一種改進的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主動移相式孤島檢測方法

孫學超，李 嵐

SUN Xue-chao, LI Lan

(太原理工大學 電氣與動力工程學院，太原 030024)

0 引言

孤島是指當電網(wǎng)停止供電時，分布式發(fā)電系統(tǒng)繼續(xù)向本地負載繼續(xù)供電的現(xiàn)象[1]。在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，孤島現(xiàn)象的出現(xiàn)可能會對整個配電系統(tǒng)及用電設備造成不利影響。主要有以下幾點危害：危及輸電線路檢修人員安全；影響配電系統(tǒng)上保護開關的動作程序；電網(wǎng)恢復時相位不同步，引起大的電流沖擊；系統(tǒng)因單相供電而造成系統(tǒng)三相欠相供電等[2]。因此光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中孤島現(xiàn)象的檢測是非常必要的。

孤島檢測方法可分為被動式和主動式[3]。被動式孤島檢測方法主要是依靠對公共耦合點（Point of Common Coupling，PCC）電參量進行檢測來判斷是否發(fā)生孤島效應。但當逆變器輸出功率與負載平衡時將產(chǎn)生檢測盲區(qū)。主動式孤島檢測方法是指系統(tǒng)對電網(wǎng)施加擾動信號，通過檢測電網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)來判斷是否發(fā)生孤島效應[4]。通過主動施加擾動可以保證檢測無盲區(qū)，因此主動式方法更受青睞。施加擾動種類主要有：輸出功率、頻率、相位等等[5～7]。其中主動移相法是通過對公共耦合點的并網(wǎng)電流相位進行擾動來進行檢測的方法，它具有無功率損失、檢測效率高、電流畸變小等特點。

本文對常用的主動移相法進行分析研究，針對空間矢量脈寬控制（space vector pulse width modulation，SVPWM）的三相并網(wǎng)逆變器提出改進的主動移相式孤島檢測方法，并計算了參數(shù)。該方法在簡化的自動移相法的基礎上通過檢測頻率控制擾動的正反饋，從而保證檢測效果滿足孤島檢測要求，并且與改進前相比降低對并網(wǎng)電流質(zhì)量的影響，如圖1為運行原理圖。

圖1 控制原理圖

1 常用的主動移相法

主動移相法的原理為，對逆變器輸出電流相位進行擾動，使電流與電網(wǎng)電壓相位存在相位差θ，當孤島現(xiàn)象出現(xiàn)時，由于擾動角θ的存在，PCC點電壓頻率將在鎖相環(huán)的作用下持續(xù)偏移，當達到過頻率保護點時，逆變器將停止工作。傳統(tǒng)的主動移相算法為滑動移相法（Slip Mode phase Shift,SMS），它將偏移的相位設置為偏離電網(wǎng)頻率的正弦函數(shù)。

其中，θm為最大移相角，fm為產(chǎn)生最大移相角時的頻率，fg為電網(wǎng)的工頻頻率，f為PCC點電壓頻率。此算法運算較為復雜，且未設置初始相移，雖然電網(wǎng)存在噪聲與檢測誤差，但都不可控，不能保證可靠觸發(fā)。

在SMS法基礎上出現(xiàn)了簡化的自動移相法（Auto Phase Shift，APS）。其相角可表示為：

式（3）通過檢測斷網(wǎng)瞬間頻率偏移方向來決定相位擾動方向，從而保證斷網(wǎng)瞬間擾動相位可靠觸發(fā)，并且提高檢測速度[8]。

當孤島效應發(fā)生時，系統(tǒng)將在擾動的作用下到達一個新的平衡狀態(tài)，在新的平衡狀態(tài)下滿足條件：

其中θload為負載電流超前電壓的角度，f0為負載諧振頻率，Qf為負載品質(zhì)因數(shù)。為保證APS法檢測無盲區(qū)，要求在標準諧振負載條件下，滿足：

將式（2）、式（5）式代入式（6）得不同品質(zhì)因數(shù)下，K值應滿足[9]：

因此保證較大的正反饋因數(shù)可以確保一定負載條件下檢測無盲區(qū)。但正常運行時電網(wǎng)電壓頻率存在一定波動，反饋因數(shù)越大，正常運行時并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位差越大，對電網(wǎng)質(zhì)量影響越大，因此在滿足孤島檢測條件下，k值越小越好。

2 改進算法的提出和相關參數(shù)的計算

對簡化的自動移相法參數(shù)進行改進的原理為，當k值不滿足式（7）時，系統(tǒng)孤島運行時PCC點電壓頻率將產(chǎn)生偏移，達到新的穩(wěn)定點。負載選取在最惡劣的條件下，品質(zhì)因數(shù)為2.5時，諧振頻率50Hz。由式（7）得此時檢測無盲區(qū)的條件為k＞0.1。如圖2所示，曲線1為當k＜0.1、頻率向上偏移時APS法擾動相位隨頻率變化曲線。曲線2為負載相角隨頻率變化曲線。當頻率比A點小時，擾動角小于負載相角，鎖相環(huán)的作用下系統(tǒng)頻率將增大；當頻率比A點大時，擾動角大于負載相角，鎖相環(huán)的作用下系統(tǒng)頻率將減小，因此圖2中A點為穩(wěn)定運行點。

圖2 APS法相移隨頻率變化圖

檢測PCC點電壓頻率，到達穩(wěn)定點A之前，改變k值，則可保證頻率繼續(xù)偏移，最終在頻率達到穩(wěn)定點之前使k＞0.1即可保證孤島現(xiàn)象成功檢測出。圖3為頻率向上偏移時，不同的K值對應的頻率穩(wěn)定運行點。

圖3 APS法穩(wěn)定運行點圖

國家標準 GB/T15945-1995《電能質(zhì)量—電力系統(tǒng)頻率允許偏差》規(guī)定，電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為 50±0.2Hz。實際運行中，我國電力系統(tǒng)頻率的允許偏差都保持在±0.1Hz的范圍內(nèi)。則跟據(jù)頻率改變兩次k值，取改變k值的頻率變化閥值分別為±0.1Hz、±0.2Hz。考慮檢測誤差選取適當k值使穩(wěn)定運行點頻率與工頻差分別為±0.15Hz、±0.25Hz，由式（2）、式（4）及式（5）得兩穩(wěn)定點對應k值分別為0.03、0.06。取正反饋增益k的初值為0.03，當頻率差達到閥值±0.1Hz時變?yōu)?.06，當頻率差達到閥值±0.2Hz后取k的終值大于0.1即可。與改進前的固定正反饋增益值相比，改進后的方法可以在電網(wǎng)無故障時減小系統(tǒng)k值，從而減小對并網(wǎng)電流質(zhì)量的影響。并且，由于電網(wǎng)正常運行時電壓頻率偏差在±0.2Hz以內(nèi)，因此k的終值并不影響并網(wǎng)電流的質(zhì)量，則可通過提高終值來提高檢測速度。取k終值為0.3，則k值變化表達式為：

改進后的算法比傳統(tǒng)的算法（2）多了兩次正反饋因數(shù)的調(diào)節(jié)。本文研究的光伏逆變器采用DSP2812作為控制器，運算能力強大，處理速度快。兩此反饋因數(shù)的調(diào)節(jié)只需增加兩次中斷的時間，所加時間可忽略不計。

經(jīng)過理論分析，改進的方法通過檢測頻率對正反饋因數(shù)進行非線性變換可保證在降低擾動對并網(wǎng)電流質(zhì)量影響的情況下成功檢測出孤島，同時通過檢測頻率達到閥值后進一步增大k值還可以進一步提高檢測速度。

3 仿真分析

為對改進的算法的效果進行分析，本文對1.4KW的光伏發(fā)電戶用系統(tǒng)孤島檢測采用MATLAB/Simulink進行仿真分析，仿真模型如圖4所示。

圖4 MATLAB/Simulink下光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型

在負載品質(zhì)因數(shù)為2.5，諧振頻率為50Hz的條件下，對簡化的APS法進行仿真，取正反饋因數(shù)k=0.102，初始相移θ0為0.01rad，系統(tǒng)在0.2s處斷網(wǎng)。

圖5 算法（2）仿真結(jié)果

仿真可知，系統(tǒng)在0.288s處成功檢測出孤島現(xiàn)象并斷網(wǎng)。由式（2）可得，當電網(wǎng)電壓頻率偏差分別為±0.1Hz、±0.2Hz時，并網(wǎng)電流與電壓的相位差分別為0.0202rad、0.0304rad。對上述簡化的APS法進行改進，取正反饋系數(shù)按式（8）變化。仿真結(jié)果如圖6所示。

仿真可知，通過檢測頻率變換正反饋因數(shù)的值，可以在斷網(wǎng)發(fā)生時，使電壓頻率持續(xù)偏移，使系統(tǒng)在0.258s處檢測到孤島現(xiàn)象并最終成功斷網(wǎng)。且與改進前相比，在檢測速度上提高了0.03s。證實了改進后方法的可行性。并且由式（2）可得改進后的算法對并網(wǎng)電流質(zhì)量影響。

圖6 算法（8）仿真結(jié)果

表1 不同擾動算法效果對比

根據(jù)國家對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)要求，在電網(wǎng)發(fā)生故障失壓時，孤島檢測系統(tǒng)應在2s內(nèi)動作[10]，將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)切斷。仿真結(jié)果表明，改進的算法可以滿足孤島檢測的要求，并且可以通過較為簡單的運算使并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的相位差比改進前減小，提高了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出電能質(zhì)量，并且通過優(yōu)化參數(shù)，可以在不增加對并網(wǎng)電流質(zhì)量影響的情況下提高檢測速度，是一種適合于在DSP環(huán)境下應用的方法。

4 結(jié)論

從理論分析和仿真結(jié)果來看，提出的改進的主動移相式算法具有如下優(yōu)點：

1）通過邏輯判斷改變計算參數(shù)，可以實現(xiàn)檢測無盲區(qū)。

2）算法簡單，僅通過簡單的數(shù)學計算與邏輯判斷，減小了編程工作量。

3）改進的算法在保持檢測速度的同時，減小了擾動算法對并網(wǎng)電流質(zhì)量的影響。

綜上所述，本文提出的改進的主動移相式孤島檢測方法具有算法簡單，能量利用率高，對電網(wǎng)影響小的特點，具有一定的實際應用價值。

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