光伏并网逆变器的间歇性频率扰动正反馈孤岛检测方法

第 33 卷 第 11 期 电 网 技 术 Vol. 33 No. 11 2009 年 6 月 Power System Technology Jun. 2009 文章编号 1000-3673（ 2009） 11-0083-04 中图分类号 TM91 文献标志码 A 学科代码 480 7099 光伏并网逆变器的间歇性频率扰动正反馈孤岛检测方法伞国成，赵清林，郭小强，王怀宝，邬伟扬（电力电子节能与传动控制河北省重点实验室 燕山大学电气工程学院 ，河北省 秦皇岛市 066004 ）Islanding Detection for Photovoltaic Grid-Connected Inverters Based on Intermittent Frequency Disturbance SAN Guo-cheng ， ZHAO Qing-lin ， GUO Xiao-qiang ， WANG Huai-bao ， WU Wei-yang （ Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province Institute of Electrical Engineering ， Yanshan University ， Qinhuangdao 066004， Hebei Province ， China）ABSTRACT Traditional passive islanding detection methods have a defect of non-detection zone NDZ. Although this defect can be reduced or eliminated by active islanding detection methods, however, active methods often have negative effect on power quality. In order to eliminate NDZ and alleviate its impact on power quality as possible, a positive feedback islanding detection method based on intermittent frequency disturbance is proposed, that is, every other one second a tiny frequency disturbance whose lasting time equals to one period of power frequency is led in to break down probable power balance under islanding state. Due to long interval time and short duration of this tiny frequency disturbance, its impact on power quality is slight. According to the worst condition given by IEEE Std. 929-2000, simulative research on islanding test is performed and simulation results show that the proposed method possesses such advantages as fast response, no NDZ and slight impact on power quality. KEY WORDS photovoltaic grid-connected inverters ；islanding detection； non-detection zone； frequency disturbance 摘要 传统无源孤岛检测方法存在检测盲区， 有源孤岛检测方法虽然可以减小或消除检测盲区， 但在一定程度上会影响电能质量。 为了消除检测盲区并最大程度地减小其对电能质量的影响， 文章提出了一种间歇性频率扰动正反馈孤岛检测方法。该方法每隔 1s 引入持续 1 个工频周期的微小频率扰动用于打破孤岛后可能发生的功率平衡状态。 由于该扰动间隔时间长，持续时间短，因此对电能质量影响极小。根据IEEE Std.929-2000 规定的最差情况进行孤岛测试仿真研究，仿真结果表明， 文中的方法具有响应快速、 无检测盲区、 对电能质量影响极小等优点。关键词 光伏并网逆变器；孤岛检测；检测盲区；频率扰动0 引言孤岛检测是光伏并网逆变器 grid-connected inverters， GCI 的基本功能之一。 孤岛是指电网因故障 或 停 电 检 修 停 止 供 电 后 ， 分 布 式 发 电 系 统distributed generation， DG 和本地负载形成的一个微型局域供电网络 [1] 。 DG 孤岛运行将产生严重的后果，如 DG 一般工作在电流控制模式，因此无法控制孤岛的电压和频率，这给用户和设备的正常运行带来了安全隐患； DG 孤岛运行使线路仍然带电， 这会对检修人员的人身安全构成威胁。孤岛检测方法一般可分为 2 类无源法和有源法。无源法检测基本电气量的特性，如电压幅值 过压、欠压 [2-3] 、相位或相位突变 [4] 、频率 高频、低频 [2-3] 、频率变化率 [5] 、谐波畸变率 单次谐波畸变率 [6]、总谐波畸变率 [7] 、不平衡度 [7] 、功率变化率 [8] 和频率功率变化率 [9]等。无源法最突出的特点是对电能质量无影响，但存在孤岛检测盲区。有源法根据有源扰动引起的响应实现孤岛检测， 有源扰动量包括电流幅值 [10-11]、电流相位、频率 [12-13]、电流谐波 [14]、输出有功功率和无功功率 [15]等。有源法最突出的特点是可以减小或消除孤岛检测盲区， 但这并不意味着有源法得到的检测盲区一定比无源法小 [16]。有源法引入的有源扰基金项目 国家自然科学基金资助项目 50837003； 河北省自然科学基金资助项目 E2008000801 。Project Supported by National Natural Science Foundation of ChinaNSFC 50837003．84 伞国成等光伏并网逆变器的间歇性频率扰动正反馈孤岛检测方法 Vol. 33 No. 11 动对电能质量会带来负面影响。 此外， 基于电力线载波通信 power line carrier communication ， PLCC 和SCADA 的孤岛检测方法多用于电力系统， 由于其投入成本较高，未在中小功率 DG 中得到广泛应用。为了消除孤岛检测盲区，最大程度地减小检测方法对电能质量的影响，本文将提出一种间歇性频率扰动正反馈孤岛检测方法。 该方法可通过文献 [17]标准规定的最差情况下的孤岛测试。此外，本文还将建立完整的系统仿真电路，该电路可模拟孤岛的发生并进行有效检测，从而实现快速孤岛保护。1 孤岛检测原理图 1 为光伏并网逆变器孤岛检测原理 [16] 。 图中S 为断路器。当断路器 S 闭合后 GCI 并网运行，并向公共耦合点注入与电网电压同频同相的正弦电流 。 设 GCI 输 出 功 率 为 jP Q ， 负 载 功 率 为load loadjP Q ，电网提供的功率为loadP P P - 1 loadQ Q Q - 2 GCI 变压器 电网PCCPj QR L CS PjQPloadj Qload图 1 GCI 孤岛检测原理Fig. 1 Schematic diagram of islanding detection断路器 S 断开后，电网停止供电，只有 GCI以电流源方式向负载供电。若 P 或 Q 很大，即GCI 输出功率与负载功率不匹配， 则 PCC 电压幅值或频率将发生变化。当电压幅值或频率变化超出正常范围时， GCI 电压幅值频率保护电路将检测到孤岛发生并动作， 从而实现孤岛保护。 当 P 或 Q 较小且同时满足式 35 时，保护电路会因电压幅值和频率未超出正常范围而检测不到孤岛发生，即出现检测盲区 [2] 。2 2max min / 1 / / 1U U P P U U- ≤ ≤ - 3 2 2f min f max[1 / ] / [1 / ]Q f f Q P Q f f- ≤ ≤ - 4 f /Q R C L 5 式中 U 为电网电压幅值；电压幅值上限 maxU 110U ； 电压幅值下限 min 88U U ； f 为电网频率 ； 频 率 上 限 max 50.5f Hz ， 频 率 下 限 minf 49.3 Hz； fQ 为品质因数。由上述分析可知，采用传统过压 /欠压、高频 /低频保护电路实现孤岛检测存在较大的检测盲区。为了消除检测盲区并最大程度地减小检测方法对电能质量的影响，本文根据文献 [17] 中对孤岛检测时间的限制，提出了一种间歇性频率扰动正反馈孤岛检测方法。表 1 列出了文献 [17] 中的孤岛检测时间限制， 表中的电压等级已转换为中国标准 311V/50 Hz。 由表 1可以看出当 PCC 电压幅值、频率位于区域 D1 或D2 时，分别要求在 0.12s 和 2 s 内实现孤岛检测；当PCC 电压幅值、频率位于区域 D3 时，认为系统正常运行。本文设置电压幅值频率超出区域 D3 并进入区域 D1 或 D 2 时， 孤岛发生系统立刻停止运行， 由于采用过零点方式检测电压幅值和频率， 因此检测时间约为 1 个工频周期，这满足表 1 中的指标要求。表 1 孤岛检测时间限制Tab. 1 Time limit of islanding detection区域 PCC 电压幅值和频率范围 时间限制 /s155 V0.1 是否f50 49.3f50.5 fx 0.4 fx0 fx - 0.4 否否 是是否88 U/Um110否是是图 2 孤岛检测流程Fig. 2 Flow chart of islanding detection是无源和有源有孤岛检测方法都存在的问题，不是本文的主要研究内容，故不再深入分析。2 孤岛检测建模本文采用 Matlab 软件，基于提出的 GCI 孤岛检测方法建立孤岛检测仿真模型。图 3 为孤岛检测模型总体框图，图 3 主要包括负载模型、频率控制模型、电压控制模型、光伏发电系统模型。仿真时刻输出电流过零点时刻角频率孤岛信号过零点时刻角频率时钟过零点检测光伏发电系统模型 频率控制模型孤岛信号PCC 电压选择开关0 选择开关选择开关 式 7电网电压时钟电压控制0 式 6图 3 孤岛检测仿真模型Fig. 3 Simulation model of islanding detection图中由电阻 R、 电感 L 和电容 C 并联而成的负载阻抗传递函数为21 1 1RLsZ sRLCs Ls RCsR Ls 6 由于标准传递函数要求分母的阶数不小于分子的阶数，因此 1/Z 可由下式来实现221 1 1 d dRLCs Ls R uCs G sZ s R Ls tRLs 7 图 3 中， 频率控制模型用来检测 PCC 电压频率和电流正反馈频率扰动。 当 PCC 电压频率超出区域D3 时，模块发出孤岛信号使 GCI 停止工作。电压控制模型用来实现 PCC 电压幅值检测功能。 当 PCC电压幅值超出区域 D3 时， 模块发出孤岛信号使 GCI停止工作。 GCI 模型中的参考电流为ref m 0sin I I t tω ω - 8式中 mI 为输出电流峰值； ω 为电流角频率； t 为仿真时刻； 0t 为过零点时刻。GCI 输出电流的控制方案见图 4[18]。 K Gs电流误差桥臂 电压电网电1Ls调制波控制器 PWM电流参考输出电流_ _ 电网电压图 4 电流控制方案Fig. 4 Current control scheme图中 G s 为正弦信号内模控制器，其传递函数 [19] 为ip 2 20 k sG s ks ω 9 式中 kp 为电流内模控制器的比例参数； ki 为电流内模控制器的积分参数。3 仿真参数及结果仿真参数如下 GCI 直流输入电压为 400 V ，电网电压为 311 V/50 Hz，滤波电感为 3 mH，输出功率为 1 kW， 采用单极性 PWM 倍频调制， 开关频率为 20 kHz，电流内模控制器比例参数 kp0.5，积分参数 ki100。根据文献 [17] 规定的最差情况，选择并联 RLC 负载，其中 R48 ， L61.1 mH ，C165.87 μ F，此时负载功率为 1kW ， LC 谐振频率为 50 Hz，品质因数 Qf2.5。图 5 为仿真结果。仿真时，设置电网在 0.985 s断开， 孤岛发生， 电网电压如图 5a所示。 由于 GCI的输出功率和负载功率平衡，根据上文分析可知PCC 频率保持 50 Hz 不变。 根据图 2， 在 1 s 时刻加入电流频率扰动 xf ，如图 5b所示。约 1.12 s 时刻检测到 PCC 频率超出下限 49.3 Hz， 确认孤岛发生，GCI 停止工作，输出电流变为 0，如图 5c所示。采用电压过零点检测方式，在下一过零点时刻按过零点计算方式计算得到的 PCC 电压频率 xf 如图5e所示。 由图 5e可以看出， xf 打破了平衡状态，引起 PCC 电压频率下降。 一旦频率变化超出 0.1 Hz ，继续加入正反馈频率扰动。此时 RLC 谐振式并联负载通过 R 释放能量，因此 PCC 电压频率呈指数衰减振荡状态，如图 5d所示。由仿真结果可知， 在最差情况下， 加入频率扰动xf 后经 0.12s 可检测到孤岛发生， 即最长检测时间为86 伞国成等光伏并网逆变器的间歇性频率扰动正反馈孤岛检测方法 Vol. 33 No. 11 - 4000400电网电压/V0.0频率扰动/Hz- 0.2- 0.4- 10010GCI输出电流/A- 4000400PCC电压/V49 5051t/sPCC电压频率/Hz0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20图 5 仿真结果Fig. 5 Simulation results1.12 s，这满足文献 [17] 中孤岛检测时间的限制。4 结论本文针对传统频率扰动孤岛检测方法对电能质量影响较大的问题，提出了间歇性频率扰动正反馈孤岛检测方法，有效地减小了频率扰动对电能质量的影响。理论分析和仿真结果表明，在文献 [17]规定的最差情况下，本文提出的方法仍可以检测到孤岛的发生，具有检测速度快，对电能质量影响小等优点，具有一定的应用价值。参考文献[1] 易新，陆于平．分布式发电条件下的配电网孤岛划分算法 [J]．电网技术， 2006， 307 50-54．Yi Xin ， Lu Yuping． Islanding algorithm of distribution networks with distributed generators[J]． Power System Technology， 2006， 30750-54in Chinese．[2] Ye Z H， Kolwalkar A ， Zhang Y， et al． Evaluation of anti-islanding schemes based on nondetection zone concept[J] ． IEEE Trans on Power Electronics， 2004， 195 1171-1176．[3] Rifaat R M ． Critical considerations for utility/cogeneration inter-tie protection scheme configuration[J] ． IEEE Trans on Industry Applications ， 1995， 315 973-977．[4] Ropp M ， Begovic M ， Rohatgi A ． Determining the relative effectiveness of islanding detection methods using phase criteria and nondetection zones[J]． IEEE Trans on Energy Conversion ， 2000，153 290-296．[5] Jose V ， Walmir F， Wilsun X ， et al． Efficient coordination of ROCOF and frequency relays for distributed generation protection by using the application region[J] ． IEEE Trans on Power Delivery， 2006， 2141878-1884．[6] Kabayashi H， Takigawa K ， Hashimato E ． Method for preventing islanding phenomenon on utility grid with a number of small scale PV systems[C]． IEEE Photovoltaic Specialist Conference， 1991．[7] Jang S I， Kim K H ． An islanding detection method for distributed generations using voltage unbalance and total harmonic distortion of current[J]． IEEE Trans on Power Delivery， 2004， 192 745-752．[8] Refern M， Usta O， Fielding G ． Protection against loss of utility grid supply for a dispersed storage and generation unit[J] ． IEEE Trans on Power Delivery ， 1993， 83 948-954．[9] Pai F， Huang S． A detection algorithm for islanding prevention of dispersed consumer owned storage and generating units[J] ． IEEE Trans on Energy Conversion， 2001， 164 346-351．[10] 刘杨华， 吴政球， 涂有庆， 等． 分布式发电及其并网技术综 [J]． 电网技术， 2008， 3215 70-76．Liu Yanghua ， Wu Zhengqiu ， Tu Youqing ， et al ． A survey on distributed generation and its networking technology[J] ． Power System Technology， 2008， 3215 70-76in Chinese．[11] Guillermo G， Reza I． Current injection for active islanding detection of electronically-interfaced distributed resourcest[J] ． IEEE Trans on Power Delivery ， 2006， 213 1698-1705．[12] Ropp M ． Design issues for grid-connected photovoltaic systems [D] ． Atlanta Georgia Institute of Technology， 1998．[13] John V， Ye Z， Kolwalkar A ． Investigation of anti-islanding protection of power converter based distributed generators using frequency domain analysis[J]． IEEE Trans on Power Electronics， 2004， 1951177-1183．[14] Timbus A V， Teodorescu R， Blaabjerg F． Online grid measurement and ENS detection for PV inverter running on highly inductive grid [J]． IEEE Trans on Power Electronics， 2004， 23 77-82．[15] Jeraputra C ， Enjeti P ． Development of a robust anti-islanding algorithm for utility interconnection of distributed fuel cell powered generation[J]． IEEE Trans on Power Electronics ， 2004， 1951163-1170．[16] Luis L， Sun H． Performance assessment of active frequency drifting islanding detection methods[J]． IEEE Trans on Energy Conversion，2006， 211 171-180．[17] IEEE Std. 929 – 2000， IEEE recommended practice for utility interface of photovoltaic systems[S] ．[18] Daniel N Z ， Donald G H． Stationary frame current regulation of PWM inverters with zero steady-state error[J] ． IEEE Trans on Power Electronics， 2001， 183 814-822．[19] Fukuda S， Yoda T． A novel current-tracking method for active filters based on a sinusoidal internal model[J] ． IEEE Trans on Industry Applications ， 2001， 373 888-895．收稿日期 2009-03-10。作者简介伞国成 1979 ，男，硕士，讲师，研究方向为分布式系统并网发电及孤岛检测技术， E-mailhbsgc163.com；赵清林 1969 ，男，博士，副教授，研究方向为逆变器并联与并网技术、功率因数校正、有源滤波等；郭小强 1979 ，男，博士研究生，研究方向为分布式发电系统并网控制及谐波抑制。（责任编辑 杜宁）伞国成