《电子技术应用》

分布式发电并网系统孤岛检测方法研究

2015年电子技术应用第11期 作者:李 媛1,陈 华1,郭俊辉1,2,郭 浩1,3
2015/12/2 22:57:00

  摘  要: 孤岛问题是威胁分布式发电系统并网安全运行的一个关键问题,因而系统必需具备及时检测出孤岛的功能。通过分析常用的自动相位偏移孤岛检测方法,针对DSP应用环境下检测时间较长,对系统电能质量影响较大等问题,提出一种基于改进自动移相法的快速孤岛检测方法。该方法根据孤岛发生后电流相位角与公共点频率之间的关系,调节扰动相位的正反馈,从而快速检测出孤岛,在一定负载条件下不存在检测盲区。仿真结果表明了改进算法的有效性与快速性,具有一定的工程应用价值。

  关键词: 分布式发电;并网逆变器;孤岛检测;主动移相

0 引言

  随着分布式发电(Distributed Generation,DG)技术快速发展,系统的安全防护问题不容忽视,孤岛问题是其中必须解决的关键技术之一。孤岛是指电网因故障事故或停电维修而跳闸后,用户端的DG系统未能及时检测出停电状态而将自身切离主系统,形成由DG系统和周围的负载组成的一个自给供电的孤岛[1]。非计划的孤岛运行会造成人身伤害或设备损毁。

  本地检测法分为主动式检测和被动式检测,主动式检测法中的主动移相法是对输出电流的相位施加扰动来实现的。最早出现的主动移相法是文献[2-3]提出的滑模频率偏移法(Slip-Mode Frequency Shift,SMS)和自动移相法(Automatic Phase Shift,APS),它们是典型的主动相位偏移方法,使用较广泛,之后人们对主动移相法进行了更深入的研究[4-8]。由于国外与我国所用电网参数不同,国外文献中SMS算法的参数在国内可能不适用,文献[4]针对此问题给出了适用于国内并网标准的算法参数。文献[5-8]研究了相位偏移孤岛检测法的机理并对主动移相法进行改进,使得检测性能更优。该类算法实现简单,检测能力强,电流畸变小,且适用于多逆变器的情形。

  并网发电专用标准IEEEStd929-2000和ULl741规定并网逆变器必须具有孤岛检测保护的功能,且在其他方面满足并网要求的情况下检测时间越短效果越好[1]。本文提出一种改进算法,能更快速有效地检测出孤岛,减小检测盲区,且对电网的影响较小。

1 常见的主动移相式检测算法


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  当并网逆变器与电网实现单位功率因数运行时,其输出的电流与电网电压是同频同相的。加入主动移相式孤岛检测算法后,逆变器输出电流的频率保持不变,但相位发生偏移,偏移大小由移相算法决定[4]。图1为主动移相孤岛检测法的原理图,其输出电流参考信号是按周期给出的:由锁相环检测公共点电压周期,从而得到公共点频率,作为下一周期参考电流的频率,电流周期以节点电压的正向过零时刻为起点,初始相位由所采用的移相算法来确定。

  主动移相法的典型代表SMS算法应用较广泛,按此法给定的起始相位由下式计算得出:

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  式中,m为设置的最大相移角;fm为最大相移角对应的频率;fg为电网频率;f为所测公共点频率。

  为简化参考电流初始相位计算公式并易于在DSP上实现,有人提出一种改进算法,定义相位计算公式为:

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  式中,k为主动移相算法的反馈系数。

  相较式(1),式(2)更加简洁,更适合于DSP的应用环境。当本地负载为标准谐振负载时,式(2)中的反馈系数取k>0.1时能成功检测出孤岛。在该式中,k值变化引起相位变化,而相位同时影响着检测效率和电能质量,二者是相互矛盾的。

2 孤岛运行时负载频率特性分析

  孤岛检测测试标准中通常用RLC并联谐振负载来代表实际运行时的负载。对并联谐振负载频率特性进行分析,负载品质因数[5]:

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  式中,为谐振角频率,f0为负载谐振频率。

  并联RLC负载在频率f电路下阻抗相角为[5]:

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  当电网断开后,公共连接点的电压由电流和本地负载的乘积所得,通常将节点电压取为参考向量,所以电压相角取零,故:

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  根据式(5)与式(6)可以得出,在特定的负载情况下,孤岛运行时公共耦合点电压的频率与电流相位角的关系如下:

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  由上述关系可绘制公共耦合点电压频率随电流相位角增大(减小)的变化趋势图,见图2。其中曲线 1、2、3 分别代表额定频率下呈阻性、感性和容性负载(通过改变谐振负载电容值实现)的节点电压频率跟随电流初相位变化的规律。

  从图2中可以看出,在特定的负载情形下,随着电流超前相位的不断增加,公共连接点的频率不断增大,若电流滞后,频率则逐渐减小。注意到,当相位变化时该函数单调增加的快慢有所不同。随着电流滞后相位的增加,起初频率呈直线变化,而后相位每增大一点频率迅速减小;电流超前情况下类似,频率随相位的增大,变化越来越迅速。

3 改进的主动移相法

  当电网断开后,公共点电压频率与相位偏移量是以正反馈的形式相互作用,使频率不断变化。由图2得到的频率变化规律可知,电流超前(滞后)相位连续变化时,频率偏移速度越来越快。而相位偏移量主要受反馈系数的影响,为缓解主动移相法中相位变化时检测时间和电能质量之间的矛盾,提高检测效率,提出一种改进算法。当检测到频率不断朝一个方向变化时,设置如下条件:

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  式中?啄为设定的频率允许波动值。当频率的波动超出限定范围时,改变移相法反馈系数。

  国家标准GB/T15945-1995《电能质量—电力系统频率允许偏差》规定,电力系统正常频率偏差允许值为0.2 Hz,所以此处取?啄=0.2。当上述不等式成立时,相位偏移公式变为:

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  改进后算法流程见图3。首先按照算法式(2)施加相位偏移,当检测到频率向一个方向变动时,判断条件式(8)是否满足。若条件满足,则认为故障可能已发生,改变移相法反馈系数,按式(9)加入偏移量。通过增大反馈系数加强相位与频率之间的正反馈作用,达到快速检测孤岛的目的。反馈系数是在认定故障已发生后增大的,因此不会增加并网电流的畸变率。仿真中取k=0.105。

4 仿真验证与分析

  应用MATLAB/Simulink对整个分布式发电系统搭建模型并进行仿真研究。设置负载为标准谐振负载,负载功率与逆变器输出功率相平衡,电网电压为220 V,额定频率为50 Hz。电网在0.2 s断开,分别对改进前后的主动移相法进行仿真。

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  图4为采用移相算法f时,电网断开后公共节点电压及电流的变化情况。图5为频率偏移情况。由图可以看出该法能成功检测出孤岛,但直至0.45 s孤岛保护才动作,检测时间较长,不满足IEEE Std.929- 2000标准中0.2 s内有效检测出孤岛的要求。图6和图7为应用改进算法时公共点电压、电流及频率的变化情况。

  从图7中频率的变化情况可以看出,当频率低于49.8 Hz改变算法反馈系数后,每一电压周期的频率变化量不断增大,从而使频率快速偏移出设定阈值,系统在0.36 s 时检测出孤岛并退出运行。检测时间为0.16 s,满足0.2 s内有效检测出孤岛的标准,检测时间较改进前缩短了约5个电压周期。同时对改进算法下的电能质量进行分析,图8为并网运行阶段的电流波形,据此波形计算输出电流的总谐波畸变率为0.15%,完全符合低于5%的并网要求,谐波含量非常小,对电网几乎无影响。因此改进算法能在保证较低电流畸变率的情况下,大大缩短检测时间,提高检测性能,减小盲区。

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5 结论

  本文针对已有的主动相位偏移法存在的检测时间较长、检测效率低下的问题,提出一种改进算法。该方法是对逆变器输出电流的相位施加扰动,进而引起频率的偏移。算法中加入一个反应频率变化的阈值条件,并根据条件满足与否判别是否增大移相算法反馈系数,使得公共点电压频率迅速减小直到超出设定范围,OFP/UFP动作,系统退出运行。改进算法保持了原算法在DSP上的易实现性,并使检测时间大大减少,满足IEEE Std.929-2000标准要求,且对电能质量影响很小。通过仿真试验验证了其检测的有效性及快速性。

参考文献

  [1] 程启明,王映斐,程尹曼,等.分布式发电并网系统中孤岛检测方法的综述研究[J].电力系统保护与控制,2011,39(6):147-154.

  [2] SMITH G A,ONIONS P A,INFIELD D G.Predicting islanding operation of grid connected PV inverters[J].IEE Proc Electr.Power Appl.,2000,147(1):1-6.

  [3] HUNG G K,CHANG C C,CHEN C L.Automatic phase-photovoltaic inverters[J].IEEE Transactions on Energy Con-version,2003,18(1):169-173.

  [4] 刘芙蓉,王辉,康勇.滑模频率偏移法的孤岛检测盲区分析[J].电工技术学报,2009,24(2):178-182.

  [5] 张纯江,伞国成,孟慧英.一种新的自适应相位偏移并网孤岛检测方法[J].燕山大学学报,2008,32(4):356- 361.

  [6] 刘芙蓉,康勇,王辉,等.主动移相式孤岛检测的一种改进的算法[J].电工技术学报,2010,25(3):172-176.

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