并网光伏发电系统的反孤岛研究范文

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与离网光伏发电系统相比较，并网太阳能发电系统具有更高的电能利用率，太阳能发电系统将光伏阵列发出的电能经逆变器逆变后输送到电网[1]，并网时需满足以下条件：发电系统的电压频率经逆变器逆变后与并网电压频率相同、系统输出电压的最大值与电网电压最大值相同、经逆变后的电压与电网电压的相角差为零[2]。光伏并网发电技术作为快速发展的新能源技术之一，带来的孤岛效应问题也亟待解决。根据现有的技术，孤岛解决方案分为主动方案和被动方案两种。当并网断开时，发电系统逆变器输出端的电气参数会由于断开电网而变化，以检测电压、频率、相位变化为依据的是被动式方案，被动式方案在负载所需功率和太阳能发电系统输出功率相等时，频率的变化很小，从而无法检测到孤岛故障。与被动式不同的是向电网注入扰动来检测孤岛效应的方法则是主动式反孤岛策略，该方法更容易实现，克服了被动式无法检测到频率变化的缺陷。本文的正反馈主动式频率偏移法的提出加快了检测孤岛故障的速度。

1孤岛效应的发生与检测

1.1孤岛效应的发生此处以测试原理图来解释孤岛故障，如图1所示。从孤岛测试原理图中可以看出，太阳能发电系统经逆变后，经过电气设备与电网连接。当太阳能发电系统正常工作时，用电感、电阻、电容的并联电路来表示发电系统的负载，太阳能发电系统的输出功率用P+jQ表示。

1.2孤岛效应的检测图2所示为太阳能并网发电结构图。光伏阵列发出的电经IGBT逆变传送到电网，L1、C2组成滤波器能够允许特定的频率通过，用电容C、电阻R、电感L并联来表示负载。C1充电后表示直流电源。光伏阵列发出的电经过逆变器逆变后，能够与电网电压同频同相[3]，这样才能并网。在图3所示的示意图中，若开关断开后，就会产生孤岛效应问题，开关断开后，发电系统的电压和频率无法控制，对本地负载会造成危害，当开关重新闭合时，也会影响电网的电能质量。局部反孤岛策略如图4所示，反孤岛策略主要分为以下两种：被动式方案是在电网发生断电时，以检测电路中的相关参数为依据的，这种方法检测不到电压频率的变化，造成漏检；主动式是向逆变器输出电流注入扰动引起电压频率变化来判断是否发生了孤岛现象[4]，对于负载而言，若电容过大或电感过大时会有检测盲区，无法检测到故障。相对于这些缺陷，文中提出的AFDPF即使是很小的频率变化，在正反馈的情况下也有很好的检测效果。

2AFDPF算法分析

2.1主动频率偏移法AFD传统的主动频率偏移法(AFD)是在光伏阵列发出的电能经逆变器后的电流中注入干扰，此时的电流频率在PCC点处会有变化，高于或者低于以往的电流频率[5]，如图5所示。由于逆变器输出电流存在死区时间tz(偏移时间)，导致电流基波分量超前电压θAFD角度，电流提前到达零点，而电压滞后电流。当太阳能发电系统并网正常运行时，图1中PCC点处电压频率不会因负载的改变而变化，当孤岛效应发生之后，图1中PCC点处的电流频率会因负载的变化而改变，并且引起了电压频率的改变，频率变化到规定的上下限时被OFR/UFR检测出来，发生了孤岛故障。采用AFD检测孤岛效应时，扰动的方向是人为添加的，其方向与发电系统的输出方向一样，在大电网断电时，由于RLC负载不同，太阳能发电系统输出频率的变化方向与扰动方向并不一致，在主动频率扰动下，逆变器频率误差检测变缓，延长了孤岛故障的检测时间，谐波畸变THD也会变大，对负载有较大的检测盲区，为了解决此缺陷，提出了正反馈主动频率偏移法AFDPF。

2.2正反馈主动频率偏移法AFDPF为了解决AFD的检测盲区，在公共耦合点处运用频率正反馈，即AFDPF，能够加快公共连接点处的频率误差累积，便于更快的检测到孤岛现象。上式能有选择性地进行扰动，避免当负载为容性、感性、阻性时偏容性或感性的情况，由于添加的扰动方向与频率改变方向相反而造成对频率增量的削弱，影响对孤岛的准确判断，式中abs(fp-f)为取绝对值运算，当公共连接点频率不小于电网额定频率的时候取正；当公共连接点频率小于电网额定频率时取负，对电流施加负方向的扰动。cf(0)：斩波系数的初始值，fp：PCC处电压频率，f：电网电压的频率。AFDPF程序流程图如图6所示。其中Tc为三角波周期，T(n)、T(n-1)为电网电压周期，三角波初值分别为s1、s0。在图示中，若m的值达到3时电压频率都增加或者减少,则说明太阳能发电系统与电网已经分离开，电流频率受电压的变化改变，太阳能光伏发电系统正常工作时，公共连接点处的电压频率不会受电流频率的改变而变化。若用正反馈法将扰动值增加q倍，此时，频率发生突变后达到频率保护的上下限时，将会检测到孤岛现象。

3仿真检测结果

为了对反孤岛方案AFDPF进行验证，利用Matlab/Simulink对太阳能发电系统的反孤岛检测性能进行仿真，在反孤岛的仿真中，负载用并联RLC代替来模拟孤岛效应。仿真模型如图7所示，直流输入电压DC=550V，RLC并联谐振频率50HZ，RLC负载参数为：R=24.5Ω，滤波电感L=0.03mH，C=328.8uF，负载品质因数Q=2.5，断路器Break用来断开电网和负载，调整step的参数来给定孤岛故障发生的时间，设置step发生孤岛现象的时间为0.3秒，通过软件仿真得到了断开电网时的负载电流电压波形，如图8所示。通过图8可以看出，输出电压与电流同频率同相位，当断路器Break断开时，输出电压和电流由负载RLC决定，从图8中可以看到，系统在0.3s时检测到孤岛现象的发生，并在0.34s时通过PWM控制模块关闭逆变器，使负载输出电压电流均为0，在0.04s内检测出了孤岛现象，并断开了逆变器，能够在RLC负载并且偏容性的情况下有效地检测出孤岛，符合孤岛检测的标准。

4结束语

本文通过描述AFD法的不足，提出了AFDPF算法来加快孤岛效应检测，运用Matlab/Simulink进行了仿真，验证了AFDPF算法具有检测盲区小，检测速度快的优点，克服了传统的AFD在容性负载下的缺点，正反馈对很小的频率变化就能及时地检测出来，对太阳能发电系统的孤岛效应具有很好的检测效果。

作者：肖建东 于淼 黄孝鹏 沈友建 陈煊之 单位：山东科技大学 电气与自动化工程学院