)，趙清林，烏M韋揚(yáng)(GuoXiaoqiang,ZhaoQinglin,WuWeiyang)?光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測技術(shù)(Islandingdetectionmethodforphotovoltaicgrid-connectedpowersystem)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)(TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety),2007,22(4):157-162.薄濤(BoTao).光伏系統(tǒng)中的電壓提升與孤島檢測研究(ResearchonBoostandIslandingDetectiontoPhotovoltaicSystem)[D].杭州：浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院(Hangzhou:CollegeofElectricalEngineeringofZhejiangUniversity)，2008.吳理博(WuLibo).光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)綜合控制策略研究及實(shí)現(xiàn)(ResearchandImplementationofControlStrategyinGrid-connectedPhotovoltaicSystems)[D].北京：清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)(Beijing:ElectricalEngineeringandAppliedElectronicTechnology，TsinghuaUniversity)，2006.呂振，楊麗(LUZhen,YangLi).并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測(Theislandingdetectionforphotovoltaicgrid-connectedgenerationsystems)[J].中國電力(ElectricPower),2009,42(3):71-74.⑸劉芙蓉，王輝，康勇，等(LiuFurong,WangHui,KangYong,etal).滑模頻率偏移法的孤島檢測盲區(qū)分析(Non-detectionzoneofslip-modefrequencyshiftmethod)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)(TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety)，2009，24(2):178-182.⑹張純江，郭忠南，孟慧英，等(ZhangChunjiang,GuoZhongnan,MengHuiying,etal).主動電流擾動法在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測中的應(yīng)用(Activecurrentdisturbingmethodforislandingdetectionofgrid-connectedi