周期性扰动AFDPF方法在光伏并网系统孤岛检测中的应用*

2012-02-06张晓莉薛家祥崔龙斌梁永全

电子技术应用 2012年5期

张晓莉,薛家祥,崔龙斌,梁永全

(1.江西理工大学机电工程学院，江西赣州 341000；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640)

美国Sandia国家实验室提供的报告指出,当电力公司的供电因故障或停电维修而跳脱时，各个用户端的太阳能并网发电系统因不能即时检测出停电状态而将自身切离市电网路，而使电网局部负载仍处于供电状态[1],即所谓的孤岛效应(Islanding)。由于光伏发电系统与电网并联工作，电网会因为故障、设备检修或者操作失误等原因停止工作，也就是说孤岛效应是光伏并网发电系统中普遍存在的一个问题。因此准确、及时地检测出孤岛效应是光伏并网发电系统设计中的一个必须解决的关键性问题[2]。孤岛效应检测方法主要分为被动式和主动式两种。被动式孤岛检测方法通过检测逆变器的输出是否偏离并网标准规定的范围(如电压、频率或相位)判断孤岛效应是否发生。其工作原理简单、实现容易，但在逆变器输出功率与局部负载功率平衡时无法检测出孤岛效应的发生。主动式孤岛检测方法通过控制逆变器，使其输出功率、频率或相位存在一定的扰动。电网正常工作时，由于电网的平衡作用，这些扰动检测不到。一旦电网出现故障，逆变器输出的扰动将快速累积并超出并网标准允许的范围，从而触发孤岛效应的保护电路。该方法检测精度高、检测盲区小，但是控制较复杂且降低了逆变器输出电能的质量[3-4]。

本文结合1.5 kW非隔离型光伏并网逆变器，提出一种周期扰动带正反馈的有源频率漂移法（AFDPF）。该方法可有效避免因逆变器负载性质而导致检测失败的问题，提高了检测速度，缩小检测盲区。

1 孤岛效应发生机理

图1所示为光伏并网系统孤岛问题研究的电网拓扑结构图，光伏并网系统与负载连接,再通过投闸开关接到配电网络,电网系统停止供电时就形成了孤岛。

2 周期扰动AFDPF方法

2.1 AFDPF方法的提出

有源频率扰动孤岛检测法具有检测速度快、检测盲区小的特点。该方法的检测效果与扰动信号cf(Chopping Fraction)值大小有关：当孤岛效应发生时，cf越大，系统对孤岛效应检测的效果越好，但是较大的cf会降低逆变器输出电能的质量。因此如何选择cf的大小，使其既能保证逆变器的输出电能满足并网要求，又不降低孤岛效应的检测效果成为有源频率扰动法研究中的一个重要问题。

研究认为，有源频率扰动法中，如果cf在±5%内时，逆变器输出电能的谐波能够满足并网标准的相关要求且基本满足孤岛检测的要求[5]。为了使系统更快地检测出电网故障,提出了正反馈有源频率漂移法 AFDPF(Active Frequency Drift with Positive Feedback)[6]，在该方法中cf满足下式:

式中：cfk-1是逆变器上一个周期的扰动信号，cfk是本周期扰动信号，F(△Wk)是根据逆变器输出电压频率的变化情况施加的反馈信号，cf的初始值选为5%，以保证逆变器输出电能的质量。正反馈有源频率漂移法的工作过程如下:

(1)电网正常时，由于逆变器输出电压的频率不变，cf保持不变；

(2)当电网出现故障时，逆变器输出电压的频率因扰动信号cf的作用与电网电压的频率产生误差；

(3)由于F(△Wk)的反馈作用，逆变器下一个周期输出电压的频率与电网电压的频率误差更大；

(4)步骤(3)不断重复，逆变器输出电压的频率迅速上升，最后超出并网标准的要求。

与传统的AFD方法相比，该方法提高了孤岛效应发生时的检测速度。当孤岛现象发生时，逆变器的负载性质对逆变器输出电压的频率有一定的影响。有源频率扰动法中，无论传统的AFD方法还是AFDPF方法，扰动信号cf均按一个方向对逆变器输出电压的频率进行扰动。当电网发生故障且负载性质不同时，逆变器输出电压的频率变化方向有可能与扰动信号方法相反，这会导致逆变器输出电压频率误差积累较慢从而延长孤岛检测时间。特殊情况下，负载对逆变器输出电压频率的平衡作用会抵消频率扰动的作用，这种情况下会出现孤岛效应的漏判。

2.2 周期性扰动AFDPF方法

为避免因负载性质造成AFD孤岛效应检测方法效果下降，在原有AFDPF方法的基础上提出了周期性扰动AFDPF孤岛效应检测方法。

2.2.1 工作原理

所谓周期性扰动AFDPF孤岛效应检测方法是指在电网正常工作情况下，周期性不间断地对逆变器输出电压进行正反两个方向的频率扰动，以消除负载性质对单一频率扰动方向的平衡作用。

图2是周期性扰动AFDPF孤岛效应检测方法的控制原理框图。图中cf1、cf2是两个不同方向的扰动信号分别等于 5%、-5%；△f1、△f2分别是施加扰动信号 cf1、cf2后，逆变器输出电压频率与电网电压频率的误差；fisland是并网标准规定的允许频率。

图2 周期扰动孤岛效应检测方法原理框图

该方法工作时，cf1、cf2轮流对逆变器输出电压频率进行扰动，并比较△f1、△f2的大小。当孤岛效应发生时，选择△f较大的扰动信号cf为基准，然后对其施加正反馈，如式(2)所示,其中 △cf为反馈信号。在此方法控制下，逆变器输出频率变化加快，从而在较短的时间内超出并网标准的规定，触发保护电路，切断电网与逆变器的连接。

2.2.2 工作过程

为了能够更清楚地了解本方法的工作过程，下面以容性负载为例，描述该方法的具体工作过程(假设系统正常工作时电网突然停电):

(1)初始扰动信号cf1为5%:在外界的扰动下逆变器输出电压的频率应增加，但由于容性负载会降低逆变器输出电压的频率，因此逆变器输出电压的频率变化低于扰动信号，即|△f1|＜|cf1|。

以上分析表明,采用周期性扰动AFDPF检测方法后，当孤岛效应发生时，对于任何性质的负载，逆变器输出电压的频率总会出现明显的变化，从而消除了采用固定方向cf有源频率漂移法对负载的依赖性。同时，系统对产生频率误差较大的扰动信号cf施加正反馈使频率误差进一步扩大，从而缩小了检测盲区，提高了孤岛效应的检测效果。

2.3 孤岛检测控制程序

采用周期扰动带正反馈有源频率漂移法(AFDPF)进行孤岛检测的程序流程图如图3所示。

3 非隔离型光伏并网逆变器孤岛检测测试

在1.5kW的非隔离型光伏并网逆变器中应用周期性扰动AFDPF方法进行孤岛检测实验，得到的测试结果如图4所示。当电网中断供电时，光伏并网发电系统仍然向周围的负载供电，从而形成一个电力公司无法控制的自给供电的孤岛。根据UL1741/IEEE1547标准，一旦发生孤岛效应，逆变器应在2 s内停止输出。由孤岛波形看出，完全达到了设计的要求。图5给出了发生孤岛时的电流瞬时波形，其中图5(a)是小波分析仪采集到的孤岛保护过程的电流瞬时波形，图5(b)是经过小波滤波后的电流瞬时波形。由图中可看出在几个毫秒内逆变器已停止电流输出。