光伏并网逆变器孤岛测试技术研究

1、 光伏并网逆变器孤岛测试技术研究Research on Islanding Detection for Photovoltaic Grid-connected Inverters蒲鹏鹏,刘广思(河南理工大学电气工程与自动化学院,河南焦作454000Pu Peng-peng,Liu Guang-si (School of Electronic Engineering and Automation ,Henan Polytechnic University,Henan Jiaozuo 454003摘要:国内的光伏发电技术中,孤岛检测及孤岛保护常常被忽视,而孤岛的发生可能会带来巨大危害,因此,研究孤

2、岛检测及其保护具有重要的现实意义。文章结合光伏并网逆变器的并网控制过程提出了一种正反馈频率漂移反孤岛检测方法,并详细介绍了该方法的原理和实现过程,并结合IEEE.Std.2000-929标准中的技术规范对仿真模型进行了分析,验证并比较了此类方法的有效性和适用性。关键词:光伏系统;孤岛效应;并网逆变器;频率漂移中图分类号:TM464文献标识码:A 文章编号:1003-0107(200910-0006-03Abstract:The islanding detection and protection are generally ignored in their application.For is

3、landing may result in calamities,it is neces -sary to study and analyze the islanding detection and protection methods.A new anti-islanding control method-the positive feedback frequency drift was proposed according to the control course of grid connected inverter.The theory and controlling process

4、of it in detail was introduced.The simulating module is analyzed as per the technique standards in the IEEE Std.2000-929.The validity and practicability is confirmed through the emulated model.Key words:photovoltaic system;islanding;grid-connected inverter;frequency drift CLC number:TM464Document co

5、de:AArticle ID :1003-0107(200910-0006-031引言太阳能作为一种绿色可再生能源,正在从补充能源向着替代能源的方向转变。目前,世界各国越来越重视太阳能的光伏并网发电。光伏并网发电系统是把光能转化为电能,并且不经过蓄电池储能,通过并网逆变器直接把电能传输给电网。系统结构如图1所示。光伏并网发电是光伏电源的发展方向,代表了21世纪最具吸引力的能源利用技术。由于光伏并网发电系统直接将太阳能逆变后反馈回电网,所以需要有各种完善的保护措施。除了通常的电流、电压和频率监测保护外,还需要考虑一种特殊的故障状态,即孤岛效应1。孤岛效应是指当电网由于电气故障、误操作或自然因素等

6、原因中断供电时,光伏发电系统未能即时检测出停电状态并脱离电网,使太阳能并网发电系统和周围的负载组成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。孤岛现象会严重影响电力系统的安全正常运行,最严重的后果是可能危及线路维修人员的人身安全。2并网标准根据专用标准IEEE Std.2000-929和UL1741规定,并网工作时,电网电压正常范围为标准电压的88%110%,当电网电压超出正常范围时2,并网系统应该立即检测出并在规定的响应时间内脱离电网。具体数据如表1所示。对于我国50Hz 交流系统来说,系统正常工作范围是49.350.5Hz 。根据系统功率情况,并网系统频率异常响应时间分为两类,具体规定如表2所示

7、。表1光伏并网系统电压异常响应时间表2 并网系统频率异常响应时间图1 太阳能并网逆变系统框图理论与研究heory and researchT6测试测量技术3孤岛效应的检测根据国外的研究情况,孤岛检测方法总的分为两大类即被动检测法和主动检测法。被动检测法是通过观察电网的电压3,频率以及相位的变化来判断有无孤岛发生。然而当光伏电源的功率与局部电网负载的功率基本接近,导致断电时局部电网的电压和频率变化很小时,被动检测法就会失效。为了解决这种问题,主动检测法应运而生。主动法的思想是在逆变器的控制信号中加人很小的电压4,频率或相位扰动信号,然后检测逆变器的输出。当逆变器与主电网相连则扰动信号的作用很小,

8、孤岛发生时扰动信号的作用就会显现出来,当输出变化超过规定的门限值就能预报孤岛的发生。通过实验可以看出,一般的主动检测法,无论是电压,还是频率或相位扰动法对检测单个分散电源的孤岛问题是都是有效的,然而,当这些方法应用于分支电网含有多个光伏分散电源的情况时,孤岛发生的可能性比分支电网只有单个光伏分散电源时要大的多5。例如电流扰动法,就是周期性的给输出电流指令一个扰动,以达到主动破坏供需平衡的目的。对单个逆变器与电网相连的情况,这种方法是可行和有效的,但对于多个逆变器与电网相连的情况这种检测方法就可能失效,(而在光伏发电系统的实际应用中,多数都是分支电网含有多个光伏分散电源的情况,例如在日本的一个光

9、伏发电系统中,超过10000个家庭式的屋顶光伏电源连接在一个分支电网。失效的原因是由于单个逆变器功率占总输出功率的比例非常小,因此改变单个逆变器输出功率对总的输出功率影响不大,除非保证所有的并网逆变器扰动同步,即保持所有的逆变器输出功率同时减小一半,而如果要使所有逆变器扰动指令同步就要使所有的并网逆变器互相通信,这样就增加了控制的成本和复杂性,因而是不可行的。4正反馈频率扰动检测法根据以上的分析,作者结合并网逆变器的并网控制过程提出了一种正反馈频率扰动的反孤岛检测方法。该方法的主要思想是首先判断当前电网电压频率的漂移方向,然后周期性的对输出电流频率施以相应的扰动,同时观测实际的输出电流频率。当

10、输出电流频率跟随扰动信号变化时,即输出电流频率可由并网逆变器控制时,就成倍增加扰动量,以达到使输出电流频率快速变化而触发反孤岛频率检测的目的。实际的正反馈频率漂移法的控制流程如图2所示。其中,OFR和UFR分别是过频和欠频检测,TIPR是生成PWM波时,三角波的定时器周期值,TIPR0是50Hz时的定时器周期值,Dert和Dert0是定时器周期值的调节量和调节初值,T(K和T(K-1分别是实测网压第K个和第K-1个周期的周期值。如图所示,系统电流的初始频率设为50Hz,根据检测到网压的频率来决定电流频率扰动的方向,这样控制目的是使多个并网逆变器的光伏发电系统中每个并网逆变器电流频率扰动方向相同

11、;每次的初始定时器周期值的扰动值为Dert0,如果连续3个周期电压频率都增加或减少,这说明此时电网可能已断开,因为此时电压频率随电流频率的变化而产生了变化,而在并网情况下网压频率是不会随电流频率而变化的;然后就将电流周期值的扰动值增加为3*Dert0,使网压频率进一步突变从而达到触发过频和欠频检测的频率限定值。由以上所述的正反馈频率扰动的反孤岛检测方法的工作原理可知,该方法没有多个并网逆变器同时运行时相互干扰的问题,实际的控制过程中,光伏并网逆变器采用以DSPF240为核心的控制板,各种信号的采集和处理均由其完成。电网电压产生的过零脉冲信号加至F240的外部中断输人口XINTI 上,以此时间点

12、作为基准正弦波信号的时间起点,同时根据目前PWM调制波的实际周期值与理论周期值修正三角载波的周期,从而使并网逆变器输出电流与网压同频同相。所以当并网逆变器与电网相连时,输出电流的频率由网压频率决定。而当逆变器与电网断开时,输出电流频率由自身的三角载波的周期决定,这时如果改变载波周期就有可能改变输出电流的频率,最终触发反孤岛频率检测的目的。5系统的建模与仿真根据上述的正反馈频率扰动法原理和IEEE Std. 2000-929标准中的反孤岛能力测试方法,本文使用M ATLAB软件对并网逆变器反孤岛控制进行了仿真研究,仿真的系统框图如图3所示,仿真系统主要由连接太阳能电池的并网逆变器PV Inver

13、ter模块,RLC负载以及电网构成。其中,并网逆变器因为采用电流型控制,所以对电网来看可以等效为一受控电流源。图中Breaker是可控开关模块, 用来模拟电网与负图2正反馈频率漂移法控制流程图72009第10期 载间的配电开关;Time 是单位阶跃模块,用来模拟孤岛效应发生的时间。PV Inverter 控制模块结构图,其中分为三种工作状态,即并网工作状态,孤岛且电压频率高于工频状态和孤岛且电压频率低于工频状态。模块的输入信号为孤岛效应发生的时间信号,输出信号为并网逆变器的输出电流及输出电流的频率。图4为频率扰动模块的结构图,该模块是模拟正反馈频率扰动法的工作原理构建的,模块的输入信号为网压的

14、周期信号,变量A 记录孤岛发生后的周期个数,根据周期个数选择相应的频率扰动值,模块的输出为频率扰动后的并网逆变器电流输出信号。图5是正反馈频率扰动法反孤岛测试仿真结果图。图中前0.1秒为并网运行状态波形,后0.1秒为孤岛运行状态。孤岛发生以后,并网逆变器的输出电流频率在正反馈频率扰动法的控制策略下发生变化(本仿真测试是向上扰动输出电流频率,而且扰动量随时间逐渐增大,在五个周期内从50赫兹变化到51赫兹;RLC 负载电压的频率则从50赫兹变化到50.5赫兹,当电压频率超过50.5赫兹时就触发频率检测的上限,从而关闭并网逆变器。仿真测试结果,并网逆变器在孤岛发生后第五个周期关闭并网逆变器,达到IE

15、EE Std.2000-929测试标准的要求。然后按照IEEE Std.2000-929标准中的测试方法要求,改变仿真系统的RLC 负载参数和并网逆变器的输出电流幅值重复仿真测试;最后的仿真结果表明正反馈频率扰动法都能成功的检测孤岛现象的发生。6结束语对正反馈频率漂移反孤岛检测方法进行了仿真研究,仿真结果表明正反馈频率扰动法是有效的并且达到了IEEE Std.2000-929的测试标准;仿真结果也同时验证了理论分析的结果,该孤岛检测方法能成功的检测孤岛现象的发生。参考文献1赵为,余世杰等.光伏并网发电系统的孤岛效应与防止策略J.太阳能学报,2003,4(增刊:94-97.2Guo-Kiang

16、Hung,Chih-Chang Chang,Chern-Lin Chen,Automatic phase-shift method for islanding detection of grid-connected photovoltaic inverters J.Energy Conversion,IEEE Transactions on,2003,18:169-173.3Vokas,G.A ,M achias,A.V ,Harmonic voltages and currents on two Greek islands with photovoltaic stations:study and field measurements J.Energy Conversion IEEE Transactions on ,Volume 10,Issue 2:302-306.4Sung-Il Jang,Kwang-Ho Kim,An islanding detection method for distributed generations using voltage unbalance and total harmonic distortion of currentJ.