光伏并网系统孤岛检测方法分析与改进

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摘要：有源频偏(AFD )方法是孤岛检测的主要方法之一。 分析了AFD法的基本原理和优缺点，在检测频率变化后确定斩波率的思想上改进了传统的AFD方法。 改进办法的执行指标以IEEE Std 929 ) 2000为依据，应对中国电力系统的要求。 基于Simulink包的模拟结果是，改进后的方法加快了检测速度，减少了检测盲区，也减少了对电力系统的谐波污染。关键词：孤岛效应； 有源频偏法； 脉冲斩波率； 检测死角中图分类号： TM615； T M464

受理日期： 2007203207； 修理日期和时间： 2007205230。引言0随着分布式发电系统

[ 124]规模的增大，可能性孤岛效应对系统安全运行、线路工人的由于人身安全构成严重威胁，所有并网逆变器防孤岛功能[ 5]。 现有孤岛检测方法主要包括被动检查法和主动检查法。 被动检测法在许多情况下，可以迅速检测离岛的运行，但随之而来的是分布式发电系统规模的增大，分布式发电和负荷需求寻求平衡的可能性也提高，与被动检测法的检测相关联很困难。 主动检查法的引入可以将发生抑制在最小限度检测孤岛效应时的死角。 现在发展了很多自主性检测法，例如输出有效无效干扰法[ 6]，差频偏移检测测定法[ 7]等等。 其中，活动频率偏移(AFD ) )活动frequency drift (法容易实现，成本少，实用性强的特点得到了广泛的关注和发展[ 829]。

本文分析了目前AFD法的基本原理[ 10]的基础

中，对现有的AFD方法进行了改进。1传统AFD方法的基本原理[ 10]在典型的并网发电逆变系统[ 10]如图1所示。 照片中，表示本地负载的RLC[ 11]并联电路具有节点a和

变频后的光伏发电系统接通，同时通过变压器、断路器器与大电网并行运行。 图1的功率平衡方程式如附件所示把a录下来。 图2是AFD法中50 Hz电网电压正弦波用于参考的注入网格电流i PV的波形。 图中： T Vu til是电网络电压周期； TiPV是输出电流正弦部分的周期。

输出时间t z相对于电网电压半周期T Vutil/2之比斩波率cf。 并网电流与电网电压过零时相同步骤，然后cf将输出电流提前(或滞后)到电压。 相反变压器与正常运行的大电网并联运行时，负载两端为电受电网压迫，保持正常频率； 当离岛运行发生时，电压由输出电流和负载阻抗决定，提前或滞后达到零点。 这样反复进行，配网侧电压频率上升下降，最后通过频率检测继电器的检测发现光伏并切除发电系统。图1单相并网光伏发电系统结构

fig.1 configurationofsingle2phase grid2connectedphotovolta ic gener ation system图2基于AFD法的施加电流波形fig.2 currentwaveformimplementedinafdmethod傅立叶分析显示

[ 10]在

、注入该电网的电流的高阶

可以忽略高次谐波，认为va是i PV的基波函数。 零输出输入电网的电流中，对于i PV，基波成分有一个相移，即iPV的基波分量比iPV超前tz/2。 因此，系统72第三十一卷第二十一期2007年11月10日Vol. 31 No. 21nov.10，2007

发生孤岛运行时，与iPV基波成分同步的va比较

i PV提前tz/2。 要使va和i PV同步，需要系统频率为满足：arg1

r

- 1

(jXL )- 1jXC

=0. 5Xt z=0. 5Pcf(1) ) ) )。

在系统负荷满足该条件的情况下，va和i PV没有相关性位置变差，系统频率保持不变，进入检测死角。2 AFD法的缺点

据文献[ 10]报道，并网发电变频调速系统发生孤岛运输时，AFD法的理论检验盲区比被动检验法的检验死角相当小(具体分析见附录b )。 但是，如果cf取值如果过小，则与以往电压频率检测法相比变得不明显AFD法的优越性； 如果cf值太大，就注入电网的电流动畸变过大，其中存在的谐波严重影响电能质量。因此，AFD法的检测盲区需要进一步缩小以满足电网络越来越严格的条件。

如果系统负荷不满足公式(1)，则理论上系统频率的合计可以移至正常工作范围之外。 但是，检测孤岛效应有时间规定。

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3. 1改善运行指标

IEEESTD929(2000 )[ 13 ]规定了并网发电逆变器系统应达到的技术指标。 对电网质量的要求、检测非正常运行时间和孤岛效应时间的要求等。 但是，该国际标准针对的是60 Hz系统。为了应对中国电力系统

[ 14]在

本文改进了检测要求：

当系统电压频率从49. 5 H z~ 50. 5 Hz范围漂移时时，逆变器应在6个周期内停止对电网供电。 同时，由于再投入作业性的提高，重合时间大幅缩短，由于在以往的2 s内检测到孤岛也无法满足要求，因此本文要求孤岛效应发生后，在0. 5 s内检测。

根据IEEE Std 929 ) 2000，注入电网的电流合计高次谐波畸变率CTHD不得超过5%，这意味着cf的取法价格有一定的限制。 为了清楚地说明cf和CTHD之间的关系，本文利用程控电流源作为并网电流进行修改施加的cf获取畸变后的并网电流，并对其进行检测CTHD通过追踪几个组的数据得到图3。 从图中可以做到明白了，cf取的值是？ 在5%以内，即cfmax=5%，cf min=- 5%。图3 cf与THD的关系曲线

fig.3 relationshipbetweencfandthd3. 2改进方法的基本原理和理论分析离岛运行发生后，当地负荷有效和无效系统提供的容量不一致的程度会影响系统

电压和频率。 电力匹配程度和电压、频率的上下限值关系如下[ 15]如：:

v

Vmax2

- 1 [$ Pp[v

Vmin2

-1(2)Qf 1-ff min2

[

$Qp

[ Qf 1-ff max2(3) ) )。

式中的： V、f分别表示系统正常工作时的电压有效值和商用频率； p、q分别表示变频器正常动作时输出的有效、无功功率； $P、$Q分别是本地负载和光伏发电系统有效、无效之差Qf是系统质量系数[ 12]在；

Vmax、Vmin、f max、f min分别是电压和频率的上下限值。设Vmax=107% V、Vmin=90% V、f max=50. 5 Hz，f min=49. 5 H z满足中国电力系统的要求。 Qf=2. 5时，传统的电压、频率孤岛效应检测盲区为：- 12. 66% [$Pp

[ 23. 46% (4)- 5. 08% [$Qp

[ 4. 93% (5)

电网正常工作时，由于大电网的控制，变频器会失败输出电流控制是与电压同步的动作状态，即单位功率因数。 因此，在功率因数和无效之间存在以下情况关系[ 9]:kPF=p

s=1

1 r THD2(6) ) )。qp

=rtHD(7)

式中： kPF为功率因数； r THD是总谐波畸变率。1 )孤岛效应发生后，本地负载为电阻性或电感性性时，$Q/P \ 0，判断负载两端的电压频率上升#袁玲研发、光伏并网系统孤岛检测方法分析与改进73倾向于施加正值的cf max，增大最终无效负荷的失配度$ Qcf

/P=$Q/P r THD| cf=c

fma x$ Q/P。

2 )发生孤岛效应，本地负载为电容性时，$ Q/P 0，判断为负载两端电压频率有上升倾向，施加负值的cf min，增大最终无效负荷的不匹配程度$ Qcf

/P=$Q/P - rT HD | cf=c

fmin

$ Q/P。

根据上述分析，可以根据频率的变化趋势进行判断给出局部负荷的无效特性，施加适当的cf值，强化相同方向的无效不匹配的程度，促进系统频率的同倾向的方向发生变化，使之从通常的工作范围漂移，加速孤岛检测。 因此，判断频率变化倾向后施加是最强的cf值方法可以避免AFD方法抵消负载频率变化的可能性解决的缺点，充分发挥其快速检测的优点。3. 3改进方法的具体实现乘以周期cf的时间要合适，要有足够长的关断

通过断开时间Toff判断频率变化趋势和接通时间T on应用足够强度的cfmax和cfmin，同时保证本文的提交的0. 5 s内检测到孤岛运行(即toffton ) )。0. 5 s )。

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利用Simulink软件包，构建了如图1所示的网络发电变频调速系统，验证改进方法的正确性。 模特用可编程电流源简化光伏发电系统。 采用模拟系统收集本地负载侧的电压，结合锁定环路，施加cf进行改变改变注入电网的电流波形。 附录c所示的模拟结果证明了提出的改进方法可以减少盲区。改进方法可以减少检测盲区，但也存在无用法检测离岛运行的可能性。 为了找到最大检测盲区域，在进行如下模拟的：前15个循环中，算法已经判断虽然可以得到后10个循环中cf的可取值，但在cf步骤中会产生大的功率网络中断，本地负荷频率偏移的倾向正好与确定的cf有效果水果是相反的。 经过大量负载的仿真，绘制了算法的最大检测死角如图4所示。 由于负载采用了线性RLC并行由于互锁，死角已线性化。 图中用虚线包围区域是传统AFD法在cf=5%时的死角，为实线被包围的区域是改善方法最大的检测死区。 对比两者可知采用判断这种频率变化倾向的脉冲式斩波率的检测盲区更小。图4 AFD法与改进方法盲区检测的比较

fig.4 ndzcomparisonbetweenafdandthe improved method同时，由于算法中只是间歇地给出cf值，因此，平均导入电网的电流的THD减少一半以上。这可以减少对电网的干扰，减少注入电网的电流的质量。

另外，本文构筑的简化后的太阳能发电系统模型使用了可编程电流源，该方法采用了算法的因为运行忽略了实际存在的电流纹波，所以cf max和cf min终于可以拿到5%和- 5%。 在实用上，即使cf=0，电流THD也有一定的可取值。 因此，一些文献建议[ 9210]，在实际应用中cf max和cf min占4. 5%- 4. 5%左右是合适的。 当然，也可以先通过实验

得到了如图3所示的cf和THD的关系曲线，在

在T HD为5%以下的前提下选择cf max和cf min。五结

本文首先判断系统的频率变化趋势，然后有效的斩波率的改善AFD法不仅减少了检测死角，也可以加快检测速度，将注入电网的电流抑制在最小限度的谐波畸变率，因此应用前景广阔[ 16]。 还有几个

工作需要进一步完成： 本文的模拟研究是基于理想并网跟踪电流模型的实际电流和

描迹方法和波形特征存在较大差异，今后仍有现实意义通过样机进一步实验确认，调整要改善的负荷性质，增加并验证电机、恒功率负载等非线性负载算法效果； 研究实际应用中谐波的引入引起的影响； 研究其在多变频调速系统中的应用效果。附录见本刊网络版(http://www. aeps2info )。com/aeps/ch/index. aspx )。74

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analysisandimprovementofislandingdetectionmethodforgrid2connectedphotovoltaicinverters元陵，ZH E NG Jia nyong，ZH AN G Xianf ei(Southeast University，Nanjing 210096，China )

abstract : activefrequencydrift (AFD ) methodisoneofthemostpopularislandingdetectionmethods.thepaperanalysestheprinciples，advantagesanddisadvantagesofthetraditionalafdmethod.basedontheseworks，an impr oved scheme ofdetectingfrequencyvariationsfirstandthendeterminingthevalueofchoppingfractionispresented.theperformanceindicesoftheimprovedmethodareinaccordancewithestandardofieestd 929 ) 2000，meetingtherequirementsofpowersystemsin China.simulationresultsonsimulinkshowthattheimprovedmethodcandetecttheislandingoperationeffectivelywithfaster detecting speed，smaller non2detection zone，andlessharmonicspollutiontothegrid。Key words: anti2islanding； active frequency drift met hod； 折叠函数； non 2检测区域#开发袁玲光伏并网系统孤岛检测方法分析与改进75