多机光伏并网逆变器的孤岛检测技术研究

摘要：随着新能源发电的迅速发展，越来越多的可再生能源被转化为电能通过并网逆变器输送到电网。并网逆变器要求具备孤岛检测功能，目前对光伏并网逆变器的研究主要集中于单机，通常对其输出施加一定的扰动以提高孤岛检测能力。本文从多机并网运行的角度对孤岛检测方法进行了研究。针对并网逆变器所常用的移频与移相两类主动孤岛检测技术在多逆变器并联工作下的相互联系及内在影响进行了深入分析。同时给出这两类方法下的逆变器孤岛检测设计注意事项及孤岛算法参数选取方法，从而为多机光伏并网逆变器孤岛检测提供了理论指导。 叙词：并网逆变器 光伏 孤岛检测 移频 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]

随着新能源发电的迅速发展，越来越多的可再生能源（如太阳能、风能、生物质能和燃料电池）被转换为电能后通过并网逆变器输送到电网。孤岛检测是并网逆变器所必备的功能[1-9]。并网逆变器的孤岛现象是指电网因故中断供电时逆变器仍向电网传输电能，和本地负载形成一个公共电网系统无法控制的自给供电孤岛[1,2]。该现象的发生会威胁到电网维修人员的安全，影响配电系统的保护开关动作程序，在重合闸时可能对用电设备造成损坏等。在孤岛检测中，仅依靠被动式检测方法容易漏检，通常采用被动与主动相结合的方法以减小检测盲区。然而主动检测法需对逆变器的输出施加扰动，再检测公共点的电压、频率、阻抗等的变化来判断电网存在的情况。因此，要求主动孤岛检测法能适用于各种负载情况同时又对电网产生的不良影响较小。但大部分研究都只是针对单台并网逆变器，使其在单机运行时能够检测孤岛，针对多并网逆变器并联运行下的孤岛检测性能研究较少。
   
随着光伏并网逆变器被越来越多的接入电网，研究多机并网逆变器的孤岛检测有效性是非常有必要的。本文对各种孤岛检测法进行了分析，针对光伏并网逆变器所常用的移频与移相两类主动孤岛检测技术在多机工作模式下的相互联系及内在影响进行了深入分析。同时给出这两类方法下的逆变器孤岛检测设计注意事项及孤岛算法参数选取方法，从而为多机光伏并网逆变器孤岛检测提供了理论指导。

2  主要孤岛检测方法 
   
被动式孤岛检测方法就是检测并网逆变器与电网连接处电压的异常现象，主要有过/欠压与过/欠频法、电压相位突变检测法及电压谐波检测法[2]。一般的光伏并网逆变器均要求具备过/欠压与过频欠频保护功能。但电压相位突变检测及电压谐波检测在实际中因动作阀值选取困难而较少采用。
   
根据所施加扰动方式的不同，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[2,7,9](Active Frequency Drift, AFD)与带正反馈的主动移频法[2,9,10 ]（Active Frequency Drift with Positive Feedback, 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[2,10]（Slip Mode Frequency Shift, SMS）与自动移相法[11]（Automatic Phase Shift, 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。
   
被动式孤岛检测法只是被动的去检测公共点处的电压异常现象，在多机并网逆变器中的相互影响可以忽略。因此主要分析主动式孤岛检测法在多机光伏并网逆变器间的相互影响。

3  主动式孤岛检测法在多机光伏并网逆变系统中的工作特性分析

3.1  带有功率扰动孤岛检测法的多机光伏并网逆变系统
   
功率扰动法对并网逆变器的输出功率产生一定扰动。多机并网逆变系统若只有部分逆变器采用功率扰动法或存在逆变器所施加的扰动方向不一致或者扰动不同步，则整个系统的孤岛判断因平均效应而受到影响。同时功率扰动也降低了光伏发电的利用率。

3.2  带有移频或移相孤岛检测法的多机并网系统
   
主动移频法（AFD）对逆变器输出电流的频率进行偏移以实现孤岛检测。该偏移量为固定值[2,7,9]。

自动移相法[11]是在滑动移相法的基础上进行了改进，加快了电网断电后的相位偏移速度。为简化分析，本文主要讨论滑动移相法。

     
由于与一般较小，由式（7）可得总电流的幅值与单个逆变器电流的幅值之和差别较小。孤岛检测的扰动主要体现在相位偏移上。由式（8）和式（9）可知不管m取何值时，总电流的相角总是介于两台逆变器各自的相角之间。下面分三种情况讨论光伏逆变器的并联情况，所有的分析都基于所接入的电网容量足够大。
   
（1）采用AFDPF与SMS方法的逆变器各一台
   
由式（9）可知两台逆变器并联后合成电流的相角介于两台逆变器各自相角之间。AFDPF检测法的为正值，式（2）和式（5）则表现出相角在频率的正反馈下变化方向一致，即当频率变化时两种方法所产生的相位扰动方向相同。因此，只要每台逆变器单独运行能够有效检测孤岛，并联后也就同样能准确检测出孤岛现象。
   
（2）两台逆变器均采用AFDPF或SMS方法
   
由式（2）可知，对于任何负载，均采用AFDPF孤岛检测法的逆变器的电流相角变化方向是一致的。同样均采用SMS方法的逆变器的电流相角是一致的。只要单台逆变器的孤岛检测性能保证，均采用AFDPF或SMS方法的逆变器并联后孤岛检测效果不受影响。
   
（3）有一台逆变器采用AFD方法
   
逆变器采用AFD方法时，对系统产生单一频率增加方向的扰动。AFDPF与SMS方法均引入了频率正反馈，使得既可向频率增加又可向频率减小的方向扰动，主要取决于负载的性质。当与采用AFD方法的逆变器并联时，在某些负载下会发生扰动方向冲突，从而降低孤岛检测能力。因此，建议在使用移频法时多采用AFDPF方法，该方法在容性负载时向频率减小的方向扰动，在感性负载下向频率增加的方向扰动，可与SMS方法相兼容。
   
该推导虽从两台逆变器出发，由式（8）和式（9）可知，以上结论也同样适合多机光伏并网逆变器的情况。

4  AFDPF与SMS参数选取

其中为电流相位偏移角，为孤岛形成后的公共电频率。将过/欠频保护装置的动作频率（50±0.5Hz[14]）及式（2）带入式（14）即可画出基于品质因数与谐振频率空间的盲区图，如图3所示，其中同一线型所包围的区域即为检测盲区。

    
对于SMS孤岛检测法，一般取， 根据式（5）同样计算出[12]。此外，参考AFDPF的工作方式，可采用线性频率正反馈作为相位扰动以简化SMS算法（即将式（5）线性化）。

 
5 仿真验证 
   
采用Matlab/Simulink对多机并网逆变电系统的孤岛检测性能进行仿真。取电网电压220V/50Hz，频率保护动作阀值为50±0.5Hz。
   
将本地RLC负载的有功设置为3kW，谐振频率为50Hz，负载品质因素设为2.5。针对图2所示的系统，建立了两个并网逆变器，其中一台逆变器采用AFDPF孤岛检测法，另外一个采用SMS孤岛检测法，两者的功率因数均为1且分别提供 50％的负载所需有用功。公共点的电压、频率及两个逆变器的输出电流如图4所示。电网在0.1s时断电，在0.18s系统频率超过频率保护上限值50.5Hz，即检测出孤岛，逆变器驱动信号立即被封锁。
   
当两台逆变器均采用SMS孤岛检测法，其中的一台提供30％的本地负载所需有用功，另外一台提供70％的本地负载所需有用功。在此情况下的公共点的电压、频率及两个逆变器的输出电流如图5所示。电网在0.1s时断电，在0.22s时系统检测出孤岛。
   
当两台逆变器均采用AFDPF孤岛检测法，其中的一台提供30％的本地负载有用功，另外一台提供70％的本地负载有用功。在此情况下的公共点的电压、频率及两个逆变器的输出电流如图6所示。电网在0.1s时断电，在0.14s系统检测出孤岛。以上检测结果均满足国家规定[14]的2s检测时间。 
 

该推导虽从两台逆变器出发，由式（8）和式（9）可知以上结论也同样适合多机光伏并网逆变器的情况。

6  结论

并网逆变器均带有孤岛检测功能，通常在被动式孤岛检测的基础上对逆变器输出再实施一定扰动来进一步提高孤岛检测能力。本文对多台光伏并网逆变器并联运行时的孤岛检测方法进行了研究。针对并网逆变器所常用的移频与移相两类主动孤岛检测技术在多机工作状态下的相互联系及内在影响进行了深入分析。同时给出这两类方法下的逆变器孤岛检测设计注意事项及孤岛算法参数选取方法，从而为多机光伏并网逆变器孤岛检测提供了理论指导。
    
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