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文档简介

1、2009年4月电工技术学报Vol.24 No. 4 第24卷第4期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Apr. 2009 一种低畸变的主动移频式孤岛检测算法邓燕妮1,2桂卫华2(1. 武汉理工大学自动化学院武汉 430070 2. 中南大学信息科学与工程学院长沙 410083摘要孤岛检测是光伏系统并网必备的功能,要求既能快速检测出孤岛状态,同时又尽量减少对电网的不良影响。该文对主动移频式孤岛检测方法进行研究,分析了并网逆变器的输出电流总畸变率与孤岛检测算法间的关系,针对现有算法畸变率略高的情况提出了一种改进方案,新方案实现简单,能有效降

2、低主动式孤岛检测对电能质量的不良影响,同时达到孤岛检测标准的要求。仿真和实验验证了该方案的有效性。关键词:主动移频孤岛检测并网光伏系统分布式发电中图分类号:TM92An Improved Active Frequency-Drift Method for Islanding DetectionWith Low Harmonics DistortionDeng Yanni1,2 Gui Weihua2(1. Wuhan University of Technology Wuhan 430070 China2. Central South University Changsha 410083 Ch

3、inaAbstract Anti-islanding protection is a mandatory feature for grid-connected inverters. A desired islanding detection method not only can detect islanding within acceptable duration, but also have less adverse impact on power quality. This paper analyzes the total harmonics distortion(THDof grid-

4、connected inverter. The connection of output current THD and anti-islanding algorithm is discussed. Based on it, an improved active frequency-drift method is introduced, which can meet the requirement of anti-islanding standard and has less distortion on inverter current. Simulation and experiments

5、are developed to validate the proposal.Keywords:Active frequency drift, islanding detection, grid-connected PV system, distributed generate electricity1引言孤岛检测是光伏(PV系统(及其他分布式发电系统并网时必须解决的技术问题,在电网突然停止供电后,光伏发电装置能及时检测出电网的失电状态并停止向失压的电网供电。在光伏电源的孤岛检测中,单纯的被动式检测方法容易漏检,因此常采用主动与被动相结合的方法,一方面主动对逆变器输出施加扰动;另一方面,随时检

6、测公共点的电压、频率和谐波等的变化,从而判断电网的存在情况。能在规定时间内及时检测出孤岛状态,同时又能尽量减少对电网的不良影响,这是对并网光伏系统孤岛检测技术的基本要求。主动移频(Active Frequency Drift, AFD1-5是一种较好的主动式检测方法,它对孤岛检出率高,又无需添加任何硬件,因此人们对它产生了浓厚的兴趣,并进行了多方面研究4-7。这些研究针对截断系数为固定值或带线性正反馈的主动移频方法,在孤岛检测的盲区4-6、算法参数设置3和算法的数字实现8-9等方面进行了讨论,但现有算法对电网的不良影响方法讨论不多,更没有从如何减少算法引起的电流畸变方面进行研究,而算法中电流给

7、定非正弦引入的电流畸变,对电能质量产生不良影响是阻国家自然科学基金重点资助项目(60634020。收稿日期 2008-03-09 改稿日期 2009-02-04220电 工 技 术 学 报 2009年4月碍主动式孤岛检测方法被广泛使用的重要因素。本文提出一种新的主动移频式孤岛检测算法,继承了传统主动移频式孤岛检测方法的一切优点,同时能显著减少算法引入的电流畸变率,文章对该方法减少电流畸变的原因给出了理论分析,并通过仿真及实验进行了验证。2 孤岛检测对逆变器输出电流电能质量的影响 主动移频式孤岛检测方法的基本思想11-12是:控制PV 并网逆变器输出电流的给定频率,使电流频率比公共连接点电压的频

8、率略高(或略低。当电网供电正常时,公共点频率受电网频率的钳制不发生变化,一旦电网失压,公共点频率将受电流给定频率的影响发生偏移,最终达到频率保护设定值而封锁逆变器,实现孤岛保护。在系统控制中光伏逆变器输出电流给定信号是这样确定的:检测公共点电压的频率,在此基础上添加偏移量作为电流的给定频率。电流给定信号按半波给出,起点为公共点电压的过零时刻,如图1所示。若电流半波已完成而电压未到过零点,则强制电流给定为零,直到电压过零触发到来,电流才开始下一个半波4。 图1 PV 系统的电流给定信号 Fig.1 Reference current of PV system在主动移频算法中,定义“截断因子cf

9、”表征电流频率给定偏移的比例,即/2z tcf T = (1常用的主动移频算法(AFD 中,截断因子取固定值,如取cf =0.02。为减少孤岛检测的盲区,有人提出了带正反馈的主动移频算法(AFDPF ,即将截断因子取0cf cf k f =+ (2 式中,cf 0为固定值;f 为公共点频率对电网额定频率的偏差;k 为反馈系数。由图1可知,由于cf 0,电流给定不是标准正弦波,因此会使逆变器输出电流有畸变,对电网有污染。3 算法参数与电流畸变的关系将电流波形的坐标轴作调整,按图2建立坐标轴使电流给定波形奇对称,则它在0,T /2内的函数关系可表示如下:10*sin(2(0f t t i t =0

10、00020,22Tt t t T T t t t t <<<<<<(3 式中,T 为公共点电压的周期;对应的频率用f 1表示,为电流给定半正弦波的频率。图2 电流给定波形Fig.2 Waveform of reference currentAFD 算法产生的截断系数/2zt cf T =与公共点电压频率f 、以及电流给定频率f 1间的关系为044t cf ft T= (4 10141ff T t cf= (5将其展开成傅里叶正弦级数,则傅里叶级数的系数为0000210021021010110112sin2(sin d/2/242cos2(sin d2=cos

11、2(2cos2(2d sin(2(222(sin(2(T k T t tT t tk x b f t t t T T k x f tt t T T f t t k ft Tf t t k ft t f kf t f t T f kf f kf t =+=×+00102122(2sin 1sin 22sin 1sin 22t Tt f t f kf k k k cf cf T k k k cf cf=×+第24卷第4期邓燕妮等一种低畸变的主动移频式孤岛检测算法 221根据上面傅里叶级数展开式的系数解析式,可求得不同截断系数下AFD电流给定信号的各次谐波的幅值,由此计算电流总畸

12、变率如下表所示。表AFD算法及其对应的THDTab. THD under different cf for AFD method cf 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 THD 0.01 0.0203 0.0307 0.0413 0.0518可见THD的大小受AFD的截断系数cf大小的影响,截断系数越大,则AFD算法引入的总畸变率越大。4新算法的提出对于孤岛检测算法,首先是要保证检测指标满足相关标准7的要求,即逆变器带品质因数为2.5的并联谐振负载时,在逆变器输出功率与负载功率完全一致的情况下,能在2s内成功检测出孤岛。在此基础上,应尽量减少逆变器输出电流的THD,即尽量减小并

13、网时孤岛检测算法的截断系数cf。对于截断系数cf固定的AFD算法,电流THD的大小与频率无关,具体的对应关系见上表。对截断系数不固定的AFDPF算法,并网时电流THD与公共点的检测频率以及电网额定频率的偏差有关,为尽量减小THD值,可取cf k f=(6式中,f为公共点频率对电网额定频率的偏差;k为反馈系数。在美国Sandia国家实验室提出的SFS算法中,取cf=0.1f。在电网正常时,由于检测误差以及电网频率本身的波动,会使f0。f越大,孤岛检测算法产生的cf值越大,导致波形畸变越大。如果并网时电网频率波动f=0.1Hz,则cf=0.1×0.1=0.01,按上表,并网运行时逆变器输

14、出电流THD将增加1%。为尽量减少并网运行时孤岛算法产生的截断系数cf值,本文提出按下面算法进行孤岛检测3cf k f=(7这样,在频率偏差f较小时,孤岛检测算法产生的截断系数被大大降低,减小了并网运行时孤岛检测算法带来的电流波形畸变,同时由于频率偏差被正反馈引入电流给定,保持了主动移频算法的正反馈特性,在电网失压时正反馈的效应仍然会使频率推离正常范围,检测出孤岛。GB/T159451995电能质量电力系统频率允许偏差中规定:电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz。从全国各大电力系统实际运行看,基本保持在不大于±0.1Hz范围内,观察实验室电网频率波动情况,大部分情况下电

15、网频率在(50±0.05Hz内。考虑电网频率波动f=0.1Hz的情况:传统算法cf=0.1f与新算法cf=10f 3产生的截断系数cf相等,都为0.01,按上表其理论上都会使电流THD增加1%。如果并网运行时频率波动小于0.1Hz,新算法cf=10f 3比传统算法cf=0.1f产生的截断误差小,引起的THD增量也小。在f=0.05Hz 时,传统算法对应着cf=0.005,THD0.5%,而新算法对应着cf=0.001 25,THD0.125%。下面将通过仿真和实验证明新算法在提供相同孤岛检测能力的情况下,电网频率稳定时比传统算法产生的THD增量小。5仿真与实验验证本文针对3kW户用光

16、伏发电系统的孤岛检测用Matlab/Simulink进行了仿真,逆变器采用恒电流控制模式,逆变器输出的电能通过LC滤波送给负载和电网。负载采用与逆变器输出功率相平衡的RLC并联负载(品质因数Q f=2.5,电网在0.3s时与光伏系统连接线断开,孤岛检测算法必须在其后的2s内检测出孤岛,确认孤岛后封锁逆变器。图3、图4为主动移频算法采用线性正反馈cf=k·f时的仿真情况。图3为公共点频率和逆变器输出电流的波形,由图3a可见在开始的0.3s中电网与光伏逆变器相连,检测到的电网频率约50.05Hz。图4为在此电网情况下逆变器输出电流及对应的THD值,由图可看出计至20次谐波的逆变器输出电流

17、THD值为1.44%。在0.3s时电网断开,公共点频率在孤岛检测算法的作用下被迅速推离正常范围,系统检测出孤岛并将逆变器关闭,检测过程耗时0.12s。图3b为与此过程对应的逆变器输出电流波形。 (a222电 工 技 术 学 报 2009年4月 (b 图3 移频算法为cf =0.1×f 时孤岛检测的仿真 Fig.3 Simulation of islanding detection when thefrequency drift method is cf =0.1×f 图4 移频算法为=0.1f 时并网工作的电流THD Fig.4 Grid-connected work cu

18、rrent THD when thefrequency drift method is =0.1f图5和图6为孤岛检测采用新算法cf =k f 3时的仿真情况:电网情况及断网时刻与上同,由图5a 可见,断网后频率被更快地推至正常范围以外,孤岛状态能被迅速检测,检测耗时0.1s ,比传统算法快一个电压周期,而该算法下并网运行时逆变器输出电流的THD 值为1.15%(如图6所示,比相同电网情况下传统算法产生的THD (如图4所示小。 (a (b 图5 移频算法为cf =10f 3时孤岛检测的仿真 Fig.5 Simulation of islanding detection when thefre

19、quency drift method is cf =10f 3图6 移频算法为=10f 3时并网工作的电流THD Fig.6 Grid-connected work current THD when frequencydrift method is =10f 3图7为实验室中用3kW 逆变器通过变压器与电网并联、带RLC 谐振负载时的孤岛检测实验波形,其中逆变器输出功率与负载功率消耗相同。由实验结果知,新算法能满足孤岛检测要求,在断网后仅过两个周期(40ms 就将孤岛状态检出。(a 逆变器输出电压,并网时为220V(RMS第24卷第4期邓燕妮等一种低畸变的主动移频式孤岛检测算法 223 (b

20、逆变器输出频率,并网时为50Hz图7 采用cf=10f 3时的实验波形Fig.7 Experiment waveform when cf=10f 36结论本文对主动移频式孤岛检测算法引起的电流畸变进行了分析,立足减少孤岛检测算法对电能质量的不良影响,提出了一种低畸变率的主动移频式孤岛检测算法,该算法实现简单,能满足孤岛检测标准的要求,适合在实际生产中推广使用。参考文献1 Kobayashi H, Takigawa K. Statistical evaluation ofoptimum islanding preventing method for utility interactive sma

21、ll scale dispersed PV systemsC. Proc.of the 1st World Conference on Photovoltaic EnergyConversion, Hawaii, USA, 1994:1085-1088.2 Ye Z, Kowalkar Zhang Y, Du P, et al. Evaluation ofanti-islanding schemes based on non-detection zoneconceptJ. IEEE Transactions on Power Electronics,2004, 19(5:1171-1176.3

22、 刘芙蓉, 康勇, 段善旭, 等. 主动移频式孤岛检测方法的参数优化J, 中国电机工程学报, 2008,28(1:95-99.Liu Furong, Kang Yong, Duan Shanxu, et al.Parameter optimization of active frequency drift islanding detection method J. Proceedings of theCSEE, 2008, 28(1:95-99.4 Ropp M. Design issues for grid-connected photo-voltaic systemsD. Atlanta:

23、 Georgia Institute of Technology, 1998. 5 Ropp M, Begovic M, Rohatgi A. Analysis andperformance assessment of the active frequency driftmethod of islanding preventionJ. IEEE Transactionson Energy Conversion, 1999, 14(3:810-816.6 Ropp M, Rohatgi M. Determining the relativeeffectiveness of islanding detection methods usingphase criteria and nondetection zonesJ. IEEETransactions on Energy Conversion, 2000, 15(9:290-296.7 IEEE Std.9292000, IEEE Recommended Practicefor Utility Interface of Photovoltaic(PV SystemsS.New York: Editor, 2000.8 禹华军, 潘俊民. 并网发电逆变系统孤岛检

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