陈祥鹏 李田泽 李 倩 暴 敏 韩 涛
1.山东理工大学 电气与电子工程学院 山东 淄博 255049;
2.国网山东莱州市供电公司 山东 莱州 261400;
3.国网山东送变电工程公司 山东 济南 250000
随着光伏电源并网的不断增多,这将提高了电网及并网光伏电源对运行的安全性和可靠性的要求。当电力系统出现电气故障和误操作时,供电系统发生断电,并网光伏电源没有及时检测出供电系统的停电状态,难以与电网中断,使并网光伏电源和其周围的负载形成一个自给供电的孤岛,这就形成了孤岛效应[1]。 主动频率偏移法[2](active frequency drift,AFD)较多应用在孤岛效应检测中。这种方法的检测精度比较高,无须添加任何硬件,盲区较小,但在不同负载条件下,检测结果会出现较大不同,严重时可能会出现孤岛检测失效[3]。为解决不同负载检测失效问题,本文对正反馈主动频率偏移法进行了修正,提出了一种新型AFD检测方法。
目前并网光伏发电技术快速发展,国内外先后出现一些光伏发电并网技术的标准,并且规定并网发电装置的孤岛检测功能是必备条件之一。因为光伏并网的技术规范关系到配电网的运行,各个国家都会规范不相同的光伏发电并网标准,国际上对孤岛效应保护方案也没有提出明确的规定[4],而我国在2005年发布了GB/T19939-2005并网光伏发电系统技术规范和要求,给我国的并网光伏发电系统提供了一系列满足我国电网的标准规范。表1为GB/T19939-2005标准规定的异常电压响应时间。
表1 异常电压的响应时间
下图1是按照光伏并网发电系统中的功率流向对孤岛效应的特性进行分析。
图1 并网光伏发电系统功率图
图1中,P、Q分别表示光伏系统产生的有功和无功功率;Pl、Ql分别表示负载所需的有功和无功功率;ΔP、ΔQ为供电系统中负载之间和光伏并网逆变器的有功和无功功率偏差[6]。
1)电网正常运行
由图1可知,在电网正常运行时,开关闭合。并网逆变器输出的有功P和无功Q的一部分提供并联RLC负载的用电,另外一部分输送到电网,则可以得到式(1)、(2):
式中us、ωs分别为电网电压和其角频率。
2)电网停止运行
由图1可知,当电网停止运行时,因为并网逆变器的输出功率和负载功率之间存在巨大差异,因此PCC处的电压和频率变化很大,故只要检测PCC处的电压和频率就不难检测到孤岛效应的发生。为进一步研究PCC处电压和频率的变化,根据能量守恒定律可推出式(3)、(4):
根据上面公式可得到:
由式(5)知,当电网工作停止时,光伏并网逆变器的有功和无功功率关系到PCC处电压和频率。
由图1可知,如果光伏发电系统输出的功率与负载需求的功率一致,即 P=Pl、Q=Ql,则 ΔP=0,当电网停止工作时,由式(1)、(3)可得 us=U,PCC 处的电压与电网电压相等,并且式(5)可解得
综上所述:当并网光伏发电系统中断并网工作时,如果系统的输出频率和电压与并网运行时没有发生变化,这就会使过压或欠压和过频或欠频保护出现失败的现象。所以,一定要采取主动式孤岛检测方法,即本文所用的主动式频率偏移法(Active Frequency Drift ,AFD)[7]。
当正常工作时,光伏发电系统输出单位功率因数;当出现孤岛时,对孤岛检测点处施加一定的频率扰动,如图2所示,孤岛效应的检测过程是[8]:电流半波的初始时刻不变,对光伏发电系统输出的电流频率施加扰动,使其比上一周期公共点电压的频率略高(或略低),如果电流半波已到达零点而电压未到零点,则规定电流为零,并且一直到电压过零点,电流方能进行下个半波。
图2 PCC处输出电流给定信号与电压关系图
图2中t0表示在过零点时刻光伏发电系统输出电流的给定信号超前(或滞后)电网公共点过零点电压的时间间隔,并规定截断系数为:
用截断系数表示孤岛检测中进行频率扰动的强度。
AFD 法工作原理[9]如图 3所示。
图3 AFD孤岛检测方法控制原理
该系统控制光伏逆变器的输出,使电网的电压频率与其输出频率finv出现误差Δf,该误差在并网标准允许范围之内。在电网按规定进行工作时,因为锁相环电路带有矫正的作用,Δf波动范围较小,这时光伏逆变器工作正常。当电网发生故障时,针对光伏逆变器而言,在下个工频周期之内,系统将以finv为基准,然后加上设定的误差频率Δf去控制finv,从而导致Δf进一步增加。该过程不断重复,直至finv超出规定的并网标准,从而进行孤岛保护动作[10]。
为提高孤岛检测速度,人们在AFD检测法基础上得出正反馈主动频率偏移法(Active frequency drift with positive feedback,AFDPF),该法显然提升了孤岛检测的速度,但是当对其施加正向扰动时,存在容性负载检测失效的问题。
由于正反馈主动频率偏移法中存在容性负载检测失败的现象,文章针对AFDPF提出了修正,提出双向正反馈主动频率偏移检测法。即对光伏逆变器电流的频率施加正反双向的扰动,使负载性质对单向扰动的平衡作用得以消除,如图4所示。
图4 双向AFDPF的控制原理框图
在该方法中cf满足下式:
在光伏逆变器输出的电流频率上施加扰动信号cf1和 cf2,施加扰动cf1和cf2前后电流频率的差值分别为 Δf1、Δf2。 然后对 Δf1、Δf2绝对值的大小进行比较。当电网出现孤岛运行时,对Δf1、Δf2绝对值的大小进行判断比较,选取其中绝对值较大者作为扰动的基准信号,从而正反馈积累扰动基准信号,然后会在短时间内超越标准频率的允许范围,断开光伏并网开关,孤岛效应检测成功。
通过正反双向对光伏逆变器的电流施加扰动,容性负载检测困难的问题得到合理地解决。在实际的电网中,各种故障和停电状况时常出现,电力负载的性质也是不确定的,改进孤岛检测法可以改善检测的效果,增加检测的成功率,减小检测失效的概率。
为验证改进型AFDPF的孤岛检测效果,本文通过MATLAB/Simulink仿真软件对孤岛检测系统进行仿真,并在此平台搭建模型对改进的AFDPF检测法进行仿真验证。 图 5 中的(a)、(b)、(c)为在MATLAB/Simulink环境下搭建的仿真模型。
图(c)中的AFD模块为孤岛检测算法的S函数模块,其输入为PCC点电压的相位和频率,经过AFD检测算法得到输出,输出信号经PID控制输入PWM Generator模块,产生四路脉冲控制信号,控制逆变器开关管与控制逆变器的输出电压和电流。
图5 AFD的MATLAB/Simulink仿真模型
初始截断系数cf0应该尽量小,同时k的增大能够有效减小检测盲区并加快检测速度,所以为了与传统的AFDPF检测法进行对比,在改进的AFDPF检测法中,分别在感性负载和容性负载条件下对该检测方法进行仿真验证,其仿真结果如下:
1)感性负载条件下,盲区外,检测成功,如图6(a)、(b)。
图6 改进的AFDPF检测法的感性负载仿真结果
2)容性负载条件下,盲区外,检测成功,如图7(a)、(b)。
图7 改进的AFDPF检测法的容性负载仿真结果
3)改进的检测法和传统的检测法的谐波失真度,如图 8(a)、(b)。
图8 改进AFDPF与传统AFDPF的THD对比图
本文提出的改进的AFDPF检测法具备了传统检测法检测效率高的优点,通过正反双向的扰动来解决单向扰动的不足,施加双向正反馈主动频率偏移检测后,改进AFDPF算法可以在感性负载和容性负载条件下都能迅速检测出孤岛,有效解决了扰动和负载特性之间的冲突,克服了检测失败的缺陷,改善了孤岛检测效果,减小了检测盲区,兼顾检测速度的同时减小了电流谐波的失真度,降低了扰动对电能质量的影响。
[1] IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems [S].IEEE STD 929-2000,2000.
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