光伏并网逆变器的孤岛检测技术

电力科学与技术学报

JOURNALOFEIECTRICPOWERSCIENCEANDTECHNOLOGY

Vo.l24No.1Mar.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)

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.

关 键 词:光伏;并网逆变器;孤岛检测

中图分类号:TM615 文献标识码:A 文章编号:167329140(2009)0120008204

Investigationofislandingdetectionstrategies

forPVgrid2connectedconverters

LIUFang2ru,iKANGYong,ZHANGYu

(CollegeofElectricalandElectronicEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Abstract:Islandingdetectionisanessentialfunctionformostgrid2connectedconverters,especiallyPVgrid2connectedconverters.Thepassiveislandingdetectionmethodshavelargenonedetectionzone.The

activeislandingdetectionstrategiesareproposedtomiprovethedetectionability.However,theyintro2duceperturbationsintheconvertersoutpu,tcontributingtopoorpowerquality.Thispaperanalyzestheworkingprincipleandparametersselectionrulesforfrequencyshiftandphaseshiftislandingdetectiontechniques.Thealgorismsoptimizationandthemulti2converteroperationperformancearealsoinvestiga2ted.ItprovidesbasicislandingdetectionguidanceforPVgrid2connectedconverters.Keywords:PV;grid2connectedconverter;islandingdetection 随着分布式发电技术的迅速发展,越来越多的可再生能源(如太阳能、风能、生物质能和燃料电池)被转化为电能后通过并网逆变器输送到电网.

收稿日期:2009202228

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;E2mai:lykang@mai.lhust.edu.cn

并网逆变器通常要求具备孤岛检测功能

[1~4]

.并网

逆变器的孤岛现象是指电网因故中断供电时逆变器仍向电网传输电能,和本地负载形成一个公共电网

第24卷第1期刘方锐,等:光伏并网逆变器的孤岛检测技术

[1]

9

系统所无法控制的自给供电孤岛.该现象的发生为有效的途径.因此,移频法与移相法在研究与应用中受到更多的重视.

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.

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

[3,6,10]

drif,tAFD)和带正反馈的主动移频法(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

1 孤岛检测概述

IEEEStd.2000-929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.5光伏系统并网技术要求6(GB/T19939-2005)

[2]

[1]

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.

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.

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化围

[3,5]

[3]

,主要作用方式是:

图1 公共点电压Vpcc与逆变器电流i(i1为基波)Figure1 VoltageofPCCandinverteroutputcurrent

1)检测电网断电前后系统阻抗的异常变;

.前面一种方式被称为阻抗检测法,虽然检2)将系统的频率或电压拉出正常工作范

[3,6~12]

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

cf=cf0+k(f-fg).

[3,6]

可表示为

(1)

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

电力科学与技术学报 2009年3月

[10,12]

入的相角与逆变器电流(忽略谐波分量)分别为

HAFDPF=

Xtzcf0+k(f-fg)

=Pcf=P.222

(2)(3)

RLC负载的电流超前电压的相角为

Hload=tan

tan

-1

-1

RXC-f0f

-f0f

1XL.

=

(7)

iAFDPF=IAFDPFsin(Xt+HAFDPF).

Qf

AFDPF的扰动虽然直接作用于输出电流频率,其本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.2.2 移相法的工作原理

移相法主要有滑动移相法APS)

[3,11]

[3]

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50Hz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

(Slip2modefre2

得更快

[10,12]

.从而在f=f0=fg时,满足:dHload

df

f=f0

quencyshif,tSMS)与自动移相法(autophaseshif,t

.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率与额定频率的函数.逆变器输出参考电流可表示为

[3,11]

[

dHA

df

.

f=fg

(8)

式中 HA为移频法或移相法中电流超前电压的相角.由式(8)即可求出反馈参数的最小取值.在满足该最小取值的基础上还可以对算法进一步改进,如改变反馈增益参数.当系统频率与额定频率在一较小范围时,取满足式(8)的最小频率反馈增益,在市电存在时算法产生的扰动较小,对并网质量影响较小.一旦频率之差超过预先设定范围时,表明孤岛存在的可能性偏大,可增加该反馈增益以加速系统偏离正常范围.

2.4 多机运行下的特性分析

当带频率正反馈的移频逆变器与带频率正反馈的移相逆变器在一起工作时,逆变器的总电流相角总是介于单台逆变器的相角之间.由于这些算法的电流相角均由频率正反馈所决定,则合成相角的变化方向与单台逆变器相角随系统频率的变化方向一致.只要逆变器在单机工作时满足孤岛检测要求,则在多机工作时也能满足检测要求.

图2~4给出了多机运行下的孤岛检测过程.其中图2为2台AFDPF逆变器的工作过程.图3为2台IM2SMS逆变器的工作过程.图4为1台AFDPF逆变器和1台IM2SMS逆变器的工作过程.本地负载的谐振频率为50Hz,品质因数为2.55.由于多机系统的有功与负载所需有功较匹配,电网断电前后系统的电压变化较小.AFDPF与IM2SMS算法是按式(8)设计,在单台工作时能满足要求,其在多机下也同样能检测出孤岛.

iSMS=ISMSsin(2Pft+HSMS).

引入的电流相位扰动量为

HSMS=

2PPf-fg.Hmsin#3602fm-fg(4)

(5)

式中 Hm为最大相角偏移(单位为b);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(IM2SMS)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.

HM-SIMS=n(f-fg)+F(f-fg)#H0.

-fg)为1;当f-fg<0时,F(f-fg)为-1.2.3 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(6)

式中 n为反馈增益;H0为常数.当f-fg\\0时,F(f

第24卷第1期刘方锐,等:光伏并网逆变器的孤岛检测技术

11

出算法优化建议.同时结合多机并联运行趋势,对这类方法在多机下的检测特性进行了探讨.只要单台逆变器的带频率正反馈的移频法或移相法的孤岛检测功能满足要求,则在多机运行系统也能有效检测出孤岛.参考文献:

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图2 两AFDPF逆变器并联时的孤岛检测过程

Figure2

IslandingdetectionprocessoftwoAFDPFconverters

图3 两IM2SMS逆变器并联时的孤岛检测过程

Figure3

IslandingdetectionprocessoftwoIM2SMSconverters

图4 AFDPF逆变器与IM2SMS逆变器

并联时的孤岛检测过程

Figure4

IslandingdetectionprocessofoneAFDPFconverterandoneIM2SMSconverter

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3 结论

在各种主动孤岛检测法中,移频法与移相法通过施加主动扰动使得系统频率偏离正常工作范围以实现孤岛检测,是一种较为有效的途径.本文以带频率正反馈的移频法与带频率正反馈的移相法为重点分析了该类方法的工作原理与参数选取原则,并给