主动移频法在多机并联时防孤岛保护失效机理分析

姬丽雯， 戴晨松， 张 羽， 陈 磊， 刘 刚

(南京南瑞集团公司，江苏 南京 210006)



主动移频法在多机并联时防孤岛保护失效机理分析

姬丽雯， 戴晨松， 张 羽， 陈 磊， 刘 刚

(南京南瑞集团公司，江苏 南京 210006)

因为分布式发电系统的非计划孤岛会严重影响检修安全、损害电网设备等，因此，并网逆变器要求具备孤岛检测功能。主动移频(AFD)式孤岛检测法是常用的检测孤岛的方法，但是很多单机性能优异的主动移频防孤岛方法在多逆变器并联运行时孤岛检测性能变差甚至失效。采用相位原理和基于负载品质因数与谐振频率坐标系的盲区空间理论，分析多逆变器并联运行防孤岛保护失效机理，并通过仿真和实验验证理论分析的正确性，为多逆变器的孤岛检测设计和多机联合运行提供理论指导。

多机并联； 主动频移； 孤岛检测； 失效机理

0 引 言

随着新能源技术的不断发展，越来越多的可再生能源转换的电能通过并网逆变器传输到电网[1]。当电网因故发生中断，并网发电装置与负载构成自给自足的孤岛发电系统，将对分布式发电系统造成多种有害影响。因此,孤岛检测是并网逆变器必须具备的功能[2]。应用被动式孤岛检测法检测逆变器与电网间公共点处电压的异常现象(如过/欠压、过/欠频)，检测盲区较大，容易漏检[3]。主动频移(active frequency drift,AFD)法通过对逆变器输出电流频率进行干扰以实现孤岛检测，检测盲区小，应用广泛[4]。

目前逆变器孤岛检测研究主要针对单机并网时的检测算法与参数优化的研究[5]。随着大规模分布式发电系统的应用，多机并联系统孤岛检测技术的研究受到越来越多关注[6]。此外，现有的许多孤岛检测方法在单机并网条件下检测性能良好，而在多机并网条件下检测性能明显下降，甚至检测不出孤岛的发生或出现误跳闸[7]。本文应用孤岛检测相位原理和Qf×f0坐标系下的盲区空间理论深入分析了主动频移式孤岛检测方法在多机并联运行时相互影响及检测盲区变化规律，研究了多机情况下防孤岛保护失效的机理，以此为逆变器的孤岛检测设计与多机联合运行提供理论指导。

1 孤岛检测工作原理

AFD是逆变器通过向电网注入稍微有点失真的电流，以使得逆变器输出端电压的频率在断网后发生偏移，当频率偏移超过设定阈值，则孤岛状态被检测出来[8]。

图1给出了并网逆变器输出参考电流和公共点电压波形。当输出电流变为零时将保持一段时间tz直至下1/2个周期开始，逆变器输出电流频率略微高于电网电压频率。图中TVutil为电网电压的周期值，TTpv为逆变器输出电流给定的周期值。

图1 采用AFD法的电流波形Fig 1 Current waveform by AFD method

使用AFD孤岛检测法的逆变器输出电流相位角θAFD为

θAFD=ωtZ/2=πcf/2

(1)

逆变器输出电流表示为

iAFD=IAFDsin(ωt+θAFD)

(2)

当逆变器与电网分离后，uPCC的响应波形将跟随已失真的电流波形，频率比上一个周期略微增大。随着时间的推移频率持续向上偏移，直到超过设定的保护阈值，从而检测出孤岛。

带正反馈的AFD孤岛检测Sandia频移(Sandiafrequencyshift,SFS)是在AFD法的频率偏移量基础上引入正反馈增益加速公共点电压频率的偏离，从而缩小检测盲区。SFS的斩波系数可表示为

cfk=cfk-1+K(f-fg)

(3)

式中 cfk,cfk-1为第k和(k-1)个周期的斩波系数值， K为正反馈增益。

应用SFS法的逆变器输出电流iSFS及初相位为

(4)

(5)

滑模频率偏移(slip-mode frequency shift,SMS)法与SFS法都是通过引入正反馈来提高孤岛检测效率，不同之处在于SMS法是对逆变器输出电流的相位而不是频率进行扰动。应用SMS法的逆变器输出电流iSFS及初相位为

(6)

(7)

式中 fm为最大相位偏移θm发生时的频率。

基于Qf×f0坐标系的检测盲区可由孤岛检测相位判据得到下式

(8)

式中 θINV为逆变器输出电流的相位角，Qf为负载的品质因数。频率f处于孤岛检测标准设定的正常工作范围内孤岛将持续发生。式(2)带入式(9)即可得出基于负载品质因数Qf与谐振频率f0坐标系的AFD检测盲区图，如图2(a)所示。同理可得出SFS和SMS检测盲区图，如图2(b)、图2(c)所示。图中两同一线型的曲线所包含的区域为孤岛检测盲区。

图2 AFD法的检测盲区Fig 2 NDZ for AFD

2 多逆变器并联时孤岛检测失效研究

为研究多机并联情况下防孤岛保护失效的机理，分为5种情况进行讨论：1)同时使用AFD和SFS孤岛检测法；2)同时使用AFD和SMS孤岛检测法；3)同时使用SFS和SMS孤岛检测法；4)全部采用SFS孤岛方案；5)全部采用SMS孤岛方案。为了方便分析，以2台逆变器并联为例，进行分析。

2.1 两个逆变器分别使用AFD法和SFS法

不论本地负载的特性，AFD法使系统频率向单方向移动；而SFS法使系统频率在断网后既可向增加方向也可向减小方向移动，移动方向由本地负载的容、感特性决定。因此,多机并联系统中同时存在AFD与SFS法时产生的扰动作用会相互影响。假设采用AFD法的逆变器为本地负载提供比例为KAFDpu的有功功率。釆用上述两种孤岛检测方法的并网逆变器输出电流分别为

(9)

(10)

式中 等效逆变器输出电流的初相角θINV为

(11)

根据孤岛检测判据(9)式可得出分布式发电(distributed generation,DG)系统两台逆变器分别采用AFD法与SFS法时在Qf×f0坐标系中的检测盲区如图3所示。

图3 同时采用AFD法与SFS法的检测盲区Fig 3 NDZ for both AFD and SFS

图4参数Δf=0.5 Hz,cf0=0.02,K=0.07。由图看出，采用AFD法的并网逆变器为本地负载提供的有功功率的比例KAFDpu越大，检测盲区也就越大。当f0-fg>0，即f0>50时，系统所接本地负载为阻性或感性负载，此时AFD法与SMS法均有向上移频作用，因而两个逆变器产生的移频信号不会相互影响，在图4中表现为三种情况下盲区的上边界基本相同；当f0-fg<0时，本地负载呈容性，因负载电压滞后于负载电流，SMS法会顺应负载变化使公共点电压频率下移，但AFD法只能产生向上偏移的信号，两者作用相互抵消，使检测盲区增大。

若将SFS法改用SMS法，在与AFD联合使用时也会产生类似的情况。因为SMS法与SFS法的频率偏移方向都随负载的性质变化而变化。

2.2 两个逆变器分别使用SFS法和SMS法

两个逆变器分别使用SFS法和SMS法，设用SFS法的逆变器为负载提供比例为KSFSpu的有功功率，则釆用上述两种方法的逆变器输出电流分别为

(12)

(13)

式中 等效逆变器输出电流的初相角θINY为

(14)

由式(15)可知，min(θSFS,θSMS)<θINV

2.3 两个逆变器均使用SFS法

当两个逆变器均使用SFS法时，应用与2.2节相同的分析方法，得出等效逆变器电流初相角同样介于两台逆变器各自初相角之间，即

min(θSFS1,θSFS2)<θINV

(15)

因为两者的扰动方向相同，相互之间影响较小，并联情况下不会影响检测性能。但上述结论是在理想情况下得出的，没有考虑检测时会存在一定的传感器检测误差。本文考虑最恶劣的情况，即两台逆变器的传感器存在幅值相等、符号相反的检测误差。设两逆变器均用SFS孤岛检测法，两台逆变器各分担50 %的负载有功功率，逆变器输出电流为

(16)

(17)

则等效逆变器的电流为

(18)

则等效逆变器的移频相角为

(19)

若传感器检测误差造成Δf1=-Δf2，则

(20)

可见等效逆变器移频正反馈分量下降为0，逆变器相互影响较为严重，有孤岛检测失败的可能。

2.4 两个逆变器均使用SMS法

两个逆变器同时使用SMS法和同时使用SFS的分析过程相同，两台逆变器因扰动方向一致而维持正反馈移频作用，从而能够检测出孤岛。

当传感器存在等值异号的检测误差，相互影响最严重。设两台逆变器各分担50 %的负载有功功率，且两者的最大频移相角θm和最大频移相角对应的频率fm相同,则两台逆变器并联等效的输出电流为

(21)

当Δfe足够小，即Δfe≪f时，式(21)可近似为

(22)

则等效逆变器输出电流的相角为

(23)

其中最大频移相角

(24)

从式(25)可以看出频率检测误差会减小最大频移相角值，即减小了系统的频率偏移量，导致系统对孤岛的检测能力下降。但是，即使存在较大的频率检测误差(Δfe=0.5)，最大偏移角变化不大，即在多机并联系统中使用SMS频移法对孤岛检测的效果影响不大。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink环境中搭建多逆变器并联孤岛检测模型。逆变器输出经过电力电子变压器进行隔离与有效值为220 V的电网相连，频率保护动作阈值为(50±0.5)Hz。通过RLC并联电路模拟本地负载，其参数按Qf=2.5，f0=49.5 Hz进行设置，具体参数见表1。负载的谐振频率f0略小于电网频率，负载呈现容性。逆变器输出功率与本地负载吸收功率接近匹配。

表1 仿真参数设置

由图4可见:两台逆变器分别采用AFD法和SFS法，KAFDpu为0.5时，0.5 s左右逆变器输出端电压频率上移超过0.5 Hz，逆变器成功检测出孤岛。KAFDpu为0.8时逆变器输出端电压频率2 s时尚未达到阈值，根据国标GB/T19939—2005光伏系统要在2 s内检测出孤岛的技术要求，检测失败。图4说明AFD逆变器与AFDPF逆变器并联时，在容性负载下，两者的扰动作用在一定程度上会相互抵消，且随着AFD逆变器输出电流在总输出电流中比重增大，孤岛检测效果越差。

图4 两台逆变器采用AFD与SFS法的频率偏移Fig 4 Frequency shift of two inverters use AFD and SFS methods

图5(a)是两台逆变器采用SFS法没有传感器检测误差时的孤岛检测情况。由图5(a)可知，0.4 s左右逆变器输出端电压频率上移达到设定阈值，成功检测出孤岛现象。图5(b)是两台逆变器采用SFS法传感器检测误差为±0.5 Hz时的孤岛检测情况。

图5 两台逆变器均用SFS法波形图Fig 5 Waveform of two inverters use SFS method

在传感器检测误差等值异号时，会使两逆变器的频率扰动信号互相抵消而失去正反馈扰动特性。由图可知，由于传感器检测误差造成了两个逆变器产生的扰动相互影响，频率偏移缓慢，2 s时尚未达到阈值，检测失败。

4 实验分析

为了更好验证理论分析，构建2台参数相同的三相并网逆变器进行实验。其中并网控制和孤岛检测算法通过DSP28335实现，通信SCI接口与上位机相连，将检测结果传输到上位机中，通过液晶显示器查看线路状态、孤岛信息和装置动作信息。

图6为应用SMS孤岛检测法的两台逆变器输出三相电压波形图，及电网被切断后1 s内的局部放大波形。图6(a)是两台逆变器采用SMS法没有传感器检测误差时的孤岛检测情况。0.2 s时产生孤岛，电网电流完全为0，0.35 s时检测出孤岛，并将并网逆变器切离电路，两台逆变器电流降为0。图6(b)是两台逆变器采用SFS法传感器检测误差为±0.5 Hz时的孤岛检测情况。图6(b)与图6(a)相比较可以看出频率检测误差的存在会使检测时间变长，影响孤岛检测性能，但系统仍然可以在1s内成功检测出孤岛，对孤岛检测的效果影响不大，与理论分析一致。

图6 两台逆变器均用SMS法实验波形Fig 6 Experimental waveforms of two inverters use SMS method

5 结 论

主动频移法通过频率扰动，使系统欠频或者过频从而检测出孤岛状态。多机并联运行时，各逆变器产生的频率扰动可能存在相互影响，从而导致并联系统的孤岛检测性能变差。本文分析了主动频移法在多机运行时的各种情况，得出防孤岛失效的机理：

1)当多机采用AFD法和SFS(或SMS)法，本地负载为容性时，频率的偏移方向刚好相反，有检测失效的风险。

2)当多机均用SFS孤岛检测法，存在频率检测误差时，等效逆变器移频相角中正反馈分量下降为0，多机相互影响较为严重，有孤岛检测失败的可能。

[1] 丁 明,王 敏.分布式发电技术[J].电力自动化设备,2004,24(7):31-36.

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[7] 刘芙蓉,康 勇,段善旭,等.一种有效的孤岛检测盲区描述方法[J].电工技术学报,2007,22(10):167-172.

[8] 杜 炜,徐高晶,徐 韬.频移法在逆变器并联工作时的孤岛检测分析[J].电力电子技术,2012,46(8):9-12.

Analysis of failure mechanism of active frequency drift method anti-islanding protection in multimachine parallel connection

JI Li-wen, DAI Chen-song, ZHANG Yu, CHEN Lei, LIU Gang

(NARI Group Corporation,Nanjing 210006,China)

Because unplanned islanding of distributed generation system seriously affect the maintenance security,damage network equipment and have other damages,therefore grid-connected inverter requires islanding detection.Active frequency drift(AFD) islanding detection method is commonly used for detecting island,but many anti-islanding active frequency shift methods active in single inverter while deteriorate or even fail in a multiple inverter parallel system.Based on resonant frequency coordinate and non-detection zones(NDZ) theory of load quality-factor,failure mechanisms are analyzed under multi-parallel system.Simulation and experimental results are presented to validate the correctness of theoretical analysis,provide theoretical guidance for multi-inverter islanding detection design and multi-machine parallel operation.

multi-machine parallel connection; active frequency drift(AFD); islanding detection; failure me-chanism

2015—11—18

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0024—04

TM 615； TM 464

A

1000—9787(2016)10—0024—04

姬丽雯(1989-)，女，山东曲阜人，硕士研究生，主要研究方向为光伏发电并网研究。