主動移頻孤島檢測參數(shù)對并網(wǎng)電能品質(zhì)的影響

周素梅，袁曉玲，范發(fā)靖

(河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100)

0 引言

越來越多的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)通過逆變器并網(wǎng)輸送到電網(wǎng)上，引起了許多潛在的電網(wǎng)保護(hù)問題［1-2］，其中孤島效應(yīng)問題尤為突出。所謂孤島效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因中斷供電時，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能檢測出停電狀態(tài)并脫離電網(wǎng)，持續(xù)向電網(wǎng)供電，使并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍負(fù)載形成一個電力公司無法控制的自給供電孤島［3-4］。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，如可能會危及電網(wǎng)檢修人員的安全，影響配電系統(tǒng)的保護(hù)開關(guān)動作程序，在重合閘時可能對用戶的設(shè)備造成損壞等。因此，對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)來說，具有反孤島效應(yīng)的功能至關(guān)重要。反孤島效應(yīng)的關(guān)鍵是電網(wǎng)斷電的檢測，且檢測時間越短效果越好。

為了有效防止孤島效應(yīng)的發(fā)生，孤島檢測方法層出不窮。然而，大多數(shù)孤島檢測方法都存在檢測盲區(qū)［5］，對于目前比較常用的主動移頻法(AFDPF)也不例外。在某些特殊的負(fù)載組合下，孤島檢測裝置不能及時有效地檢測出孤島狀態(tài)，這些引起孤島檢測失敗的負(fù)載組合的集合稱為孤島檢測盲區(qū)。

目前，對于孤島檢測盲區(qū)的研究主要集中在理論研究分析方面［6］。理論分析是研究孤島檢測盲區(qū)的一種有效方法，通過理論分析建立孤島檢測的盲區(qū)描述，把這些引起檢測失敗的負(fù)載特性定量地刻畫出來。揭示孤島檢測算法的適用范圍和影響檢測盲區(qū)的因素，對不同孤島檢測方法的性能進(jìn)行評價、比較和改進(jìn)，促進(jìn)孤島檢測技術(shù)的提高。

孤島檢測盲區(qū)的分析方法主要有:功率失配空間法［7］，Qf×C0坐標(biāo)系法［8］，L×Cnorm坐標(biāo)系法［9］等。功率失配空間法只適用于被動式孤島檢測方法的盲區(qū)分析;Qf×C0坐標(biāo)系法的橫縱坐標(biāo)之間存在耦合關(guān)系，不能直觀反映出負(fù)載對孤島檢測盲區(qū)的影響;L×Cnorm坐標(biāo)系法不能很好地反映出負(fù)載電阻變化對孤島檢測盲區(qū)的影響。為了彌補(bǔ)這些方法的不足，本文采用Qf0×Cnorm坐標(biāo)系法對主動頻率偏移法的孤島檢測盲區(qū)進(jìn)行分析。該方法不僅適用于被動式孤島檢測方法，也適用于主動式孤島檢測方法;它能完整描述不同負(fù)載參數(shù)下孤島檢測方法的檢測能力;有效地解決了兩個坐標(biāo)間的耦合關(guān)系，是一種有效的孤島檢測盲區(qū)描述方法。

1 AFDPF 檢測法參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 擾動信號cf 的設(shè)計(jì)

為避免頻率在越限保護(hù)之前達(dá)到穩(wěn)態(tài)，需設(shè)置較大的cf 以得到較大的相角，且負(fù)載品質(zhì)因數(shù)越大，需要設(shè)置的cf 越大。然而截?cái)嘞禂?shù)的增加直接影響PV 系統(tǒng)輸出電流的THD 值增大。IEEE Std929—2000 中規(guī)定總諧波畸變率不超高5%，這意味著對cf 的取值有一定的限制。圖1 清楚地說明兩者之間的關(guān)系。當(dāng)cf=0.0 時，THDi=0.89%;當(dāng)cf=－0.045 時，THDi=4.92%;當(dāng)cf=0.046時，THDi=4.88%［10］。

圖1 cf 與THDi 的關(guān)系曲線

用線性函數(shù)近似計(jì)算出上圖所示的曲線函數(shù)關(guān)系，得

2.2 AFDPF 初始擾動值cf0的選取

在主動移頻算法中，截?cái)嘞禂?shù)cf 表征頻率擾動的強(qiáng)度。故而在帶正反饋的主動移頻算法中，初始截?cái)嘞禂?shù)cf0代表了電網(wǎng)存在時的固有頻率擾動強(qiáng)度，其作用是在脫網(wǎng)瞬間觸發(fā)頻率偏移，其值直接影響逆變器輸出電流的諧波大小。考慮到負(fù)載容性感性的問題以及由于電力噪聲和檢測誤差的存在，斷網(wǎng)瞬間檢測頻率總有相對于電網(wǎng)頻率的偏移問題，可對初始截?cái)郼f0系數(shù)作如下的修正，即:

其中:當(dāng)f－fg≥0 時，sign(f－fg)=1;當(dāng)f－fg≤0 時，sign(f－fg)=－1。

從而感性負(fù)載和容性負(fù)載的孤島檢測效率都可提高。

1)當(dāng)反饋系數(shù)k 相同時，初始截?cái)嘞禂?shù)修正前后的盲區(qū)分布圖如圖2 所示。

2 帶正反饋的主動移頻式孤島檢測方法的檢測盲區(qū)

由圖2 可以看出，當(dāng)反饋增益相同時，初始截?cái)嘞禂?shù)修正后的盲區(qū)分布比初始截?cái)嘞禂?shù)修正前的盲區(qū)分布更趨向高品質(zhì)因數(shù)Qf。當(dāng)滿足總諧波畸變率不超過5%時，可以實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)檢測的品質(zhì)因數(shù)可達(dá)到Qf=3.32，即Qf≤3.32 的品質(zhì)因數(shù)都可實(shí)現(xiàn)無檢測盲區(qū)。

2)當(dāng)Qf=2.5 時，初始截?cái)嘞禂?shù)修正前后的盲區(qū)分布圖如圖3 所示。

圖3 帶正反饋的主動移頻式孤島檢測方法的檢測盲區(qū)

此時，對于cf=0.02 +0.053 1×Δf，總諧波畸變率THDi=4.927 7;

對于cf=0.053 1×Δf，總諧波畸變率THDi=4.218 9;

對于cf=sign(f－fg)×0.02 +0.019 6×Δf，總諧波畸變率為THDi=3.909 9。

由此可知:相同品質(zhì)因數(shù)情況下，初始截?cái)嘞禂?shù)修正后的盲區(qū)描述比修正初始截?cái)嘞禂?shù)前的盲區(qū)描述的盲區(qū)大小基本上不改變盲區(qū)的寬度，只會使盲區(qū)在負(fù)載平面上下平行地移動;但是總諧波畸變率變小，即當(dāng)Qf≤2.5 時都能做到無盲區(qū)檢測，而且對電能的品質(zhì)影響在三種方法中最小。

2.3 AFDPF 中反饋系數(shù)k 的選取

脫網(wǎng)后若θAFDPF始終大于或小于θload，則頻率將保持一個方向偏移，穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)不存在，以此能檢測出孤島。為了確保AFDPF 法在最惡劣的情況下能有效工作，要求K 滿足如下條件:

高Qf值使電路有朝著并保持于諧振頻率處工作的趨勢。在使用頻率擾動反孤島檢測時，Qf值越高，頻率漂移的困難越大。因此在進(jìn)行反孤島測試時，太小或太大的Qf值都是不實(shí)際和不可取的。IEEE Std 929 工作組成員和十幾位電網(wǎng)工程師經(jīng)過討論認(rèn)為選取Qf=2.5 符合電網(wǎng)的實(shí)際情況［3］。因此，不應(yīng)過分追求孤島檢測的強(qiáng)效，只要滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，對品質(zhì)因數(shù)等于2.5 的所有負(fù)載，能保證沒有檢測盲區(qū)即可。當(dāng)Qf=2.5時，求得k≥0.053 1。

圖4 是AFDPF 在有初始截?cái)嘞禂?shù)以及沒有初始截?cái)嘞禂?shù)情況下，不同反饋系數(shù)的盲區(qū)分布圖。由圖4 可以看出，AFDPF 中反饋系數(shù)的大小決定了盲區(qū)的大小。反饋系數(shù)增益越大，檢測盲區(qū)越小。但過大的增益會增大電流畸變、惡化電能品質(zhì)，甚至可能引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。在滿足總諧波畸變率不超高5%的情況下，通過近似計(jì)算可得:

當(dāng)cf=0.02+kΔf 時，k ≤0.054 7;當(dāng)cf=kΔf 時，k≤0.065 6。

圖4 帶正反饋的主動移頻式孤島檢測方法的檢測盲區(qū)

3 結(jié)語

本文采用Qf0×Cnorm坐標(biāo)系法對帶正反饋的主動頻率偏移法的檢測盲區(qū)進(jìn)行了描述。對AFDPF 孤島檢測方法的初始截?cái)嘞禂?shù)進(jìn)行了修正;推導(dǎo)了在指定品質(zhì)因數(shù)Qf0下，要保證孤島檢測無盲區(qū)，AFDPF 算法中反饋增益的取值范圍。同時還對有無初始截?cái)嘞禂?shù)以及修正后的初始截?cái)嘞禂?shù)的盲區(qū)描述方法進(jìn)行了分析比較。仿真研究表明，修正初始截?cái)嘞禂?shù)后的盲區(qū)描述圖顯示，孤島檢測盲區(qū)被推向品質(zhì)因數(shù)更高的區(qū)域，而且電流的總諧波率減小了，為AFDPF 算法優(yōu)化提供了有力的理論指導(dǎo)。該方法同樣適用于其他基于移頻、移相類孤島檢測方法的性能描述和參數(shù)優(yōu)化。

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