光伏并网逆变器的孤岛检测技术

收稿日期 2009 -02-28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 ; E-mail ykangm ail . hust . edu. cn第 24卷第 1期2009年 3 月电 力 科 学 与 技 术 学 报JOURNA LO FE I E CTR I CP OWE RS C IE NC EA N DT E CHN OLOGYVol. 24 No. 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 TM 615 文献标识码 A 文章编号 1673- 9140 2009 01-0008-04I nvestigationo f islanding detections tr ategiesf or PVg r id-connected conver ter sLI UF ang-rui, KANGY ong, ZHANGY u College of E lectr ical andE l ectr onicE ngineering, H uazhong University of Science andT echnology, Wuhan 430074, ChinaA bstr act Islanding detection is an essential function for most grid-connectedc onverters, especially PVgrid-connected converters. The passive islanding detecti on methods have large none detection zone. Theactive islanding detections trategies are proposed to improve the detection ability. H owever, they intro-duce perturbations in the converters output, contributing to poor power quality. This paper analyzes theworking princi ple andp arameters selection rules for frequency shi ft and phase shift i slanding detectiontechniques. The algorisms optimization and the multi-converter operation performance are also investiga-ted. It provi des basic islanding detecti on gui dance for PVg rid-connected converters.K ey words PV; grid-connected converter; islanding detecti on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 .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系统所无法控制的自给供电孤岛 [ 1 ] . 该现象的发生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 .1 孤岛检测概述IEEES td. 2000 - 929[ 1] 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 . 光 伏 系 统 并 网技 术 要 求 GB /T 19939 - 2005 [ 2] 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 [ 3] ,主要作用方式是 1 检 测 电 网 断 电 前 后 系 统 阻 抗 的 异 常 变化 [ 3, 5] ;2 将 系 统 的 频 率 或 电 压 拉 出 正 常 工 作 范围 [ 3, 6 ～ 12] .前面一种方式被称为阻抗检测法 ,虽然检测效果较理想 ,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 .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] active frequencydrift, AFD和带正反馈的主动移频法 [ 3, 6, 10] activefrequency drift with positive feedback, 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 .图 1 公共点电压 Vpcc 与逆变器电流 i i1 为基波 Figure 1 V oltage of PCCa nd inverter output currentAFDPF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 [ 3, 6] 可表示为cf c f0 k f - fg . 1式中 c f0 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9第 24卷第 1期 刘方锐 , 等 光伏并网逆变器的孤岛检测技术 入的相角与逆变器电流 忽略谐波分量 分别为θ AFDPF ω tz2 πc f2 cf0 k f - fg 2 π. 2iAF DPF I AFDPF si n ω t θ A FD PF . 3AFDPF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 [ 3 ] Slip-modef re-quency shi ft, SMS 与自动移相法 auto phase shift,APS [ 3, 11] . 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]i SMS I SM Ssin 2πf t θ SMS . 4引入的电流相位扰动量为θ SM S 2π360θ m si n π2 f - fgfm - fg . 5式中 θ m 为最大相角偏移 单位为 ; 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 IM-SMS 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 .θ IM- SM S n f - fg F f - fg θ 0 . 6式中 n 为反馈增益 ; θ 0 为常数 .当 f - fg ≥ 0时 , F f- 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RLC负载的电流超前电压的相角为 [ 10, 12]θ load t an- 1 R ω C- 1ω L tan- 1 Qfff0- f0f . 7式中 f 0 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 50 Hz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负载的相角增加得更快 [ 10, 12] .从而在 f f0 fg 时 ,满足 dθ l oa ddf f f 0 ≤dθ Adf f fg. 8式中 θ A 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 IM-SMS逆变器的工作过程 .图 4 为 1台 AFDPF逆变器和 1台 IM-SMS逆变器的工作过程 . 本地负载的谐振频率为 50 H z,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 IM-SMS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 .10 电 力 科 学 与 技 术 学 报 2009 年 3月图 2 两 AFDPF逆变器并联时的孤岛检测过程Fi gure 2 I slanding detecti on processof two AFDPFc onverters图 3 两 IM-SMS逆变器并联时的 孤岛检测过程Fi gure 3 I slanding detecti on processof t wo IM-SMSc onverters图 4 A FDPF 逆变器与 IM-SMS逆变器并联时的孤岛 检测过程Fi gure 4 I sl anding detecti on process of one AFDPFconverter and one I M-SMS convert er3 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 [ 1] I EEES td 929 - 2000, IE EEr ecommendedp ractice for utility i nter-face of photovoltaic PVs ystem[ S] .[ 2] GB /T 19939 - 2005, 光伏系统并网技术要求 [ S].[ 3] WardB OWER, Mi chaelR OPP. Eval uationo f islandingd etectionmethods for photovol taicu ti lity-i nt eracti ve power systems[ R ] . Par-isI EA -PV PS, 2002.[ 4] 程明 , 张建忠 , 赵俊杰 . 分布式发电系统逆变器侧孤岛检测方法及非检测区描 述 [ J]. 电力 科学 与技 术学 报 , 2008, 23 4 44-52.CHE NGM ing, Z HA N GJ i an -z hong, ZHA OJ un -j i e.A nti - i s-landi ngd etect iono f powerc onverterb asedd istributedg enerationsystems andm apping methodo f non -d etecti onz ones [ J]. Journalof El ectric Power and Technol ogy, 2008, 23 4 44-52.[ 5] B laabjerg F, ChenZ , Kj aer SB . P ower electronics as efficient in-terface i nd isper sedp ower generations ystems[ J] .I EEET ransac-tions on Power Electronics, 2004, 19 5 1 184-1 194.[ 6] Ropp M E , B egovicM , Rohatgi A.A nal ysisa ndp er for mancea s-sessment of the acti ve frequency drift methodo f i slandi ng prevention[ J] .I EEE Transacti onso nE nergyC onversion, 1999, 14 3 810- 816.[ 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.LI UF u -rong, KANG Y ong, DUA NS han-xu, et al.An ovel methodfor mapping non-detection zone [ J] . Transactions of Chi naE lectr o-technical Soci ety, 2007, 22 10 167 -172.[ 8] 郭小 强 ,赵 清 林 ,邬 伟 扬 . 光 伏并 网 发电 系 统 孤岛 检 测技 术[ J] . 电工技术学报 , 2007, 22 4 157-162.GUOX iao-qiang, ZH AOQ i ng- lin, WUWe i-yang. An ovel methodfor mapping non-detection zone [ J] . Transactions of Chi naE lectr o-technical Soci ety, 2007, 22 4 157-162.[ 9] 张纯江 , 郭忠南 , 孟慧英 , 等 . 主动电 流扰动法 在并网发 电系统孤岛检测中的应用 [ J]. 电工技术学报 , 2007, 22 7 176-180.ZH A NGC hun-ji ang, GUOZ hong-nan, MENGH ui- ying, et al . A c-tive current di sturbingm ethodf or islandi ngd etectiono f gr id-con-nectedi nverters [ J] . Transactionsof China Electrotechnical Soci e-ty, 2007, 22 7 176- 180.[ 10] Lopes LAC , Sun H .P erformance assessment of acti ve frequencydri fting islandi ngd et ecti onm ethods[ J] .I EEE Transactionso nE nergy Conversi on, 2006, 21 1 171-180.[ 11] Hung G, ChangC , ChenC . Automati c phase-shi ft methodf or i s-l andingd etecti on ofg rid- connectedp hotovoltai ci nverters[ J] .IEEET ransacti onso nE nergyC onversion , 2003, 18 1 169-173 .[ 12] RoppM E , Begoviv M, Rohatgi A . Determi ning the rel ative effec-tiveness of i slandi ngd etectionm ethodsu si ngp hasec riteriaa ndnon-detecti onz ones[ J] .I EE ET ransactionso nE nergyC onver-sion, 2000, 15 3 290-296.11第 24卷第 1期 刘方锐 , 等 光伏并网逆变器的孤岛检测技术