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 China(NSFC) (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PCCP+j QR L CS? P+j?QPload+j 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 (3)~(5) 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 =110%U ； 电压幅值下限 min 88%U 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f>50? 49.3