光伏系統(tǒng)并網(wǎng)中的孤島檢測策略

光伏系統(tǒng)并網(wǎng)中的孤島檢測策略

1技術(shù)方面的研究在波形電源的孤立檢測中，簡單的被動檢測方法容易丟失。因此，通常采用主動和被動相結(jié)合的方法。另一方面，它可以主動干擾輸出源。另一方面，它隨時檢測公共點(diǎn)的電壓、頻率和波形的變化，評估供電的存在與否?；ｎl率偏移法（Slip-ModeFrequencyShift,SMS）是一種主動式孤島檢測方法。它控制逆變器的輸出電流，使其與公共點(diǎn)電壓間存在一定的相位差，以期在電網(wǎng)失壓后公共點(diǎn)的頻率偏離正常范圍而判別孤島。SMS孤島檢測方法的實(shí)質(zhì)是通過移相達(dá)到移頻，與主動頻率偏移法（AFD）一樣有實(shí)現(xiàn)簡單、無需額外硬件、孤島檢測可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，也有類似的弱點(diǎn)，即隨著負(fù)載品質(zhì)因數(shù)增加，孤島檢測失敗的可能性變大。因此，有必要討論算法參數(shù)與檢測盲區(qū)間的關(guān)系，使孤島檢測性能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。國際上公開資料中對SMS的研究主要集中在SMS孤島檢測的機(jī)理和主動移相算法的改進(jìn)等方面，缺少對算法參數(shù)與檢測盲區(qū)間關(guān)系的定量揭示，特別是沒有針對孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品測試標(biāo)準(zhǔn)的要求來討論算法參數(shù)的選取和優(yōu)化，只是泛泛地針對理論上可能出現(xiàn)的盲區(qū)提出了改進(jìn)方案，缺少定量的研究，影響了該方法的實(shí)際應(yīng)用。國內(nèi)在光伏系統(tǒng)的應(yīng)用方面起步較晚，在孤島檢測方面，大多研究都集中在主動移頻算法上，對主動移相算法的研究較少。本文將討論單PV并網(wǎng)工作時電網(wǎng)失壓后公共點(diǎn)頻率的變化軌跡，通過盲區(qū)映射，找出算法參數(shù)與檢測盲區(qū)間的關(guān)系，并針對我國電網(wǎng)情況，尋找合適的參數(shù)配置，使滑模頻率偏移法的孤島檢測性能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用上的“無孤島”光伏并網(wǎng)運(yùn)行。2電流控制的等效模型以光伏逆變器輸出單位功率因數(shù)的情況為例（如圖1所示）：不加SMS算法時，逆變器輸出電流與公共點(diǎn)電壓vPCC同頻同相；加入SMS孤島檢測算法后，逆變器輸出電流的頻率不變，但相位發(fā)生偏移，偏移大小由SMS算法決定。逆變器的電流給定是這樣確定的：由鎖相環(huán)（PLL）檢測電壓vPCC的過零上升沿間隔時間，得到公共點(diǎn)（PCC）頻率，作為下一周期光伏逆變器輸出電流給定ip*v的頻率；下一周期ip*v的起始時刻由公共點(diǎn)電壓的過零上升沿確定，起始相位θSMS由SMS算法計算得出，通常取式中，θm為滑動頻率偏移算法的最大相移；fm為產(chǎn)生最大相移時對應(yīng)的頻率；fg為電網(wǎng)頻率；f為公共點(diǎn)頻率。逆變器電流控制的等效模型如圖2所示，由圖可知，電流ipv與電壓vPCC的相位差受SMS算法和RLC負(fù)載相位角的影響，當(dāng)θSMS+∠G(jω)>0時，PLL檢測到的電壓周期將變短，導(dǎo)致下一周期電流給定頻率增大；當(dāng)θSMS+∠G(jω)<0時，PLL檢測到的電壓周期將變長，會降低下一周期給定電流的頻率。因此，要使電網(wǎng)斷開后公共點(diǎn)頻率持續(xù)單向變化，必須滿足如果上述關(guān)系成立，公共點(diǎn)電壓相位就會始終超前（落后）于電流相位，使得頻率被單向推高（或降低），最后超出正常范圍，判別出孤島。3斷網(wǎng)絡(luò)后，頻率走廊的特性由于測試時采用RLC并聯(lián)諧振負(fù)載，上式中的兩個量都受頻率影響，下面分析它們的頻率特性。3.1頻率對負(fù)載相位角的影響以諧振頻率為50Hz的RLC并聯(lián)諧振負(fù)載為例，圖3中曲線2、4為負(fù)載相位角∠G(jω)的頻率響應(yīng)曲線，由圖可知：當(dāng)頻率等于50Hz時，∠G(jω)為0；頻率大于50Hz時，∠G(jω)隨著頻率增大變負(fù)，且角度逐漸增大；當(dāng)頻率小于50Hz時，負(fù)載相位角超前，且隨著頻率減小，∠G(jω)超前增大。對不同品質(zhì)因數(shù)的RLC并聯(lián)負(fù)載，其頻率響應(yīng)趨勢相同，且負(fù)載品質(zhì)因數(shù)越大，相同頻率下的∠G(jω)的數(shù)值越大。3.2隨著頻率的推移，sms-gj會發(fā)生變化按本地負(fù)載的類型討論θSMS+∠G(jω)與頻率間的關(guān)系。3.2.1．曲線下系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)θSMS+∠G(jω)隨頻率變化情況如圖3中曲線3和5所示。當(dāng)曲線在水平零線上方時，θSMS+∠G(jω)>0,PLL使頻率增加；當(dāng)曲線在水平零線下方時，θSMS+∠G(jω)<0,PLL使頻率減少；在曲線與水平零線的交點(diǎn)上，θSMS+∠G(jω)=0，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，頻率不再變化。比較曲線3、5可知，負(fù)載品質(zhì)因數(shù)越大，θSMS+∠G(jω)與水平零線的交點(diǎn)離50Hz越近，即穩(wěn)態(tài)頻率離電網(wǎng)頻率越接近，孤島檢測失敗的可能性越大。3.2.2電網(wǎng)失壓后公共點(diǎn)頻率變化如果并網(wǎng)運(yùn)行時本地負(fù)載呈感性，則電壓超前于電流，PLL有使頻率加快的趨勢，只是受到電網(wǎng)電壓的鉗制，公共點(diǎn)頻率不會發(fā)生變化。一旦電網(wǎng)失壓，則公共點(diǎn)頻率將增加，直到θSMS+∠G(jω)為零為止。公共點(diǎn)頻率的變化軌跡如圖4所示，曲線與水平零線的交點(diǎn)為電網(wǎng)失壓后逆變器的穩(wěn)定工作點(diǎn)。比較曲線3、5可知，感性負(fù)載斷網(wǎng)后的穩(wěn)態(tài)頻率將大于同條件下阻性負(fù)載在電網(wǎng)失壓后的穩(wěn)態(tài)頻率。3.2.3容性負(fù)載下電網(wǎng)失壓后工作點(diǎn)的表現(xiàn)如果并網(wǎng)運(yùn)行時本地負(fù)載呈容性，則負(fù)載電壓滯后于電流，PLL有使頻率降低的趨勢，直至θSMS+∠G(jω)等于零。圖5為容性負(fù)載下電網(wǎng)失壓后工作點(diǎn)漂移的情況，工作點(diǎn)將沿圖中箭頭方向左移直至與橫軸零線相交。比較曲線3、曲線5可知，與同類阻性諧振負(fù)載相比，容性負(fù)載在電網(wǎng)失壓后公共點(diǎn)頻率將被推至更低才會達(dá)到穩(wěn)態(tài)。4孤島檢測結(jié)果分析電網(wǎng)失壓后達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，穩(wěn)定工作點(diǎn)滿足θSMS+∠G(jω)=0，即對下文要用到的幾個參數(shù)定義如下：式中，ω0為電網(wǎng)角頻率。將上面幾個參數(shù)代入式（1），整理得由圖5知若ΔCnorm>0，則斷網(wǎng)后頻率減小，如果新穩(wěn)態(tài)時頻率偏移量大于0.5Hz，則孤島能被識別，否則孤島檢測失敗。ΔCnorm越大，穩(wěn)態(tài)頻率偏移越多，將Δf=-0.5Hz代入式（2），得到檢測盲區(qū)的上限ΔC+norm類似地得到檢測盲區(qū)的下限ΔC-norm。盲區(qū)的上下限圍繞區(qū)域即為整個檢測盲區(qū)，如圖6所示。5孤島檢測工藝參數(shù)的調(diào)整國外文獻(xiàn)中SMS算法采用，如果照搬到我國，由于電網(wǎng)參數(shù)和光伏并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同，原參數(shù)可能并不適用。對照圖6知，算法的檢測盲區(qū)為曲線2包圍的范圍，它將Qf=2.5、ΔCnorm=0的點(diǎn)包含其中，即對測試要求的品質(zhì)因數(shù)為2.5的標(biāo)準(zhǔn)諧振負(fù)載，采用是可能檢測失敗的，由此，移植到我國時SMS算法參數(shù)應(yīng)重新整定。由圖6可看出SMS算法參數(shù)的改變會直接影響孤島檢測的性能：增大最大相移θm的取值，可以增強(qiáng)SMS的孤島檢測能力，減小SMS的檢測盲區(qū)；改變θSMS中最大相移發(fā)生時對應(yīng)的頻率值fm，也會改變孤島檢測的盲區(qū)。不同的算法參數(shù)產(chǎn)生的移相角大小不同，同頻率下移相角越大，該算法的檢測盲區(qū)越小，但對電網(wǎng)的潛在不良影響增大。在保證孤島檢測盲區(qū)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，應(yīng)盡量使算法參數(shù)引入的移相角較小。考慮到國標(biāo)中頻率允許偏移范圍為±0.5Hz，可取，這樣對應(yīng)的檢測盲區(qū)為圖6中曲線3，它顯示對Q≤2.5的負(fù)載沒有檢測盲區(qū)，滿足孤島檢測的工程測試要求，且移相角相對較小。6確定模糊表達(dá)負(fù)載本文用Matlab/Simulink對3kW并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測性能進(jìn)行了仿真，仿真中逆變器采用恒電流控制模式，逆變器輸出的電能通過LC濾波后送給負(fù)載和電網(wǎng)。負(fù)載采用與逆變器輸出有功、無功相平衡的RLC并聯(lián)諧振負(fù)載，電網(wǎng)在0.06s后自動斷開，仿真監(jiān)視電網(wǎng)斷開后的PV輸出的電壓、電流、及頻率變化情況。仿真中電網(wǎng)電壓為220V(RMS)，電網(wǎng)頻率50Hzㄢ圖7、圖8為采用品質(zhì)因數(shù)為2.5的標(biāo)準(zhǔn)諧振負(fù)載進(jìn)行孤島檢測時的仿真波形。圖7使用的檢測算法為,仿真顯示失壓后公共點(diǎn)電壓頻率僅稍作偏移(至49.9Hz)即達(dá)到穩(wěn)態(tài),孤島狀況不能有效檢出,驗(yàn)證了國外文獻(xiàn)中的算法在中國電網(wǎng)環(huán)境下不能滿足孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)的要求,孤島檢測算法參數(shù)必須重新整定。圖8采用的算法為,仿真顯示斷網(wǎng)后公共點(diǎn)頻率逐漸減小,最終被推至頻率下限而能成功檢出孤島。為進(jìn)一步驗(yàn)證盲區(qū)分布圖在指導(dǎo)孤島檢測方面的可靠性，作者利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有臺架進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。該臺架由不控整流橋產(chǎn)生直流電壓，模擬光伏系統(tǒng)的直流側(cè)；并網(wǎng)逆變器為單相半橋結(jié)構(gòu)，逆變器輸出端通過變壓器接入電網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)中RLC負(fù)載參數(shù)配置實(shí)現(xiàn)起來較繁瑣,筆者利用現(xiàn)有電阻、電感、電容資源,經(jīng)并聯(lián)組成品質(zhì)因數(shù)約為2.0的RLC諧振負(fù)載,并通過調(diào)節(jié)負(fù)載電感改變負(fù)載諧振頻率,使諧振頻率等于電網(wǎng)頻率,從而在單位功率因數(shù)下的逆變器輸出無功與負(fù)載消耗的無功相等,實(shí)現(xiàn)無功平衡,隨后,調(diào)節(jié)并網(wǎng)變壓器的逆變器側(cè)電壓,使其等于并網(wǎng)前負(fù)載兩端的電壓,實(shí)現(xiàn)逆變器輸出有功與負(fù)載消耗有功功率間的平衡,在功率平衡下進(jìn)行并網(wǎng)孤島檢測實(shí)驗(yàn)。并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證圖6盲區(qū)分布圖的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9和圖10,由圖可知,SMS算法取時,裝置能在1.2s內(nèi)順利檢出孤島并封鎖功率管,但采用算