主動移頻法在多機并聯(lián)時防孤島保護失效機理分析

姬麗雯， 戴晨松， 張 羽， 陳 磊， 劉 剛

(南京南瑞集團公司，江蘇 南京 210006)

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主動移頻法在多機并聯(lián)時防孤島保護失效機理分析

姬麗雯， 戴晨松， 張 羽， 陳 磊， 劉 剛

(南京南瑞集團公司，江蘇 南京 210006)

因為分布式發(fā)電系統(tǒng)的非計劃孤島會嚴重影響檢修安全、損害電網(wǎng)設備等，因此，并網(wǎng)逆變器要求具備孤島檢測功能。主動移頻(AFD)式孤島檢測法是常用的檢測孤島的方法，但是很多單機性能優(yōu)異的主動移頻防孤島方法在多逆變器并聯(lián)運行時孤島檢測性能變差甚至失效。采用相位原理和基于負載品質(zhì)因數(shù)與諧振頻率坐標系的盲區(qū)空間理論，分析多逆變器并聯(lián)運行防孤島保護失效機理，并通過仿真和實驗驗證理論分析的正確性，為多逆變器的孤島檢測設計和多機聯(lián)合運行提供理論指導。

多機并聯(lián)； 主動頻移； 孤島檢測； 失效機理

0 引 言

隨著新能源技術的不斷發(fā)展，越來越多的可再生能源轉換的電能通過并網(wǎng)逆變器傳輸?shù)诫娋W(wǎng)[1]。當電網(wǎng)因故發(fā)生中斷，并網(wǎng)發(fā)電裝置與負載構成自給自足的孤島發(fā)電系統(tǒng)，將對分布式發(fā)電系統(tǒng)造成多種有害影響。因此,孤島檢測是并網(wǎng)逆變器必須具備的功能[2]。應用被動式孤島檢測法檢測逆變器與電網(wǎng)間公共點處電壓的異?，F(xiàn)象(如過/欠壓、過/欠頻)，檢測盲區(qū)較大，容易漏檢[3]。主動頻移(active frequency drift,AFD)法通過對逆變器輸出電流頻率進行干擾以實現(xiàn)孤島檢測，檢測盲區(qū)小，應用廣泛[4]。

目前逆變器孤島檢測研究主要針對單機并網(wǎng)時的檢測算法與參數(shù)優(yōu)化的研究[5]。隨著大規(guī)模分布式發(fā)電系統(tǒng)的應用，多機并聯(lián)系統(tǒng)孤島檢測技術的研究受到越來越多關注[6]。此外，現(xiàn)有的許多孤島檢測方法在單機并網(wǎng)條件下檢測性能良好，而在多機并網(wǎng)條件下檢測性能明顯下降，甚至檢測不出孤島的發(fā)生或出現(xiàn)誤跳閘[7]。本文應用孤島檢測相位原理和Qf×f0坐標系下的盲區(qū)空間理論深入分析了主動頻移式孤島檢測方法在多機并聯(lián)運行時相互影響及檢測盲區(qū)變化規(guī)律，研究了多機情況下防孤島保護失效的機理，以此為逆變器的孤島檢測設計與多機聯(lián)合運行提供理論指導。

1 孤島檢測工作原理

AFD是逆變器通過向電網(wǎng)注入稍微有點失真的電流，以使得逆變器輸出端電壓的頻率在斷網(wǎng)后發(fā)生偏移，當頻率偏移超過設定閾值，則孤島狀態(tài)被檢測出來[8]。

圖1給出了并網(wǎng)逆變器輸出參考電流和公共點電壓波形。當輸出電流變?yōu)榱銜r將保持一段時間tz直至下1/2個周期開始，逆變器輸出電流頻率略微高于電網(wǎng)電壓頻率。圖中TVutil為電網(wǎng)電壓的周期值，TTpv為逆變器輸出電流給定的周期值。

圖1 采用AFD法的電流波形Fig 1 Current waveform by AFD method

使用AFD孤島檢測法的逆變器輸出電流相位角θAFD為

θAFD=ωtZ/2=πcf/2

(1)

逆變器輸出電流表示為

iAFD=IAFDsin(ωt+θAFD)

(2)

當逆變器與電網(wǎng)分離后，uPCC的響應波形將跟隨已失真的電流波形，頻率比上一個周期略微增大。隨著時間的推移頻率持續(xù)向上偏移，直到超過設定的保護閾值，從而檢測出孤島。

帶正反饋的AFD孤島檢測Sandia頻移(Sandiafrequencyshift,SFS)是在AFD法的頻率偏移量基礎上引入正反饋增益加速公共點電壓頻率的偏離，從而縮小檢測盲區(qū)。SFS的斬波系數(shù)可表示為

cfk=cfk-1+K(f-fg)

(3)

式中 cfk,cfk-1為第k和(k-1)個周期的斬波系數(shù)值， K為正反饋增益。

應用SFS法的逆變器輸出電流iSFS及初相位為

(4)

(5)

滑模頻率偏移(slip-mode frequency shift,SMS)法與SFS法都是通過引入正反饋來提高孤島檢測效率，不同之處在于SMS法是對逆變器輸出電流的相位而不是頻率進行擾動。應用SMS法的逆變器輸出電流iSFS及初相位為

(6)

(7)

式中 fm為最大相位偏移θm發(fā)生時的頻率。

基于Qf×f0坐標系的檢測盲區(qū)可由孤島檢測相位判據(jù)得到下式

(8)

式中 θINV為逆變器輸出電流的相位角，Qf為負載的品質(zhì)因數(shù)。頻率f處于孤島檢測標準設定的正常工作范圍內(nèi)孤島將持續(xù)發(fā)生。式(2)帶入式(9)即可得出基于負載品質(zhì)因數(shù)Qf與諧振頻率f0坐標系的AFD檢測盲區(qū)圖，如圖2(a)所示。同理可得出SFS和SMS檢測盲區(qū)圖，如圖2(b)、圖2(c)所示。圖中兩同一線型的曲線所包含的區(qū)域為孤島檢測盲區(qū)。

圖2 AFD法的檢測盲區(qū)Fig 2 NDZ for AFD

2 多逆變器并聯(lián)時孤島檢測失效研究

為研究多機并聯(lián)情況下防孤島保護失效的機理，分為5種情況進行討論：1)同時使用AFD和SFS孤島檢測法；2)同時使用AFD和SMS孤島檢測法；3)同時使用SFS和SMS孤島檢測法；4)全部采用SFS孤島方案；5)全部采用SMS孤島方案。為了方便分析，以2臺逆變器并聯(lián)為例，進行分析。

2.1 兩個逆變器分別使用AFD法和SFS法

不論本地負載的特性，AFD法使系統(tǒng)頻率向單方向移動；而SFS法使系統(tǒng)頻率在斷網(wǎng)后既可向增加方向也可向減小方向移動，移動方向由本地負載的容、感特性決定。因此,多機并聯(lián)系統(tǒng)中同時存在AFD與SFS法時產(chǎn)生的擾動作用會相互影響。假設采用AFD法的逆變器為本地負載提供比例為KAFDpu的有功功率。釆用上述兩種孤島檢測方法的并網(wǎng)逆變器輸出電流分別為

(9)

(10)

式中 等效逆變器輸出電流的初相角θINV為

(11)

根據(jù)孤島檢測判據(jù)(9)式可得出分布式發(fā)電(distributed generation,DG)系統(tǒng)兩臺逆變器分別采用AFD法與SFS法時在Qf×f0坐標系中的檢測盲區(qū)如圖3所示。

圖3 同時采用AFD法與SFS法的檢測盲區(qū)Fig 3 NDZ for both AFD and SFS

圖4參數(shù)Δf=0.5 Hz,cf0=0.02,K=0.07。由圖看出，采用AFD法的并網(wǎng)逆變器為本地負載提供的有功功率的比例KAFDpu越大，檢測盲區(qū)也就越大。當f0-fg>0，即f0>50時，系統(tǒng)所接本地負載為阻性或感性負載，此時AFD法與SMS法均有向上移頻作用，因而兩個逆變器產(chǎn)生的移頻信號不會相互影響，在圖4中表現(xiàn)為三種情況下盲區(qū)的上邊界基本相同；當f0-fg<0時，本地負載呈容性，因負載電壓滯后于負載電流，SMS法會順應負載變化使公共點電壓頻率下移，但AFD法只能產(chǎn)生向上偏移的信號，兩者作用相互抵消，使檢測盲區(qū)增大。

若將SFS法改用SMS法，在與AFD聯(lián)合使用時也會產(chǎn)生類似的情況。因為SMS法與SFS法的頻率偏移方向都隨負載的性質(zhì)變化而變化。

2.2 兩個逆變器分別使用SFS法和SMS法

兩個逆變器分別使用SFS法和SMS法，設用SFS法的逆變器為負載提供比例為KSFSpu的有功功率，則釆用上述兩種方法的逆變器輸出電流分別為

(12)

(13)

式中 等效逆變器輸出電流的初相角θINY為

(14)

由式(15)可知，min(θSFS,θSMS)<θINV

2.3 兩個逆變器均使用SFS法

當兩個逆變器均使用SFS法時，應用與2.2節(jié)相同的分析方法，得出等效逆變器電流初相角同樣介于兩臺逆變器各自初相角之間，即

min(θSFS1,θSFS2)<θINV

(15)

因為兩者的擾動方向相同，相互之間影響較小，并聯(lián)情況下不會影響檢測性能。但上述結論是在理想情況下得出的，沒有考慮檢測時會存在一定的傳感器檢測誤差。本文考慮最惡劣的情況，即兩臺逆變器的傳感器存在幅值相等、符號相反的檢測誤差。設兩逆變器均用SFS孤島檢測法，兩臺逆變器各分擔50 %的負載有功功率，逆變器輸出電流為

(16)

(17)

則等效逆變器的電流為

(18)

則等效逆變器的移頻相角為

(19)

若傳感器檢測誤差造成Δf1=-Δf2，則

(20)

可見等效逆變器移頻正反饋分量下降為0，逆變器相互影響較為嚴重，有孤島檢測失敗的可能。

2.4 兩個逆變器均使用SMS法

兩個逆變器同時使用SMS法和同時使用SFS的分析過程相同，兩臺逆變器因擾動方向一致而維持正反饋移頻作用，從而能夠檢測出孤島。

當傳感器存在等值異號的檢測誤差，相互影響最嚴重。設兩臺逆變器各分擔50 %的負載有功功率，且兩者的最大頻移相角θm和最大頻移相角對應的頻率fm相同,則兩臺逆變器并聯(lián)等效的輸出電流為

(21)

當Δfe足夠小，即Δfe?f時，式(21)可近似為

(22)

則等效逆變器輸出電流的相角為

(23)

其中最大頻移相角

(24)

從式(25)可以看出頻率檢測誤差會減小最大頻移相角值，即減小了系統(tǒng)的頻率偏移量，導致系統(tǒng)對孤島的檢測能力下降。但是，即使存在較大的頻率檢測誤差(Δfe=0.5)，最大偏移角變化不大，即在多機并聯(lián)系統(tǒng)中使用SMS頻移法對孤島檢測的效果影響不大。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建多逆變器并聯(lián)孤島檢測模型。逆變器輸出經(jīng)過電力電子變壓器進行隔離與有效值為220 V的電網(wǎng)相連，頻率保護動作閾值為(50±0.5)Hz。通過RLC并聯(lián)電路模擬本地負載，其參數(shù)按Qf=2.5，f0=49.5 Hz進行設置，具體參數(shù)見表1。負載的諧振頻率f0略小于電網(wǎng)頻率，負載呈現(xiàn)容性。逆變器輸出功率與本地負載吸收功率接近匹配。

表1 仿真參數(shù)設置

由圖4可見:兩臺逆變器分別采用AFD法和SFS法，KAFDpu為0.5時，0.5 s左右逆變器輸出端電壓頻率上移超過0.5 Hz，逆變器成功檢測出孤島。KAFDpu為0.8時逆變器輸出端電壓頻率2 s時尚未達到閾值，根據(jù)國標GB/T19939—2005光伏系統(tǒng)要在2 s內(nèi)檢測出孤島的技術要求，檢測失敗。圖4說明AFD逆變器與AFDPF逆變器并聯(lián)時，在容性負載下，兩者的擾動作用在一定程度上會相互抵消，且隨著AFD逆變器輸出電流在總輸出電流中比重增大，孤島檢測效果越差。

圖4 兩臺逆變器采用AFD與SFS法的頻率偏移Fig 4 Frequency shift of two inverters use AFD and SFS methods

圖5(a)是兩臺逆變器采用SFS法沒有傳感器檢測誤差時的孤島檢測情況。由圖5(a)可知，0.4 s左右逆變器輸出端電壓頻率上移達到設定閾值，成功檢測出孤島現(xiàn)象。圖5(b)是兩臺逆變器采用SFS法傳感器檢測誤差為±0.5 Hz時的孤島檢測情況。

圖5 兩臺逆變器均用SFS法波形圖Fig 5 Waveform of two inverters use SFS method

在傳感器檢測誤差等值異號時，會使兩逆變器的頻率擾動信號互相抵消而失去正反饋擾動特性。由圖可知，由于傳感器檢測誤差造成了兩個逆變器產(chǎn)生的擾動相互影響，頻率偏移緩慢，2 s時尚未達到閾值，檢測失敗。

4 實驗分析

為了更好驗證理論分析，構建2臺參數(shù)相同的三相并網(wǎng)逆變器進行實驗。其中并網(wǎng)控制和孤島檢測算法通過DSP28335實現(xiàn)，通信SCI接口與上位機相連，將檢測結果傳輸?shù)缴衔粰C中，通過液晶顯示器查看線路狀態(tài)、孤島信息和裝置動作信息。

圖6為應用SMS孤島檢測法的兩臺逆變器輸出三相電壓波形圖，及電網(wǎng)被切斷后1 s內(nèi)的局部放大波形。圖6(a)是兩臺逆變器采用SMS法沒有傳感器檢測誤差時的孤島檢測情況。0.2 s時產(chǎn)生孤島，電網(wǎng)電流完全為0，0.35 s時檢測出孤島，并將并網(wǎng)逆變器切離電路，兩臺逆變器電流降為0。圖6(b)是兩臺逆變器采用SFS法傳感器檢測誤差為±0.5 Hz時的孤島檢測情況。圖6(b)與圖6(a)相比較可以看出頻率檢測誤差的存在會使檢測時間變長，影響孤島檢測性能，但系統(tǒng)仍然可以在1s內(nèi)成功檢測出孤島，對孤島檢測的效果影響不大，與理論分析一致。

圖6 兩臺逆變器均用SMS法實驗波形Fig 6 Experimental waveforms of two inverters use SMS method

5 結 論

主動頻移法通過頻率擾動，使系統(tǒng)欠頻或者過頻從而檢測出孤島狀態(tài)。多機并聯(lián)運行時，各逆變器產(chǎn)生的頻率擾動可能存在相互影響，從而導致并聯(lián)系統(tǒng)的孤島檢測性能變差。本文分析了主動頻移法在多機運行時的各種情況，得出防孤島失效的機理：

1)當多機采用AFD法和SFS(或SMS)法，本地負載為容性時，頻率的偏移方向剛好相反，有檢測失效的風險。

2)當多機均用SFS孤島檢測法，存在頻率檢測誤差時，等效逆變器移頻相角中正反饋分量下降為0，多機相互影響較為嚴重，有孤島檢測失敗的可能。

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Analysis of failure mechanism of active frequency drift method anti-islanding protection in multimachine parallel connection

JI Li-wen, DAI Chen-song, ZHANG Yu, CHEN Lei, LIU Gang

(NARI Group Corporation,Nanjing 210006,China)

Because unplanned islanding of distributed generation system seriously affect the maintenance security,damage network equipment and have other damages,therefore grid-connected inverter requires islanding detection.Active frequency drift(AFD) islanding detection method is commonly used for detecting island,but many anti-islanding active frequency shift methods active in single inverter while deteriorate or even fail in a multiple inverter parallel system.Based on resonant frequency coordinate and non-detection zones(NDZ) theory of load quality-factor,failure mechanisms are analyzed under multi-parallel system.Simulation and experimental results are presented to validate the correctness of theoretical analysis,provide theoretical guidance for multi-inverter islanding detection design and multi-machine parallel operation.

multi-machine parallel connection; active frequency drift(AFD); islanding detection; failure me-chanism

2015—11—18

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0024—04

TM 615； TM 464

A

1000—9787(2016)10—0024—04

姬麗雯(1989-)，女，山東曲阜人，碩士研究生，主要研究方向為光伏發(fā)電并網(wǎng)研究。