基于滑模移頻法的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)孤島檢測混合算法

余運俊，王鶴官，范文奕，黃薈瑾，石曉鳳

（南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌 330000）

孤島檢測一直是光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)領(lǐng)域中的重要研究課題。所謂“孤島”是指當(dāng)電網(wǎng)供電因故障事故或停電維修而跳段時，用戶端的光伏發(fā)電系統(tǒng)未能即時檢測出孤島狀態(tài)而將自身切離電網(wǎng)，形成由光伏發(fā)電系統(tǒng)和周圍負(fù)載組成的一個自給孤島。由于自給孤島供電無法控制，會給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來嚴(yán)重危害[1]。孤島運行時可能導(dǎo)致電網(wǎng)中繼電保護(hù)裝置失效；由于孤島使線路部分帶電，可能危害檢修人員的生命安全；電網(wǎng)恢復(fù)供電時由于合閘相角差過大而產(chǎn)生沖擊電流會危及電力設(shè)備，并可能導(dǎo)致電網(wǎng)重新跳閘。因此，具備很強的反孤島檢測功能對并網(wǎng)系統(tǒng)來說是十分重要的。

孤島檢測廣義上被分為主動式和被動式兩類，文獻(xiàn)[2-6]中介紹了常見的主動式和被動式孤島檢測法，并對比了其優(yōu)缺點。主動式檢測法是向光伏逆變器輸入一定的干擾，使公共節(jié)點出現(xiàn)電壓、相位或頻率偏移，從而檢測出孤島效應(yīng)。被動檢測法的盲區(qū)大，主動檢測法通過干擾的方式可以有效減小盲區(qū)，但同時也帶來了較大的諧波，降低了電能質(zhì)量[7]。采用單一的主動式或被動式檢測都不利于進(jìn)行高效準(zhǔn)確的反孤島保護(hù)，根據(jù)我國2005年11月發(fā)布的孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)，要求至少采用主動與被動孤島檢測方法各一種，且電網(wǎng)失壓時防孤島效應(yīng)保護(hù)必須在2 s內(nèi)動作，所以研究形勢更趨向于混合式反孤島檢測。

文獻(xiàn)[8]采用了過/欠電壓OUV（over/under volt?age）與電流擾動的結(jié)合方法，文獻(xiàn)[9]用相位突變與電壓擾動的結(jié)合。兩者的共同點在于將主動法與被動法生硬地結(jié)合，使得在檢測孤島時主/被動法單獨工作，相互之間不存在積極影響。文獻(xiàn)[10]提供了一種過/欠電壓/頻率與功率擾動聯(lián)合的反孤島方法，都是要根據(jù)不同的功率平衡關(guān)系來切換不同的檢測方法，雖然在傳統(tǒng)上降低檢測盲區(qū)，但其參數(shù)設(shè)計比較麻煩，在實際運用中比較難以實現(xiàn)。

本文以公共點PCC（point of common coupling）相位為結(jié)合點，對滑模頻率偏移法與相位突變檢測法的混合式方法進(jìn)行研究，克服了單一孤島檢測法的缺陷，實現(xiàn)電網(wǎng)運行時的快速穩(wěn)定孤島檢測。

1 SMS與PJD及其混合原理

1.1 SMS原理

滑模頻率偏移 SMS（slip-mode frequency shift）是一種主動式孤島檢測方法[11-12]，其控制逆變器的輸出電流，使其與PCC電壓間存在一定的相位差，以期在電網(wǎng)失壓后的PCC頻率偏離正常范圍而判別孤島。以光伏逆變器輸出單位功率因數(shù)的情況為例：不加SMS方法時，逆變器輸出電流與PCC電壓Upcc同頻同相；加入SMS孤島檢測方法后，逆變器輸出電流的頻率不變，但Upcc相位發(fā)生偏移，偏移大小由SMS方法決定。電網(wǎng)穩(wěn)定運行時，由于電網(wǎng)的箝制作用，PCC電壓會穩(wěn)定在電網(wǎng)頻率f0，電網(wǎng)斷開瞬間，引入的相位偏移使輸出電壓頻率波動，當(dāng)波動超過閾值，即可判斷孤島發(fā)生，從而進(jìn)行孤島保護(hù)。

1.2 PJD原理

相位突變檢測PJD（phase jump detection）是一種被動式孤島檢測方法，通過監(jiān)測逆變器并網(wǎng)端的電壓與電流的相位差，即當(dāng)本地負(fù)載與逆變器出現(xiàn)功率不匹配時，進(jìn)行反應(yīng)使主電網(wǎng)跳閘。

1.3 混合原理

對于PJD方法，當(dāng)本地負(fù)載與逆變器出現(xiàn)功率相匹配時，即負(fù)載呈阻性，電網(wǎng)斷電后PCC相位不會突變，從而存在檢測盲區(qū)；對于SMS方法，當(dāng)負(fù)載品質(zhì)因數(shù)越大，Δθ=θSMS+θG(S)的穩(wěn)態(tài)值越接近50 Hz，即穩(wěn)態(tài)頻率離電網(wǎng)頻率越接近，孤島檢測失敗的可能性越大，其中θSMS為輸出電流與PCC電壓的相位差受SMS方法的影響，θG(S)為輸出電流與PCC電壓的相位差受RLC負(fù)載的影響。該混合方法在每個電網(wǎng)周期檢測輸出電流與PCC電壓的相位差值Δθ和頻率差值Δf，當(dāng)Δθ或Δf超過一定閾值，系統(tǒng)檢測到孤島發(fā)生，從而進(jìn)行孤島保護(hù)。

系統(tǒng)每隔一定的周期對電流施加相位擾動，使電流相位發(fā)生偏移。逆變器的電流給定是由鎖相環(huán)PLL（phase locked loop）檢測電壓的過零上升沿間隔時間，得到PCC頻率，作為下一周期光伏逆變器輸出電流ipv給定的頻率；下一周期ipv的起始時刻由PCC電壓的過零上升沿確定，起始相位θSMS由SMS方法計算得出，通常取

加入擾動后，相位差進(jìn)一步拉大，并且PCC電壓頻率會偏移。設(shè)置PCC的電壓頻率閾值，一旦檢測到電壓頻率偏離閾值，就會停止逆變，從而檢測出孤島。

同時，對逆變器輸出電流施加相位擾動θSMS亦改變著PCC相位差Δθ0，當(dāng)電網(wǎng)穩(wěn)定運行時，Δθ不受算法影響，電壓與電流同相。當(dāng)電網(wǎng)斷開，若負(fù)載為非阻性則立刻判斷孤島；若負(fù)載為阻性，Δθ將在SMS方法的影響下改變，即SMS方法在改變頻率的同時也在改變相位，一定條件下可直接通過相位突變法檢測出孤島。算法流程如圖1所示。

圖1 算法流程Fig.1 Flow chart of algorithm

2 檢測盲區(qū)的對比分析

2.1 SMS盲區(qū)分析[13]

式中：R、L、C分別為負(fù)載的電阻、電感和電容；ω0為電網(wǎng)正常情況下角頻率，ω0=2πf0；f0為電網(wǎng)頻率；Δω為電網(wǎng)角頻率變化值；ω為電網(wǎng)當(dāng)前角頻率值；負(fù)載品質(zhì)因素，受電網(wǎng)角頻率、負(fù)載電阻、負(fù)載電感的影響；Cres為諧振電容；Cnorm為電容標(biāo)幺值，目的是使盲區(qū)圖形表現(xiàn)力更強。電網(wǎng)失壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，穩(wěn)態(tài)工作點滿足θSMS+θG(S)=0 ，即

式中，θSMS=5°sin(Δf·π/2)。

將式（1）中參數(shù)代入式（2），整理得

其中Δf∈(-0.5,0.5)，將Δf上下限代入得

根據(jù)式（3）得到SMS檢測盲區(qū)，如圖2所示。可以看出，當(dāng)Cnorm在0.98到1.02之間且Qf0大于3的區(qū)域內(nèi)存在較大的檢測盲區(qū)，換言之，當(dāng)電網(wǎng)PCC處負(fù)載近乎阻性且品質(zhì)因數(shù)大于3的時候檢測易失敗。

圖2 SMS方法的檢測盲區(qū)Fig.2 Non-detection zone using SMS method

2.2 PJD盲區(qū)分析

電網(wǎng)在PCC處的負(fù)載電流與電壓的相位差[15]為

相位差閾值通常設(shè)置為Δφ∈(-2°,2°)當(dāng)相位跳變小于| Δφ|時，電網(wǎng)處于正常狀態(tài)；當(dāng)相位跳變大于| Δφ|時，認(rèn)為發(fā)生孤島，則檢測盲區(qū)表達(dá)式為

將式（1）中參數(shù)代入式（5）得

式（6）分別取Δφ和Δf上下限得

根據(jù)式（8）繪制曲線得到圖3，陰影面積為檢測盲區(qū)，當(dāng)Cnorm在0.98到1.02之間存在較大的檢測盲區(qū)，此時θG(S)接近0，負(fù)載呈阻性。

圖3 PJD方法的檢測盲區(qū)Fig.3 Non-detection zone using PJD method

2.3 混合法盲區(qū)分析

混合算法中，PJD的盲區(qū)表達(dá)式發(fā)生了變化，可表示為

取Δφ和Δf上下限得可得

根據(jù)式（10）繪制曲線，得到圖4。將圖4與圖2的陰影部分重疊，其共同區(qū)域即為混合算法的檢測盲區(qū)，如圖5所示。很明顯，當(dāng)品質(zhì)因數(shù)小于5時不存在檢測盲區(qū)；當(dāng)Cnorm在0.99到1.01之間且Qf0＞5的區(qū)域內(nèi)存在較大的檢測盲區(qū)。

圖4 θG(S)+θSMS≤ | φ|時的檢測盲區(qū)Fig.4 Non-detection zone when θG(S)+θSMS≤ |φ|

圖5 混合法的檢測盲區(qū)Fig.5 Non-detection zone using mixing method

3 電能質(zhì)量分析

電能質(zhì)量的影響來自于算法中引入的相位擾動(θSMS)，而相位偏差引入頻率偏差。PCC頻率對電網(wǎng)頻率的偏差信號包含直流分量與交流分量。偏差信號的直流分量不會引起光伏輸出電流的畸變，而交流分量將會引起畸變[16]。

在引入的算法中 θSMS=5°sin(Δf·π/2)，電網(wǎng)相鄰周期的頻率最大偏差為

則將導(dǎo)致逆變器輸出電流相鄰周期的最大相位差為

最大相位差占整個周期比例為0.061 7/2π=0.009 8，所以引起的最大電流畸變?yōu)?.98%，符合GB14549—93標(biāo)準(zhǔn)的5%。

4 建模仿真

本文用Matlab/Simulink對SMS與PJD的混合式孤島檢測方法進(jìn)行仿真。該仿真模型由主電路和控制電路構(gòu)成。主電路的組成模塊有：400 V/DC-link光伏發(fā)電系統(tǒng)，220 V/AC-Voltage電網(wǎng)，雙橋臂絕緣柵雙極晶體管IGBT（insulated gate bipolar tran?sistor）逆變器，并網(wǎng)負(fù)載采用RLC并聯(lián)模塊。

控制電路部分主要由PLL、S函數(shù)塊、比例積分微分器和脈沖寬度調(diào)制器搭成。用兩個單相離散型鎖相環(huán)模塊，分別獲取PCC電壓及電流相位，PCC電壓（電流）作為輸入信號，鎖相環(huán)內(nèi)部振蕩器輸出信號反饋作用于輸入信號，通過PID與自動增益控制AGC（automatic gain control）電路調(diào)節(jié)保持校正信號相位差為0，從而獲取輸入信號相位；電流、電壓相位和電壓頻率作為S函數(shù)的實時輸入?yún)?shù)，模塊內(nèi)編有混合法程序，以實現(xiàn)人為擾動和各指標(biāo)（PCC相位、頻率）是否超出閾值的判斷；逆變器輸出電流與S函數(shù)輸出電流的差值經(jīng)過PID調(diào)節(jié)，生成矢量信號輸入脈沖寬度調(diào)制PWM（pulse width modulation），輸出脈寬調(diào)制波驅(qū)動主電路的IGBT。

本文設(shè)置在0.1 s時刻對斷路器施加階躍信號，使電網(wǎng)斷開。仿真模型如圖6所示。

圖6 孤島檢測仿真模型Fig.6 Simulation model of islanding detection

4.1 仿真情景設(shè)定

該仿真將圍繞負(fù)載的性質(zhì)及品質(zhì)因數(shù)來進(jìn)行情景設(shè)定。情景1為低品質(zhì)因數(shù)、阻性負(fù)載；情景2為低品質(zhì)因數(shù)、非阻性負(fù)載；情景3為高品質(zhì)因數(shù)、阻性負(fù)載；情景4為高品質(zhì)因數(shù)、非阻性負(fù)載。4種情景的參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 4種情景的參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter setting in four scenarios

4.2 仿真結(jié)果

情景1中負(fù)載品質(zhì)因數(shù)設(shè)置為2.5，且為阻性負(fù)載。由圖7可知，在電網(wǎng)斷開后0.02 s逆變器停止工作，系統(tǒng)檢測出孤島，約0.10 s內(nèi)完成孤島保護(hù)。

圖7 情景1的PCC電壓和電流波形Fig.7 Waveforms of voltage and current at PCC in Scenario 1

在情景2保持負(fù)載品質(zhì)因數(shù)不變?nèi)詾?.5，負(fù)載變?yōu)榉亲栊浴Ｓ蓤D8可知，電網(wǎng)斷開瞬間立馬判斷孤島發(fā)生，逆變器停止工作，約0.10 s內(nèi)完成孤島保護(hù)。

圖8 情景2的PCC電壓和電流波形Fig.8 Waveforms of voltage and current at PCC in Scenario 2

情景3將負(fù)載品質(zhì)因數(shù)設(shè)置為5，且為阻性。由圖9可知，在電網(wǎng)斷開后約0.02 s系統(tǒng)檢測出孤島發(fā)生，逆變器停止工作，約0.15 s內(nèi)完成孤島保護(hù)。

圖9 情景3的PCC電壓和電流波形Fig.9 Waveforms of voltage and current at PCC in Scenario 3

情景4負(fù)載品質(zhì)因數(shù)保持5不變，負(fù)載屬性改為非阻性，由圖10可知，電網(wǎng)斷開后系統(tǒng)立即檢測出孤島發(fā)生，逆變器停止工作，在約0.23 s內(nèi)完成孤島保護(hù)。

圖10 情景4的PCC電壓和電流波形Fig.10 Waveforms of voltage and current at PCC in Scenario 4

4.3 仿真分析

定義孤島檢測時間為斷網(wǎng)后到PCC電壓和逆變電流都為0時之間的時間差，4種情景的檢測時間分別為0.08 s、0.10 s、0.16 s、0.23 s。由仿真結(jié)果可知，4種情況下，SMS與PJD混合法都能快速地檢測出孤島，在負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為5的阻性情況下可成功檢測孤島，達(dá)到預(yù)期效果。由于參數(shù)的設(shè)置，導(dǎo)致負(fù)載的性質(zhì)和品質(zhì)因數(shù)變化，使得檢測速度有所差異，但基本能夠及時有效檢測出孤島并進(jìn)行保護(hù)。

5 結(jié)語

本文分析了SMS與PJD方法的工作原理，闡述了兩者在孤島檢測方面的不足，以PCC相位為結(jié)合點，提出了SMS與PJD混合式方法，并在Matlab/Simulink中進(jìn)行了仿真實驗。實驗結(jié)果表明，該混合方法能夠克服兩種單一方法的不足，在高品質(zhì)因數(shù)的阻性負(fù)載情況下能夠快速檢測出孤島，且符合國家標(biāo)準(zhǔn)，具有檢測時間快、檢測盲區(qū)小、電能質(zhì)量影響低等優(yōu)點。