光伏并网逆变器一个有效的反孤岛解决方案

反孤岛解决方案1. 孤岛效应所谓孤岛效应，是指当电力公司因故障或停电维修而停止供电时，用户端的并网逆变器系统仍处于工作状态，使得并网逆变器和周围的负载形成了电力公司无法控制的自供电网络。光伏并网发电系统处于孤岛运行状态时会产生严重的后果（ 1） 电网无法控制孤岛中的电压和频率， 若电压和频率超出允许的范围， 可能对用户的设备造成的损坏；（ 2） 若负载容量大于光伏发电系统的容量， 光伏发电系统过载运行， 易被烧毁；（ 3） 与光伏发电系统连接的电路仍会带电， 对检修人员造成危险， 降低电网的安全性；（ 4） 对孤岛进行重合闸操作时会导致该线路再次跳闸， 还有可能损坏光伏发电系统和其他设备。因此，光伏并网逆变器具有孤岛检测和反孤岛的功能是很有必要的。2. 孤岛检测检测孤岛效应的方法有很多种，主要分为两种被动检测和主动检测。被动检测就是光伏并网逆变器检测与电网连接处的电网电压或频率的异常来检测孤岛效应。主动检测是有意的引入一些扰动信号，来监控系统中的电压、频率和阻抗的相应变化，以确定电网的存在与否。比较被动检测和主动检测的区别，被动检测的软件实现比较简单，但是检测范围有限，无法满足并网发电系统反孤岛保护安全标准的要求，因此我们选择用主动检测的方法；而主动检测可以使孤岛检测的盲区尽可能的小，孤岛检测比较有效，但是软件实现比较复杂，并且会使并网发电系统的发电效率有所降低。国际上对反孤岛检测方案和响应时间没有明确的规定， IEEE Std.929[2] 和IEEE Std.1547[3] 根据孤岛效应发生时的具体情况推荐了不同的孤岛效应检测时间。表 1 为 IEEE Std.1547[3] 允许的孤岛效应检测时间。表 1 IEEE Std.1547[3] 允许的孤岛效应检测时间状态 电网跳闸后电压幅值 电网跳闸后电网频率 允许的检测时间（ s）1 0.5 nV nf 0.16 2 0.5 nV nf 0.5Hz 0.16 注 nV 指电网电压的额定值。对于中国的单相市电， nV 为 220～（有效值）；nf 指电网电压的频率值。对于中国的单相市电， nf 为 50Hz。经研究讨论，根据逆变器的控制策略，我们选择了两种的孤岛检测的方法，滑膜频率偏移法（ slip-mode frequency shift, SMS ）和主动电流扰动法。3. 滑膜频率偏移法并网光伏逆变器采用电流控制并网，即控制逆变器的输出电流，使其成为与电网同频的正弦波，而对输出电压却不直接控制，输出电压或受电网钳制（并网工作时），或取决于输出电流和负载（孤岛运行时）。滑膜频率偏移法在逆变器电流控制的基础上，通过控制逆变器输出电流的相位控制，使公共点频率在电网失压后偏离额定值而检测出孤岛。3.1 滑膜频率偏移法的工作原理在不加 SMS算法时，逆变器输出电流和公共点电压 PCCv 同频相加；加入 SMS孤岛检测算法后，逆变器电流给定的频率不变，但相位发生偏移（大小由 SMS算法决定），如图 1 所示。逆变器的电流控制为由锁相环（ PLL）检测公共点电压上升沿时间， 得到公共点 （ PCC） 电压频率， 作为下一个周期光伏并网逆变器输出电流的频率；下一个周期电流的起始时刻为公共点电压过零上升时刻，其初始相位由 SMS算法决定，通常取2singmgmsmsffff其中 m 为滑膜频率偏移算法期望的最大偏移， mf 为产生最大相移时对应的频率， gf 为电网额定频率， f 为公共点频率。图 1 滑膜频率偏移法孤岛检测方法示意图由逆变器电流控制系统等效模型（参见图 2）可知，电流 PVi 和电压 PCCv 的相位差受 SMS算法和 RLC负载相位角∠ Gj ω 的影响，当 sms ∠ Gj ω 0 时， PLL“看到” 电流滞后于电压， 会增加给定电流的频率； 当 sms ∠ Gj ω 0 ， f ≥ gf 时；sms ∠ Gj ω 0 ， f ≤ gf 时。如果上述关系成立，在电网断电后，公共点的电压的相位就会始终超前（或滞后）于电流相位，在锁相坏的作用在频率逐渐推高（或降低） ，最后超出正常范围，检测出孤岛。PLLSMSPV系统电流控制G（ s）RLC负载ti PV tva图 2 PV 系统等效模型需要说明的是在孤岛运行时，由于只控制电流输出，电压与电流的位置主要受负载的类型所影响，主要分为容性负载和感性负载。感性负载的特性是电压的相位超前电流，并且总有超前电流的趋势。图 3 感性负载电压 /电流相位图容性负载的特性是电压的相位滞后电流，并且总有滞后电流的趋势。图 4 容性负载电压 /电流相位图滑动频率偏移法是根据负载的类型，计算相位角 ∠ Gj ω 与滑动频率偏移角sms 人为的造成电流相位一个微小的偏移。在并网时，由于电网频率钳制电压波形，导致电压相位不会受到电流相位的影响；在孤岛发生时，电流相位的微小偏移会在电压波形的超前 / 滞后 的特 / 增大，而电流频率又反过来受到电压频率影响， 电流频率不断减小 / 增大， 与额定值的偏移量就会不断增大，因而由 SMS算法得出的每个周期所施加的偏移相位也不断增大，进而再导致频率偏离额定值越来越大，直至超过限定值，从而快速检测出孤岛。但是，我们可以发现，如果 sms ∠ Gj ω 0 时，即 SMS算法得到的相位偏移量为 0，当出现这种情况时，就可能会出现孤岛无法被检测出的情况，即所谓的孤岛检测的盲区，这个盲区是无法的被消除的，只能尽可能去减小盲区，使上面的情况出现的可能性尽量小。从各方面的资料文献上，我们了解到 m 取 5时，能使这个盲区比较小。我们取 m 为 5，对应的弧度值约为 0.0873 ； gf 取电网频率 50.0Hz； mf 取49.5Hz， 也就是当频率偏移至 49.5Hz 时认为孤岛出现。 当前电压频率通过锁相环得到，代入公式后为505.49502sin5 fsms 。化简后，得到最终公式50sin5 fsms （。根据计算出的相位差代入程序中电流相位的补偿项 AngleIref， 得到了新的电流相位补偿项。模拟出的结果如下图所示。图 5 孤岛出现时频率的变化3.2 滑膜频率偏移法的程序流程根据上一节的分析，我们就可以将滑膜频率偏移法编入到程序中，作为电流控制的一部分， 每个周期都对电流施加相位偏移， 当孤岛发生时， 能够快速的检测出。图 6 为程序实现框图，图 7 为程序运行流程图。运行计算 θ sms 5 sinf-f0/fm-f0电压 /电流过零点检测判断负载类型 超前 /滞后计算 Gj ω 计算 θ sms AngleIref θ sms Gj ω 上升沿计数频率是否超限判断孤岛，断开YesNo是否一次判断负载状态θ sms 是否一次计算图 6 程序实现框图周期开始Unitary - 标幺化是否判断出负载类型YesNo锁相成功Yes当前电流为正Yes电流相位超前电压电压相位超前电流No容性计数器自加感性计数器自加确定负载类型Yes电压是否过 0No计数器超过 5计算电压与电流的相位差Gj ω 计算 θ smsAngleIref θ sms Gj ω 图 7 程序运行流程图4. 主动电流干扰法4.1 主动电流干扰法工作原理X逆变器 ～PCC负载 ZPWM PI ～LigdvgvgivPCCv图 8 主动电流扰动法检测孤岛系统图主动电流扰动法检测孤岛系统如图 8 所示。并网逆变器工作在电流控制模式，在不添加电流扰动的情况下，控制逆变器输出电流跟随给定信号 gv （一般为电网信号或者与电网同频同相的正弦） ，此时Li gv在添加干扰信号时，电流的参考信号为正弦信号 gv 和干扰信号 giv 的差，则Li gdv gv - giv并网情况下，公共点 PCC的电压 PCCv 为电网电压，如果逆变器输出和负载消耗的功率相匹配，那么在不添加扰动情况下电网断电时， PCC点的电压不发生变化，会导致孤岛发生。而在添加电流扰动的情况下，电网断电时， PCC点的电压取决于逆变器输出电流和本地负载。PCCv Li Z gv - giv ZPCCv 在原来的基础上添加了 giv Z 的电压降，超出欠电压保护的阙值范围，即使在功率相匹配的情况下孤岛也可以检测出来。4.1 主动电流干扰法软软件实现开始NUM0检测公共点电压的频率超出频率限制采样 和超出电压限制NUMNUM1NUMnumAPCCv LikLi PCCvNUMnumBkLi PCCv NUM0孤岛发生，逆变器制止逆变YNYNYN图 9 主动电流扰动法检测孤岛的流程图主动电流扰动法检测孤岛流程如图 9 所示。 在这个方法中， 要主动给电流幅值施加偏移量，那这个偏移量只能是负的，即减小电流的幅值，因为如果增大电流幅值，就有可能使逆变器过载。另外，施加的偏移量不能过小，如果过小就有可能电压幅值变化也不够大，没有超出电压的限制，导致检测孤岛失败，所以施加的偏移为给定值的 50是合理的。主动施加的偏移量比较大，导致逆变器的输出效率会有明显降低，因此不能每个周期都施加电流偏移量，要根据反孤岛检测时间和逆变器的输出效率综合考虑，来确定主动扰动的频率。我们设定每隔 20 个周期施加 2 个周期的电流扰动， numA20， numB-numA2，即 numB22。使用 NUM计数周期， NUM初始值为 0。首先检测公共点电压的频率，如超出限制，则判为孤岛，逆变器停止；若频率检测正常，采样公共点电压和电流，若电压超过限制，则判为孤岛；若电压检测正常， NUM计数加一，然后和 numA比较，若小于 numA，即计数周期还未计满 20 次，不施加电流扰动，给定正常电流，然后重新开始循环检测；若大于 numA，则表示计数周期已有 20次， 接下来两个周期要施加电流扰动， 即 NUM计数到第 20， 21 周期时为施加扰动周期， 和 numB（ numB22）比较 ，小于 numB时，给电流施加扰动，我们给定电流的偏移量为 50，然后开始下一次循环，若计数到了 22，即表示电流施加扰动结束， NUM清零，开始下一轮的施加电流扰动的大循环。从以上分析，主动电流扰动法软件实现不算复杂，单台运行时没有检测盲区，施加的电流扰动不产生谐波，不会污染电网，但是也有几个不足。首先，施加电流扰动时会明显逆变器的输出效率，减小了发电量；另外，每隔 N 个周期给电流施加扰动，当发生孤岛是，检测出孤岛的时间可能会大于 0.02 N（ s） ，如果 N 取过大时，检测出孤岛的时间就比较长，如果 N 去过小，则对逆变器的输出效率有比较大的影响。