孤岛检测

光伏系统中孤岛检测的算法研究张耀孤岛效应一个性能完善的光伏并网发电系统，需要各种保护措施保证用户的人身安全，同时防止设备因意外而造成的损坏。由于光伏发电系统和电网并联工作，因此光伏发电系统需能及时检测出电网故障并切断其与电网的连接。如果不能及时发现电网故障，就会出现光伏发电系统仍向局部电网供电的情形，从而使本地负载仍处于供电状态，造成设备损坏和人员伤亡。这种现象被称为孤岛效应。目前孤岛检测主要分为被动式检测和主动式检测两种。被动式检测是利用电网断电瞬间，逆变器输出功率与局部负载功率不平衡造成的逆变器输出端电压值和频率变化作为孤岛效应检测的依据。其具有检测方法简单，对系统运行无干扰等优点。但是如果在电网停电的瞬间，逆变器输出功率与局部负载功率达到平衡，该方法将失去作用。主动式检测是在系统工作中，对逆变器输出电流、频率或相位施加一定的扰动信号，并对其进行检测。如果电网正常，因电网的巨大平衡作用，逆变器输出不受扰动信号的影响;一旦电网出现故障，这些扰动量就会在逆变器输出端逐步累计，直至超出规定范围，从而反映出电网故障。与被动式检测方法相比，主动式检测方法具有精度高，检测盲区小的优点。但当局部电网存在多个分布式能源系统时，主动式检测效果下降，严重时甚至无效。如图所示，电网正常工作情况下，相当于开关Sl、S2均闭合，电网和光伏发电系统同时向图中逆变器负载和电网负载供电;电网突然停止工作时，相当于开关S1闭合,S2打开，此时光伏发电系统继续向逆变器负载和局部电网负载供电，那么将会导致孤岛的产生。被动式孤单检测被动式检测主要有电压频率检测、相位检测、频率检测三种方法，在实际中均有一定的应用。但是由于被动式孤岛检测方法对逆变器输出功率与负载功率是否匹配有较高的要求，因此存在较大的检测盲区。所以在此不做详细的描述。主动式孤岛检测根据所加扰动方式的不同，主动式孤岛检测法主要分为移频法、移相法及功率扰动法。移频法主要有主动移频法(ActiveFrequencyDrift，AFD)与带正反馈的主动移频法(ActiveFrequencyDriftwithPositiveFeedback．AFDPF)，通过对逆变器的输出频率进行扰动来提高孤岛检测效果。移相法主要有滑动相移法(SlipModeFrequencyShift，SMS)与自动移相法(AutomaticPhaseShift，APS)等，通过对逆变器的输出相位进行扰动来提高孤岛检测效果。下面就分别介绍几种主要的主动式孤岛检测方法。主动移频法主动频率偏移(ActiveFrequencyDrift．AFD)孤岛检测方法的思想是通过锁相环(PLL)确定公共点电压的频率和相位．调整光伏逆变器输出电流的给定频率。使电流频率比公共点电压频率略高或略低。若电流半波已完成而电压过零点未到。则强制电流给定为零。直到电压过零点触发到来。电流才开始下一个半波。如图3.2所示。这样在电网正常时，公共点电压受电网电压钳制而保持不变，一旦电网失压。公共点电压将由本地负载相位特征曲线决定．公共点电压的频率会受电流频率的影响而逐渐偏离原值。最终有可能超过正常范围而被（过频／欠频)保护检测到。从而判断出孤岛。电网失压后．如果不关闭逆变器．公共点电压的频率会发生波动，直到新的平衡产生。稳态频率应使负载相角满足如下关系式中为电流过零点超前（或滞后）电压过零点的时间间隔。为AFD的截断系数。且，T为电压周期。1arctan22azafatRCcLztfc2zftcT一旦上述公式被满足，系统将达到稳态，如果在调整中频率超限，则孤岛被检出，如果没有，则孤岛产生。由于主动频率偏移法该方法简单且容易实现，但是扰动参数设置过小，则容易出现漏检；参数设置较大，虽可提高检测效果却降低了电能质量，并且在RLC负载情况下，会因谐振频率的干扰造成孤岛效应的漏判，所以在此基础上又产生了带正反馈的主动移频法为了使系统更快的检测出电网故障，研究人员提出了正反馈有源频率漂移法AFDPF。在该方法中满足下式：式中是上个周期的扰动信号，是本周期的扰动信号，是根据逆变器输出电压频率的变化情况施加的反馈信号，正反馈有源频率漂移法的工作过程如下:1kkkcfcfFcf1kcfkcfkF①电网正常时，由于逆变器输出电压的频率不变，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的作用与电网电压的频率产生误差;③由于的反馈作用，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。cfcfkF由分析可知，无论是无论传统的AFD方法还是AFDPF方法，扰动信号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。为了避免为避免因负载性质造成AFD孤岛效应检测方法效果下降。又出现一种新的周期性扰动AFDPF孤岛效应检测方法。周期性扰动AFDPF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，周期性不间断的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。右图是周期性扰动AFDPF孤岛效应检测方法的控制原理框图。图中，，是两个不同方向的扰动信号分别等于5%、-5%;，分别是施加扰动信号后，逆变器输出电压频率与电网电压频率的误差;是并网标准规定的允许频率。该方法工作时，，轮流对逆变器输出电压频率进行扰动，并比较，的大小。当孤岛效应发生时，选择较大的扰动信号为基准，然后对其施加正反馈。1cf2cf1f2fgridf1cf2cf1f2f如公式所示:其中为反馈信号。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。cf1kkcfcfcf以容性负载为例①初始扰动信号为5%:在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;②初始扰动信号为-5%:逆变器输出电压的频率受干扰信号的作用应降低，由于容性负载的原因，逆变器输出电压的频率变化大于扰动信号，即;③因，选择为下一步反馈加强信号，继续对逆变器输出电压的频率施加扰动;④，系统判断电网出现故障，切断逆变器与电网的连接。1cf1cf11fcf2cf22fcf21ff2cf2gridff主动式频率孤岛效应检测的另一种方法是滑动频率移相法(slipmodefrequency-shift，SMS)。该方法与有源频率漂移法工作原理类似，不同之处在于该方法是对逆变器输出电压的相位进行扰动.滑模频率偏移法(slipmodefrequency-shift，SMS)滑模频率偏移法是一种主动式孤岛检测方法。它控制逆变器的输出电流，使其与公共点电压间存在一定的相位差，以期在电网失压后公共点的频率偏离正常范围而判别孤岛。以光伏逆变器输出单位功率因数的情况为例，不加SMS算法时，逆变器输出电流与公共点电压同频同相；加入SMS孤岛检测算法后，逆变器输出电流的频率不变，但相位发生偏移，偏移大小由SMS算法决定。逆变器的电流给定是这样确定的：由锁相环(PLL)检测电压的过零上升沿间隔时间，得到公共点（PCC）频率，作为下一周期光伏逆变器输出电流给定的频率；下一周期的起始时刻由公共点电压的过零上升沿确定，起始相位由SMS算法计算得出pccvpviSMS通常取式中，为滑模频率偏移算法的最大相移：产生最大相移时对应的频率；为公共点的频率；为电网频率。sin2gSMSmmgffffmmffgf逆变器电流控制的等效模型如图所示，由图可知，电流与电压的相位差受SMS算法和RLC负载相位角的影响，当时，PLL检测到的电压周期将变短，导致下一周期电流给定频率增大；当时时，PLL检测到的电压周期将变长，会降低下一周期给定电流的频率。因此，要使电网断开后公共点频率持续单向变化，必须满足0SMSGj0SMSGj如果上述关系成立，公共点电压相位就会始终超前(落后)于电流相位，使得频率被单向推高(或降低)，最后超出正常范围，判别出孤岛。同样的，滑模频率偏移法也有类似于主动移频法的检测失败的问题，也就是只要电流起始角与负载相位角之和为零，此时，系统达到稳定工作点。如果此时电压频率任在电网频率范围内，则检测失败。00SMSSMSGjGjggffffGj自动相位偏移法如果SMS稳定工作点的频率没有超过电网频率范围．孤岛检测将进入盲区．为此可以在SMS基础上。加入附加的相位偏移量。对这个稳定点进行扰动。这就是自动相位偏移(AutomaticPhaseShift，APS)．其相位偏移角为11360gAPSgfkfkkaf起始角除了和前一电压周期的频率有关外，还加上一个修正角，其大小与稳定工作频率的大小有关：式中为稳定工作频率的变化值，且k13.6sgnkkff1,0sgn0,01,0ffff若稳定工作频率下降，则因累加的结果逐渐增加，反之将逐渐减少，算法流程图如图所示。开始输出端电压过正零点？计算前一电压周期的频率f(k-1)NY到达稳定操作点？NY计算稳定工作频率的变化值fooo13.6sgn()kkfoo160Hz136060Hzfkkk以θ（k）作为输出电流起始角oo1kk该方法在实现中需确定“孤岛稳态”的判定阈值并对进行整定，设置不当会导致并网工作时移相过大而影响输出电流的品质，或移相过小而使孤岛检测能力不足。另外，对“稳态”的判断影响了的修正快速性，进而影响孤岛检测的快速性。kk在此基础上，又延伸出了一种新的算法新算法可表示为：为主动相位偏移法的反馈系数。比较SMS和APS的算法公式，可见新算法要简洁的多，下面说明只要反馈系数选择的合理一样可以有很好的孤岛检测功能。由前面SMS算法原理中，我们知道了电流与电压的相位差与的关系。gkfkffkkpvipccvGj图为断网后主动移相算法成功检测孤岛的示意图，其中曲线1、2、3为负载的相位角／频率特性曲线，分别代表额定电网频率下呈阻性、感性和容性的RLC负载，曲线4为移相算法的移相角／频率曲线，曲线5、6、7为三类负载的频率特性曲线(由于讨论的频率变化范围较小，特性曲线看起来像一组平行直线)。当位于坐标水平轴线上方时，有，公共点频率在电流控制作用下有增大的趋势；位于水平轴线下方时，公共点频率有变小的趋势。0.2fGjGj0GjGj因此，电网失压后频率变化如下：(1)如谐振负载并网时呈阻性，如曲线1，则频率在扰动下将向上或向下偏离原值，如曲线5箭头所示。(2)如果谐振负载在电网频率下呈感性，如曲线2，电网失压时，公共点频率将单向变大，轨迹如曲线6箭头所示。(3)如果谐振负载在电网频率下呈容性，如负载曲线3，电网失压时，公共点频率将单向变小，轨迹如曲线7。0Gj0Gj综上分析，孤岛检测成功的充分条件是穿越水平轴时切线斜率大于零，即其中代入负载参数可得通过对的整定，可以在满足孤岛检测性能要求的情况下，最大限度地减小算法引起的电流畸