光伏发电系统孤岛的检测

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光伏发电系统孤岛的检测

2011-11-18 16:58:309072

　　摘要：介绍了光伏并网发电出现孤岛会带来的负面影响，同时引入了关键电量检测法和主动频率偏移法（AFD法）及在其基础上改进的2N周期扰动法。2N周期扰动法极大地减小了主动频率偏移法的死区，并减小对电流质量的影响，但由于2N周期扰动法仍存在比较严重的非检测区的问题，提出了2N周期扰动法和关键电量检测法相结合的方法，通过对比分析可以发现，这个方法可以有效减小非检测区并且在检测区内可以提高孤岛检测的可靠性。

　　关键词：孤岛检测；2N周期扰动法；关键电量检测

　　0引言

　　近年来随着世界能源危机和环境污染的加剧，光伏发电污染少，使用寿命长，得到了人们的广泛重视。光伏并网发电有初期投资低、电能输出稳定等优点，目前已成为光伏发电发展最快的形式之一。

　　光伏并网系统孤岛效应是指当与光伏发电系统相连接的电网的部分线路因故障或维修停电时，停电线路所带负载由所连的光伏并网系统继续供电，并连同周围负载构成一个自给的供电的孤岛。孤岛效应会对配电网和用户端设备造成严重的危害。因此研究孤岛效应的检测方法和保护措施，将孤岛效应的危害降至最低，具有很重要的理论意义和工程应用意义。

　　孤岛的检测方法主要有被动检测法和主动扰动法。被动检测法的优点是实现简单，缺点是当发生孤岛后公共耦合点电压处于非检测区内时，存在无法识别问题。主动扰动方法一般是通过定时地改变输出信号，实现对电网的扰动效果。根据逆变输出电流公式Iinv＝Imsin（2πft＋θ）可知，对幅值Im、频率f或初始相位θ进行扰动，使处于孤岛状态下的系统公共耦合点电压的参数：幅值、频率或谐波含量等超出正常范围，从而达到检测孤岛效应的目的。主动频率偏移法（AFD）是一种常用的主动扰动法。

　　1孤岛检测原理分析

　　1.1AFD法的基本原理

　　主动频率偏移法（AFD）是一种最常用的主动扰动检测孤岛的方法。图1所示为AFD法基本原理图，T为公共耦合点电压波形周期；T₁ 为逆变器输出电流参考波形的周期；T₂为加入扰动后的畸变时间。

　　前半周期的前段系统输出电流保持正弦但频率不同于电网电压，当该电流达到过零点，输出电流将保持T₂时间的零值，直到后半周期开始；后半周期的第一部分，光伏发电系统输出电流是前半周期第一部分呈现横轴翻折，当系统电流再次达到过零点，它将保持为零直到电压到达过零点。由于T₂时间内输出为零，电流参考波形傅里叶分解中既含有正弦分量又有余弦分量，因此其基波分量相对于此电流就出现了一个相移。反复如此，系统的频率将会增加。电网正常工作时在扰动信号的作用下并网电流只会有微小的频率偏移，无法持续改变频率；当孤岛形成以后，将发生持续偏移，偏移量足够大时就能被频率保护电路检测到。

　　1.2AFD法缺陷及改进的2N周期电流扰动法

　　AFD法其本身存在两个重要的缺陷。一是加入了主动地扰动信号，导致光伏并网发电的质量下降。二是存在孤岛检测的"死区"，会使在特定条件下对孤岛做出的检测失效。所以出现了很多对AFD法的改进方法。

　　2N周期扰动法是对AFD法的一种改进方法，原理如图2所示。在第2N个整数电压周期时，采用与AFD法相同的电流扰动；在第2N+1个整数电压周期时，逆变器输出电流与公共耦合点电压同频同相，并不进行任何畸变。检测时比较2N周期和2N+1周期电压的频率差别，这样既可以提高并网电流质量，还有效地减小了非检测区的范围。

　　2N周期法的原理是电网断电后若是负载频率大于电网频率的，则耦合点频率增大。若是负载频率小于电网频率则耦合点频率减小。在达到稳态以前电压频率是高低交错渐进变化的，最终相邻周期电压频率会稳定在两个频率上变化。2N周期的电压频率高，这是电流扰动的结果。

　　2N+1周期的电压频率比较低，是本地负载固有频率决定的。可以通过连续记录耦合点相邻周期电压频率之差正负交替变化状态次数，当超过设定次数时，则进行孤岛保护。
　　1.3关键电量变化率检测

　　关键电量变化检测法是通过检测关键电量的变化判断电网是否断电，原理如图3所示。

　　式中：P，Q为逆变器输出的有功和无功；P_L，Q_L为本地负载的有功和无功；ΔP，ΔQ为不匹配有功和无功；V_PCC为PCC处的电压。孤岛发生后逆变器的输出P，Q保持不变，逆变器的输出功率与本地负载达到平衡，这种情况下会有

　　式中：ω'为孤岛发生后PCC处的角频率；V'_PCC为孤岛发生后PCC处的电压。

　　由此可知只要ΔP，ΔQ不为零，逆变器的输出功率与本地负载需求功率不完全匹配时，孤岛发生后PCC点处的电压和频率都会发生变化，而且会因为不匹配程度越大，频率变化就越大。频率和电压的变化会引起其他一些相关电量的变化，如负载电压、输出有功和无功等。

　　通过检测这些相关电量的变化可以达到监测孤岛的目的。如果电压和频率的变化较小时可以考虑频率变化与相关电量的变化之比Δf/ΔP，如频率变化与负荷电压之比、频率变化与负荷有功变化之比等，来检测孤岛的存在。本文利用Δf/ΔP检测孤岛提高灵敏度。

　　由式（1）、（2）、（3）有

　　针对AFD进行改进的2N周期电流扰动法，可以通过检测相邻周期的电压频率之差是否连续正负交替变换来有效地识别非检测区内的孤岛，这种方法存在的问题是在特定条件下依然会存在死区。

　　本文提出2N周期扰动与关键电量变化率检测相结合的方法，可以使非检测区的范围减小，提高孤岛监测可靠性，也有效克服了电量检测反应慢的缺点。

　　2 2N周期法结合与关键电量变化率检测系统设计

　　本设计采用TI公司的2000系列DSP（TMS320LF2407A）为核心设计该测量模，具有较高的数据处理能力。其采用高性能静态CMOS技术，使供电电压降为3.3V，功耗低。并网逆变器的孤岛检测，可以采用直流检测的方法实现对过电压及欠电压的检测。该检测方法先将三相交流电进行三相桥式整流，然后滤波，再对整流出来的脉冲波形进行峰值判断，当峰值高于规定的最高值或低于最低值时，发生孤岛信号，使电网断电。

　　使用TMS320LF2407A进行孤岛测量的组成框图如图4所示。被采样信号首先通过隔离与差分输入，再进入低通滤波，然后通过MAX125采样。差分输入是为了抑制共模干扰，滤波的作用是滤除高频谐波，防止频谱混叠。TMS320LF2407A把处理的结果可以通过液晶显示，也可以上传到上位机参数监测。

　　基于数字信号处理器TMS320C32进行了单台逆变器并网实验，电网电压220V／50Hz，T_Z＝100μs，ε＝15μs，N_ref＝20，本地负载L＝100mH，C＝100μF，R＝110Ω，开关频率20kHz，滤波电感100mH。另外，本实验采用有限冲击响应滤波器对电网电流进行了滤波，从电网电流中提取了基波含量，避免了谐波的影响。

　　实现2N周期扰动与关键电量变化率检测相结合的方法的中断服务软件流程图如图5，6所示。