多機(jī)光伏并網(wǎng)逆變器的孤島檢測技術(shù)研究

摘要：隨著新能源發(fā)電的迅速發(fā)展，越來越多的可再生能源被轉(zhuǎn)化為電能通過并網(wǎng)逆變器輸送到電網(wǎng)。并網(wǎng)逆變器要求具備孤島檢測功能，目前對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的研究主要集中于單機(jī)，通常對(duì)其輸出施加一定的擾動(dòng)以提高孤島檢測能力。本文從多機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行的角度對(duì)孤島檢測方法進(jìn)行了研究。針對(duì)并網(wǎng)逆變器所常用的移頻與移相兩類主動(dòng)孤島檢測技術(shù)在多逆變器并聯(lián)工作下的相互聯(lián)系及內(nèi)在影響進(jìn)行了深入分析。同時(shí)給出這兩類方法下的逆變器孤島檢測設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)及孤島算法參數(shù)選取方法，從而為多機(jī)光伏并網(wǎng)逆變器孤島檢測提供了理論指導(dǎo)。 敘詞：并網(wǎng)逆變器 光伏 孤島檢測 移頻 移相 Abstract：Due to the development of distributed generation, grid-connected converters are widely employed for renewable energy sources utilization. The islanding detection is a mandatory function for such converters. It usually injects perturbations in the converters' output to improve islanding detection effectiveness. The current research is mainly focusing on the islanding detection of individual converter. This paper is dedicated to investigating the strategies for multiple PV grid-connected converters operation. The characteristics of normally used active frequency shift and active phase shift islanding detection methods in multiple converters system are explored. The design principle and parameters selection rule of the two strategies are also presented. It provides basic islanding detection design guidance for multiple PV grid-connected converters system. Keyword：Grid-connected converter, PV, Islanding detection, Frequency shift, Phase shift
1 引言[1]

隨著新能源發(fā)電的迅速發(fā)展，越來越多的可再生能源（如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能和燃料電池）被轉(zhuǎn)換為電能后通過并網(wǎng)逆變器輸送到電網(wǎng)。孤島檢測是并網(wǎng)逆變器所必備的功能[1-9]。并網(wǎng)逆變器的孤島現(xiàn)象是指電網(wǎng)因故中斷供電時(shí)逆變器仍向電網(wǎng)傳輸電能，和本地負(fù)載形成一個(gè)公共電網(wǎng)系統(tǒng)無法控制的自給供電孤島[1,2]。該現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)威脅到電網(wǎng)維修人員的安全，影響配電系統(tǒng)的保護(hù)開關(guān)動(dòng)作程序，在重合閘時(shí)可能對(duì)用電設(shè)備造成損壞等。在孤島檢測中，僅依靠被動(dòng)式檢測方法容易漏檢，通常采用被動(dòng)與主動(dòng)相結(jié)合的方法以減小檢測盲區(qū)。然而主動(dòng)檢測法需對(duì)逆變器的輸出施加擾動(dòng)，再檢測公共點(diǎn)的電壓、頻率、阻抗等的變化來判斷電網(wǎng)存在的情況。因此，要求主動(dòng)孤島檢測法能適用于各種負(fù)載情況同時(shí)又對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的不良影響較小。但大部分研究都只是針對(duì)單臺(tái)并網(wǎng)逆變器，使其在單機(jī)運(yùn)行時(shí)能夠檢測孤島，針對(duì)多并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行下的孤島檢測性能研究較少。

隨著光伏并網(wǎng)逆變器被越來越多的接入電網(wǎng)，研究多機(jī)并網(wǎng)逆變器的孤島檢測有效性是非常有必要的。本文對(duì)各種孤島檢測法進(jìn)行了分析，針對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器所常用的移頻與移相兩類主動(dòng)孤島檢測技術(shù)在多機(jī)工作模式下的相互聯(lián)系及內(nèi)在影響進(jìn)行了深入分析。同時(shí)給出這兩類方法下的逆變器孤島檢測設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)及孤島算法參數(shù)選取方法，從而為多機(jī)光伏并網(wǎng)逆變器孤島檢測提供了理論指導(dǎo)。

2 主要孤島檢測方法

被動(dòng)式孤島檢測方法就是檢測并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)連接處電壓的異?，F(xiàn)象，主要有過/欠壓與過/欠頻法、電壓相位突變檢測法及電壓諧波檢測法[2]。一般的光伏并網(wǎng)逆變器均要求具備過/欠壓與過頻欠頻保護(hù)功能。但電壓相位突變檢測及電壓諧波檢測在實(shí)際中因動(dòng)作閥值選取困難而較少采用。

根據(jù)所施加擾動(dòng)方式的不同，主動(dòng)式孤島檢測法主要分為移頻法、移相法及功率擾動(dòng)法。移頻法主要有主動(dòng)移頻法[2,7,9](Active Frequency Drift, AFD)與帶正反饋的主動(dòng)移頻法[2,9,10 ]（Active Frequency Drift with Positive Feedback, AFDPF），通過對(duì)逆變器的輸出頻率進(jìn)行擾動(dòng)來提高孤島檢測效果。移相法主要有滑動(dòng)相移法[2,10]（Slip Mode Frequency Shift, SMS）與自動(dòng)移相法[11]（Automatic Phase Shift, APS）等，通過對(duì)逆變器的輸出相位進(jìn)行擾動(dòng)來提高孤島檢測效果。

被動(dòng)式孤島檢測法只是被動(dòng)的去檢測公共點(diǎn)處的電壓異?，F(xiàn)象，在多機(jī)并網(wǎng)逆變器中的相互影響可以忽略。因此主要分析主動(dòng)式孤島檢測法在多機(jī)光伏并網(wǎng)逆變器間的相互影響。

3 主動(dòng)式孤島檢測法在多機(jī)光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中的工作特性分析

3.1 帶有功率擾動(dòng)孤島檢測法的多機(jī)光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)

功率擾動(dòng)法對(duì)并網(wǎng)逆變器的輸出功率產(chǎn)生一定擾動(dòng)。多機(jī)并網(wǎng)逆變系統(tǒng)若只有部分逆變器采用功率擾動(dòng)法或存在逆變器所施加的擾動(dòng)方向不一致或者擾動(dòng)不同步，則整個(gè)系統(tǒng)的孤島判斷因平均效應(yīng)而受到影響。同時(shí)功率擾動(dòng)也降低了光伏發(fā)電的利用率。

3.2 帶有移頻或移相孤島檢測法的多機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)

主動(dòng)移頻法（AFD）對(duì)逆變器輸出電流的頻率進(jìn)行偏移以實(shí)現(xiàn)孤島檢測。該偏移量為固定值[2,7,9]。

自動(dòng)移相法[11]是在滑動(dòng)移相法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，加快了電網(wǎng)斷電后的相位偏移速度。為簡化分析，本文主要討論滑動(dòng)移相法。

由于與一般較小，由式（7）可得總電流的幅值與單個(gè)逆變器電流的幅值之和差別較小。孤島檢測的擾動(dòng)主要體現(xiàn)在相位偏移上。由式（8）和式（9）可知不管m取何值時(shí)，總電流的相角總是介于兩臺(tái)逆變器各自的相角之間。下面分三種情況討論光伏逆變器的并聯(lián)情況，所有的分析都基于所接入的電網(wǎng)容量足夠大。

（1）采用AFDPF與SMS方法的逆變器各一臺(tái)

由式（9）可知兩臺(tái)逆變器并聯(lián)后合成電流的相角介于兩臺(tái)逆變器各自相角之間。AFDPF檢測法的為正值，式（2）和式（5）則表現(xiàn)出相角在頻率的正反饋下變化方向一致，即當(dāng)頻率變化時(shí)兩種方法所產(chǎn)生的相位擾動(dòng)方向相同。因此，只要每臺(tái)逆變器單獨(dú)運(yùn)行能夠有效檢測孤島，并聯(lián)后也就同樣能準(zhǔn)確檢測出孤島現(xiàn)象。

（2）兩臺(tái)逆變器均采用AFDPF或SMS方法

由式（2）可知，對(duì)于任何負(fù)載，均采用AFDPF孤島檢測法的逆變器的電流相角變化方向是一致的。同樣均采用SMS方法的逆變器的電流相角是一致的。只要單臺(tái)逆變器的孤島檢測性能保證，均采用AFDPF或SMS方法的逆變器并聯(lián)后孤島檢測效果不受影響。

（3）有一臺(tái)逆變器采用AFD方法

逆變器采用AFD方法時(shí)，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生單一頻率增加方向的擾動(dòng)。AFDPF與SMS方法均引入了頻率正反饋，使得既可向頻率增加又可向頻率減小的方向擾動(dòng)，主要取決于負(fù)載的性質(zhì)。當(dāng)與采用AFD方法的逆變器并聯(lián)時(shí)，在某些負(fù)載下會(huì)發(fā)生擾動(dòng)方向沖突，從而降低孤島檢測能力。因此，建議在使用移頻法時(shí)多采用AFDPF方法，該方法在容性負(fù)載時(shí)向頻率減小的方向擾動(dòng)，在感性負(fù)載下向頻率增加的方向擾動(dòng)，可與SMS方法相兼容。

該推導(dǎo)雖從兩臺(tái)逆變器出發(fā)，由式（8）和式（9）可知，以上結(jié)論也同樣適合多機(jī)光伏并網(wǎng)逆變器的情況。

4 AFDPF與SMS參數(shù)選取

其中為電流相位偏移角，為孤島形成后的公共電頻率。將過/欠頻保護(hù)裝置的動(dòng)作頻率（50±0.5Hz[14]）及式（2）帶入式（14）即可畫出基于品質(zhì)因數(shù)與諧振頻率空間的盲區(qū)圖，如圖3所示，其中同一線型所包圍的區(qū)域即為檢測盲區(qū)。

對(duì)于SMS孤島檢測法，一般取， 根據(jù)式（5）同樣計(jì)算出[12]。此外，參考AFDPF的工作方式，可采用線性頻率正反饋?zhàn)鳛橄辔粩_動(dòng)以簡化SMS算法（即將式（5）線性化）。

5 仿真驗(yàn)證

采用Matlab/Simulink對(duì)多機(jī)并網(wǎng)逆變電系統(tǒng)的孤島檢測性能進(jìn)行仿真。取電網(wǎng)電壓220V/50Hz，頻率保護(hù)動(dòng)作閥值為50±0.5Hz。

將本地RLC負(fù)載的有功設(shè)置為3kW，諧振頻率為50Hz，負(fù)載品質(zhì)因素設(shè)為2.5。針對(duì)圖2所示的系統(tǒng)，建立了兩個(gè)并網(wǎng)逆變器，其中一臺(tái)逆變器采用AFDPF孤島檢測法，另外一個(gè)采用SMS孤島檢測法，兩者的功率因數(shù)均為1且分別提供 50％的負(fù)載所需有用功。公共點(diǎn)的電壓、頻率及兩個(gè)逆變器的輸出電流如圖4所示。電網(wǎng)在0.1s時(shí)斷電，在0.18s系統(tǒng)頻率超過頻率保護(hù)上限值50.5Hz，即檢測出孤島，逆變器驅(qū)動(dòng)信號(hào)立即被封鎖。

當(dāng)兩臺(tái)逆變器均采用SMS孤島檢測法，其中的一臺(tái)提供30％的本地負(fù)載所需有用功，另外一臺(tái)提供70％的本地負(fù)載所需有用功。在此情況下的公共點(diǎn)的電壓、頻率及兩個(gè)逆變器的輸出電流如圖5所示。電網(wǎng)在0.1s時(shí)斷電，在0.22s時(shí)系統(tǒng)檢測出孤島。

當(dāng)兩臺(tái)逆變器均采用AFDPF孤島檢測法，其中的一臺(tái)提供30％的本地負(fù)載有用功，另外一臺(tái)提供70％的本地負(fù)載有用功。在此情況下的公共點(diǎn)的電壓、頻率及兩個(gè)逆變器的輸出電流如圖6所示。電網(wǎng)在0.1s時(shí)斷電，在0.14s系統(tǒng)檢測出孤島。以上檢測結(jié)果均滿足國家規(guī)定[14]的2s檢測時(shí)間。

該推導(dǎo)雖從兩臺(tái)逆變器出發(fā)，由式（8）和式（9）可知以上結(jié)論也同樣適合多機(jī)光伏并網(wǎng)逆變器的情況。

6 結(jié)論

并網(wǎng)逆變器均帶有孤島檢測功能，通常在被動(dòng)式孤島檢測的基礎(chǔ)上對(duì)逆變器輸出再實(shí)施一定擾動(dòng)來進(jìn)一步提高孤島檢測能力。本文對(duì)多臺(tái)光伏并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的孤島檢測方法進(jìn)行了研究。針對(duì)并網(wǎng)逆變器所常用的移頻與移相兩類主動(dòng)孤島檢測技術(shù)在多機(jī)工作狀態(tài)下的相互聯(lián)系及內(nèi)在影響進(jìn)行了深入分析。同時(shí)給出這兩類方法下的逆變器孤島檢測設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)及孤島算法參數(shù)選取方法，從而為多機(jī)光伏并網(wǎng)逆變器孤島檢測提供了理論指導(dǎo)。

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