田兴华， 李良光

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南 232001）

并网光伏发电系统的孤岛检测

田兴华， 李良光

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南 232001）

田兴华（1989-），男，硕士研究生，研究方向为光伏并网和微电网技术。

为了在并网光伏发电系统中能及时、有效地检测孤岛效应，提出了q轴电流扰动法。一旦有孤岛产生，能使频率迅速脱离检测盲区，直到触发孤岛保护。仿真结果表明，q轴电流扰动法检测时间小于2 S，几乎对电能质量没有影响，证明了该方法的可行性。

并网光伏发电系统；孤岛检测；q轴电流扰动法；检测盲区

0 引 言

光伏并网发电系统处于孤岛运行状态下,会对电力系统运行以及人们的生活产生严重影响,造成孤岛中的频率和电压不稳定,损坏用户的家用电器和设备；虽然与电网断开,但是孤岛中线路是带电的,可能危及检修人员人身安全。所以,一旦电网断电,系统对电网的供电也就必须立即中止,及时做好反孤岛措施。因此,研究如何检测孤岛效应及如何采取保护措施,具有重要的现实意义。

1 孤岛检测分析

孤岛效应是指光伏并网系统没有及时检测出电网因误操作或电气故障、自然因素等引起的供电中断,未脱离电网,仍然向周围的用户负载及电力线路供电,导致电力公司无法控制而形成的一种自给的供电孤岛。

光伏并网系统的功率流图如图1所示。用断路器的闭合来模拟系统的正常运行与孤岛状态,选用RLC并联作为系统负载。正常情况下,电网和光伏系统会同时向负载供电。当网侧断路器断开,电网出现故障时,对负载的供电就会由光伏系统独立承担。若光伏逆变器输出功率和负载功率近似匹配,即ΔP＝0,ΔQ＝0,光伏系统会因为公共耦合点的电压幅值和频率继续维持在正常的运行范围之内而无法检测到电网断开故障,从而运行在孤岛状态。

图1 光伏并网发电系统功率流图

图1中,功率流向关系为

在实际应用中,光伏逆变器输出的功率与负载功率之间存在一定的偏差,该偏差可以用负载(R+ΔR,L+ΔL,C+ΔC)来表示。在电网断开前,这个偏差可以由电网来补偿(ΔP≠0,ΔQ≠ 0),但当断开电网后,负载端电压和频率将会改变为Ug′和fg′。由图1可知,电网断开前负载端频率为

因此,得

根据品质因数的定义,得

因此,式(8)可以简化为

式(13)就是孤岛效应的检测盲区。在这个区间内,若逆变器仍然通过频率值或电压幅值的异常保护功能来检测孤岛,系统的反孤岛效应就会变得不可靠。

在dq坐标系下,逆变器输出的有功功率和无功功率可以表示为

如果电网的三相电压是理想的正弦波,则在dq坐标系中Uq＝0,代入式(14)、(15),可以得到：

当电网断开时,如果q轴电流没有扰动,且RLC等效负载的谐振频率和电网工频接近,则Qinv、Qload都接近于0,ΔQ＝0,发生孤岛时系统处在检测盲区中,无法触发孤岛保护。这就必须借助主动的孤岛检测方式,使ΔQ脱离检测盲区。

2 反孤岛标准及孤岛检测方法

IEEE 1547要求,突发性的孤岛出现后,电力系统中仍然有部分分布式电源通过公共连接点继续供电,分布式电源应在2 s内检测出,孤岛停止给这一区域供电。

逆变器－本地检测、电网－本地检测、外部开关电容检测是孤岛检测三种主要方法。借助电力线路中的通信系统或公共接入点处的外部开关电容,后两种方法可更准确地检测孤岛效应,但增加系统的成本和复杂性。

(1)电网－本地检测方法与其他的逆变器－本地检测技术完全不同,它的基础是电网和光伏逆变器之间的信息交换。通信系统的信号发射器安装于线路保护开关旁,信号接收器安装在公共接入点的光伏逆变器附近。电力线载波通信线路通过电网介质供通信系统使用。正常情况下,输电线路的通信系统通过一个特殊频率信号发送到接收器。若孤岛发生,则光伏逆变器就不再接收到这种信号。

该方法对于孤岛检测非常有效,但需要电网运营商之间的相互协作,并且存在信号收发设备费用高的问题。即使在低压配电网中,电网运营商仍可以借助监管控制和数据采集系统促进电网－本地检测方法的使用。由于设备费用高,目前该方法还没投入商业运用,但如果光伏系统的渗透率增加,这种情况将会发生变化。

外部开关电容检测能够产生一个与电网阻抗成比例的过零延迟,是因为将外部电容并联在电网中并且进行周期性投切。在几年前,该方法已经被成功运用。在多个逆变器并联工作的情况下,外部电容检测方法仅使用一台设备就可以实现孤岛检测。

逆变器－本地检测方法以光伏逆变器控制平台内部的软件算法为基础,可分为被动式和主动式。被动式方法的实现是通过检测电网断开后造成的功率不平衡,进而引起电力系统参数(电压基波幅值、频率、相位或电压谐波值)变化,存在检测盲区,常需要与主动式方法相结合来增加检测方法的可靠性。主动式方法通过在公共接入点产生一个扰动,使电力系统参数发生变化,从而达到检测目的,可显著减少检测盲区。然而,在多个逆变器并联工作的情况下,该方法有可能影响电网电能质量,造成电网运行不稳定。

3 q轴电流扰动法的应用

q轴电流扰动法控制框图如图2所示［3_4］。

图2 q轴电流扰动法控制框图

图2中,Qinv为逆变器输出的无功功率,为无功功率需求,idist为q电流扰动信号,ΔQ＝Qinv_。iq和idist有如下关系：

式中：kp、kI－－－PI控制器的参数；

kf－－－扰动信号的参数；

f－－－RLC负载端的频率。

由式(18)、(19),可得

对式(18)求导,可得

如果q轴电流施加的扰动信号使系统能在规定时间内脱离检测盲区,即可触发孤岛保护,可得

由于fg、kp、kI、Pload、都是正值,因此式(21)可以表示为

其中,A为一个不确定的正值。式(22)可以进一步简化为

其中,B、C都是一个不确定的正值。发生孤岛时,若f_B＜fg,系统会脱离出检测盲区的下限；若f_C＞fg,系统会脱离出检测盲区的上限。当系统在电网下运行时,无功功率和频率的变化因电网的补偿接近于0。因此,q轴电流扰动法具有谐波小、电能质量高的优点。

4 q轴电流扰动法仿真分析

q轴电流扰动法孤岛检测控制原理如图3所示。在已建立的光伏并网系统仿真模型中,以图3的控制结构进行采样分析,加以q轴电流扰动的孤岛检测算法,在MATLAB环境下对整个系统进行仿真研究。图3中,光伏逆变器的额定功率为3 kW,开关频率为10 kHz,并联RLC负载R＝11.5Ω,L＝14.58 mH,C＝689μF,负载品质因数为2.5,负载谐振频率为50 Hz,电网额定相电压为220 V,电网额定频率为50 Hz。

图3 q轴电流扰动法孤岛检测控制原理

设定P*为3 kW,Q*为0,仿真结果如图4所示。

图4 RLC负载端有功功率、频率变化

由图4可见,电网在0.56 s断开后,逆变器继续向RLC负载输送有功功率；1.5 s时刻,q轴电流扰动信号使RLC负载端频率脱离检测盲区,触发孤岛保护,逆变器停止向RLC负载输送有功功率。从电网断开到逆变器停止向RLC负载输送有功功率的总时间为0.94 s,满足IEEE 1547规定的要求(2 s)。

电网输出电流的谐波畸变率如图5所示。由图5可见,输出电流的谐波畸变率很小,对电能质量几乎没有影响。

图5 电网输出电流的谐波畸变率

4 结 语

q轴电流扰动具有检测盲区小、扰动小、电能质量高等优点,一旦有孤岛产生,能使频率快速脱离检测盲区,直到触发孤岛保护。仿真结果表明,q轴电流扰动法的检测时间＜2 s,几乎对电能质量没有影响,证明了该方法的可行性。

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ISlanding Detection of Grid Connected Photovoltaic PoWer SyStem

TIAN Xinghua, LILiangguang
(College of Electrical and Information Engineering,AnHui University of Science&Technology,Huainan 232001,China)

This paper proposed an islanding detectionmethod based on the q_axis current disturbance to effectively and timely detect the islanding problems in connected photovoltaic system.The q_axis current disturbancemethodmakes the frequency rapidly from the non detection zonewhen there is an island,until landing protection.The simulation results show that the detection time of q_axis current disturbancemethod is less than 2 s,which has no effect on power quality. It proves the feasibility of thismethod.

grid connected Photovoltaic PoWer SyStem；iSlanding detection；q-aXiS current diSturbance m ethod；non detection Zone

TU 852

A

1674-8417(2015)12-0045-04

2015- 06- 08

李良光（1960-），男，教授，研究方向为开关电源。