光伏發(fā)電網(wǎng)主動式孤島檢測方法分析與比較

神華神東電力有限責(zé)任公司烏拉特中旗熱力廠 楊明喜

1 引言

本文深入分析孤島效應(yīng)發(fā)生原理，即在局部區(qū)域內(nèi)，由于某種原因（如設(shè)備故障、電纜損壞等），導(dǎo)致該區(qū)域與其他部分失去聯(lián)系，形成孤立的電力系統(tǒng)。通過比較基于功率匹配標(biāo)準(zhǔn)和相位標(biāo)準(zhǔn)的評估辦法，為孤島檢測提供了更全面、更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)參考。

2 光伏逆變器并網(wǎng)模型

根據(jù)光伏逆變器運(yùn)行特點(diǎn)，構(gòu)建逆變器并網(wǎng)控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 光伏逆變器并網(wǎng)控制系統(tǒng)

圖1中，Unet為電網(wǎng)電壓；PLL為同步鎖相控制環(huán)；U0代表逆變器交流側(cè)電壓。本文基于SPWM控制模式，將橋式逆變器視為一階慣性環(huán)節(jié)，當(dāng)逆變器開關(guān)頻率超過電網(wǎng)輸出頻率時(shí)，可以得到并網(wǎng)電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 并網(wǎng)電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)

3 基于相位偏移及頻率的主動式孤島檢測方法

3.1 主動頻率偏移法

本次研究引入主動頻率偏移檢測技術(shù)，對逆變器輸出的電流指令給定一個(gè)固定的頻率，令該電流頻率略高于上一個(gè)運(yùn)行周期公共節(jié)點(diǎn)電壓頻率。這種狀態(tài)下，如果電流的半波結(jié)束而電壓值未超過初始值，需要手動設(shè)定電流初始值，直至逆變器電壓超過初始值，電流才能進(jìn)入下一個(gè)半波，如圖3所示[1]。

圖3 逆變器電流給定信號與電流基波圖像

當(dāng)電網(wǎng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，逆變器內(nèi)部公共節(jié)點(diǎn)的電壓頻率，由于受到并網(wǎng)電網(wǎng)電壓的控制而保持不變。當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)孤島現(xiàn)象，公共節(jié)點(diǎn)的電壓不再受并網(wǎng)電網(wǎng)電壓控制，改為受本地負(fù)載相位特征曲線控制，隨著電流頻率的變化，電壓隨之發(fā)生改變。

將截?cái)嗪瘮?shù)cf定義為cf=2tz/Tnet，該定義中，Tnet表示光伏發(fā)電電網(wǎng)的電壓周期。觀察圖3中的電流基波曲線，發(fā)現(xiàn)基波曲線的頻率發(fā)生偏移，令基波曲線超過ωtz/2的相位角。實(shí)際工作中，如果多個(gè)電力用戶采用并網(wǎng)運(yùn)行模式，則需要確保光伏發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的頻率偏移具有一致性，這樣才能快速檢測到光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中是否存在孤島現(xiàn)象，若并網(wǎng)頻率偏移不具有一致性，則多個(gè)用戶產(chǎn)生的并網(wǎng)偏移頻率會被相互抵消，導(dǎo)致電網(wǎng)中的孤島遲遲無法被發(fā)現(xiàn)[2]。主動頻率偏移分析應(yīng)滿足：

當(dāng)滿足式（1）時(shí)，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，孤島檢測失效。若此時(shí)并網(wǎng)負(fù)載的狀態(tài)為“大電感+小電容”，則說明該檢測盲區(qū)的范圍有限。如果是“小電感+大電容”則說明檢測盲區(qū)較大。這種情況下，為了盡可能縮小檢測盲區(qū)，提高檢測效率，引入正反饋理念，創(chuàng)建基于正反饋的主動頻率偏移模式，即AFDPF 模式。

該模式中，截?cái)嘞禂?shù)計(jì)算式為：

式中：cfk-1為前一周期截?cái)嘞禂?shù)因子；Δωk為前兩個(gè)周期并網(wǎng)公共節(jié)點(diǎn)的電壓頻率之差；F(Δωk)為主動頻率偏移增量正反饋函數(shù)，滿足F(Δωk)=kΔωk，因此可以得到式：

分析式（2）與式（3）可以發(fā)現(xiàn)，若反饋增益超過限額，則會出現(xiàn)大電流畸變現(xiàn)象，令電能質(zhì)量降低，嚴(yán)重情況下還會導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常。為解決這一問題，需要對反饋增益k的范圍進(jìn)行明確限制，即：

式中：Qf為負(fù)載品質(zhì)因數(shù)；ω為電網(wǎng)角頻率。

AFDPF 算法具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠在復(fù)雜的電力系統(tǒng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)孤島檢測和保護(hù)。該算法能夠自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)，以適應(yīng)不同的電力系統(tǒng)條件和負(fù)載變化。

3.2 主動相位偏移法

除了通過控制輸出電流的頻率來檢測孤島外，還可以通過控制輸出電流的起始相位來實(shí)現(xiàn)對于孤島的有效檢測。在產(chǎn)生孤島后，通過對輸出電流的起始相位進(jìn)行擾動，可以利用正反饋原理，改變公共節(jié)點(diǎn)處的電壓頻率，從而印證孤島的存在[3]。

研究中引入滑動頻率偏移技術(shù)，該技術(shù)的本質(zhì)即一種針對相位變化的偏移擾動。當(dāng)輸入電流的初始相位階段位于電壓過零點(diǎn)，則工作人員需要綜合考慮光伏發(fā)電并網(wǎng)穩(wěn)定工作頻率以及電壓頻率之差，對電流起始相位進(jìn)行調(diào)整，式為：

式中：θm為電力相位偏移幅值，其負(fù)載相交頻率如圖4所示。

圖4 負(fù)載、AFD 及SMS 相角頻率曲線

結(jié)合圖4，將參數(shù)θm=10°，C=997uf，L=11.5mh，R=10Ω 代入式（5）。當(dāng)光伏電網(wǎng)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)時(shí)，該系統(tǒng)保持50Hz。一旦出現(xiàn)孤島，負(fù)載曲線與孤島檢測曲線的交叉點(diǎn)變?yōu)榉€(wěn)定工作點(diǎn)，此時(shí)只要判斷新工作點(diǎn)對應(yīng)的赫茲數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi)，即可判斷出該系統(tǒng)中是否存在孤島。

分析圖2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中出現(xiàn)孤島，則負(fù)載相位角的數(shù)據(jù)為-20°，此時(shí)在光伏發(fā)電系統(tǒng)鎖相環(huán)作用下，電流對于電壓相位進(jìn)行持續(xù)跟蹤，此時(shí)輸出電流降低?；谑剑?）與式（5），該電流頻率變化會引發(fā)輸出電流相位變化，通過這種方式形成一個(gè)完整的反饋循環(huán)，令光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)無法在諧振頻率節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行。在這種狀態(tài)下，可以基于該節(jié)點(diǎn)的頻率值進(jìn)行孤島保護(hù)判斷。

需要注意的是，如果光伏并網(wǎng)階段頻率不在保護(hù)范圍之內(nèi)，則并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)入檢測盲區(qū)。為避免該系統(tǒng)進(jìn)入檢測盲區(qū)，對檢測技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過引入附加相角調(diào)節(jié)量的方式，對穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擾動，這種經(jīng)過優(yōu)化的檢測方法即主動相位偏移檢測法APS。其電流計(jì)算式為：

當(dāng)電網(wǎng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，該檢測方法計(jì)算得到的相角偏移量為0；當(dāng)出現(xiàn)孤島后，相角偏移量會隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)頻率的變化而改變，隨著相位變化量的不斷累加，最終觸發(fā)頻率保護(hù)動作，令系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)孤島的存在。

4 正反饋功率擾動孤島檢測法

孤島檢測作為電力系統(tǒng)中一項(xiàng)非常重要的安全措施，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地檢測出孤島情況，避免因孤島而引起的安全事故。傳統(tǒng)的基于頻率及相位偏移的孤島檢測方法存在一個(gè)缺陷，即可能對并網(wǎng)電流的單位功率因數(shù)輸出造成影響，從而降低了并網(wǎng)質(zhì)量[4]。為了保證檢測時(shí)間及并網(wǎng)質(zhì)量的要求，嘗試設(shè)計(jì)基于正反饋的有功功率擾動的孤島檢測方法。

該檢測方法具體流程為：在固定的工頻周期范圍內(nèi)，通過檢測公共節(jié)點(diǎn)處的電壓有效值的變化來判斷是否存在孤島；如果存在孤島，則根據(jù)檢測到的電壓變化，改變并網(wǎng)電流指令值，以達(dá)到快速切斷孤島的目的[5]。這種方法不僅能夠保證孤島檢測的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，而且不會對并網(wǎng)電流的功率因數(shù)造成影響，從而提高了并網(wǎng)質(zhì)量。有功擾動孤島檢測相關(guān)計(jì)算式詳見表1。

表1 有功擾動孤島檢測相關(guān)計(jì)算式

表1中，Vth為系統(tǒng)檢測誤差量；K1為反饋系數(shù)。

在正常并網(wǎng)狀態(tài)下，公共節(jié)點(diǎn)被電壓所鉗制，因此輸出電流周期性變化，對于節(jié)點(diǎn)電壓并不會造成影響。電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過程中，輸出電流指令僅改變幅值給定值，并不會對并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)相位以及頻率產(chǎn)生擾動效果，通過這種方式確保并網(wǎng)質(zhì)量。當(dāng)出現(xiàn)孤島現(xiàn)象后，節(jié)點(diǎn)電壓將被輸出電流控制，電壓將隨著電流指令的變化而變化。如果電壓超出了設(shè)定的限制范圍，就會觸發(fā)保護(hù)動作。

5 結(jié)語

為消除光伏發(fā)電并網(wǎng)中的孤島現(xiàn)象，首先基于相位偏移及頻率設(shè)計(jì)孤島檢測系統(tǒng)，利用主動偏移法以及主動相位偏移法，實(shí)現(xiàn)對于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島的有效檢測。在此基礎(chǔ)上，針對該檢測方法可能對并網(wǎng)電流的單位功率因數(shù)輸出造成影響，從而降低了并網(wǎng)質(zhì)量的問題，本文嘗試基于正反饋功率擾動技術(shù)對孤島檢測法進(jìn)行優(yōu)化，通過這種方式進(jìn)一步提高孤島檢測效率，為光伏逆變器穩(wěn)定工作提供技術(shù)支持。