主動移頻法在多機并聯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)

因為分布式發電系統的非計劃孤島會嚴重影響檢修安全、損害電網設備等，因此，并網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異的主動移頻防孤島方法在多逆變器并聯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因數與諧振頻率坐標系的盲區空間理論，分析多逆變器并聯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合運行提供理論指導。

多機并聯； 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展，越來越多的可再生能源轉換的電能通過并網逆變器傳輸到電網[1]。當電網因故發生中斷，并網發電裝置與負載構成自給自足的孤島發電系統，將對分布式發電系統造成多種有害影響。因此,孤島檢測是并網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間公共點處電壓的異常現象(如過/欠壓、過/欠頻)，檢測盲區較大，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孤島檢測，檢測盲區小，應用廣泛[4]。

目前逆變器孤島檢測研究主要針對單機并網時的檢測算法與參數優化的研究[5]。隨著大規模分布式發電系統的應用，多機并聯系統孤島檢測技術的研究受到越來越多關注[6]。此外，現有的許多孤島檢測方法在單機并網條件下檢測性能良好，而在多機并網條件下檢測性能明顯下降，甚至檢測不出孤島的發生或出現誤跳閘[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運行時相互影響及檢測盲區變化規律，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后發生偏移，當頻率偏移超過設定閾值，則孤島狀態被檢測出來[8]。

圖1給出了并網逆變器輸出參考電流和公共點電壓波形。當輸出電流變為零時將保持一段時間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電壓頻率。圖中TVutil為電網電壓的周期值，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。SFS的斬波系數可表示為

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發生時的頻率。

基于Qf×f0坐標系的檢測盲區可由孤島檢測相位判據得到下式

(8)

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

圖2 AFD法的檢測盲區Fig 2 NDZ for AFD

2 多逆變器并聯時孤島檢測失效研究

為研究多機并聯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法使系統頻率向單方向移動；而SFS法使系統頻率在斷網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,多機并聯系統中同時存在AFD與SFS法時產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)

根據孤島檢測判據(9)式可得出分布式發電(distributed generation,DG)系統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如圖3所示。

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

圖4參數Δf=0.5 Hz,cf0=0.02,K=0.07。由圖看出，采用AFD法的并網逆變器為本地負載提供的有功功率的比例KAFDpu越大，檢測盲區也就越大。當f0-fg>0，即f0>50時，系統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，因而兩個逆變器產生的移頻信號不會相互影響，在圖4中表現為三種情況下盲區的上邊界基本相同；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法只能產生向上偏移的信號，兩者作用相互抵消，使檢測盲區增大。

若將SFS法改用SMS法，在與AFD聯合使用時也會產生類似的情況。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，即減小了系統的頻率偏移量，導致系統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，即在多機并聯系統中使用SMS頻移法對孤島檢測的效果影響不大。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink環境中搭建多逆變器并聯孤島檢測模型。逆變器輸出經過電力電子變壓器進行隔離與有效值為220 V的電網相連，頻率保護動作閾值為(50±0.5)Hz。通過RLC并聯電路模擬本地負載，其參數按Qf=2.5，f0=49.5 Hz進行設置，具體參數見表1。負載的諧振頻率f0略小于電網頻率，負載呈現容性。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，根據國標GB/T19939—2005光伏系統要在2 s內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臺參數相同的三相并網逆變器進行實驗。其中并網控制和孤島檢測算法通過DSP28335實現，通信SCI接口與上位機相連，將檢測結果傳輸到上位機中，通過液晶顯示器查看線路狀態、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，及電網被切斷后1 s內的局部放大波形。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時產生孤島，電網電流完全為0，0.35 s時檢測出孤島，并將并網逆變器切離電路，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，但系統仍然可以在1s內成功檢測出孤島，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，使系統欠頻或者過頻從而檢測出孤島狀態。多機并聯運行時，各逆變器產生的頻率擾動可能存在相互影響，從而導致并聯系統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電并網研究。