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主动频率偏移法中减小总谐波畸变率的方法

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国网技术学院学报 第l9卷第5期 Journal of State Grid Technology College 7 主动频率偏移法中减小总谐波畸变率的方法 A Method for Reducing the Total Harmonic Distortion in Active Frequency Drift Method 李 彦 陈 平 姜晓东  。山东理工大学 山东 淄博 255000 【摘要】在光伏并网发电系统中孤岛检测对电网安全起着重要作用,而各种常见的主动式和被 动式孤岛检测方法也是种类繁多,各有优点和缺点。其中衡量孤岛检测方法优劣的一个重要的指标就 是总谐波畸变率(THD),为了降低总谐波畸变率对电网造成的危害,此文对主动式孤岛检测方法进行 分析研究和仿真验证,提出了几种减小总谐波畸变率的方法,并通过对仿真结果的对比,证明改进方 法降低了总谐波畸变率,从而对并网电流质量的提高和居民用电安全性的改善提供了可靠的 依据和途径。 【关键词】孤岛检测 光伏并网系统 总谐波畸变率(THD) 主动频率偏移法(AFD) 【中图分类号lTM92 【文献标识码】A 【文章编号】2095—6614(2016)05—0007—05 0 引言 在光伏发电系统及其他分布式发电系统并网 运行时孤岛检测是其必须解决的技术问题,它指的 是在电网由于故障或自然原因突然停止供电后.光 伏发电系统能及时检测出电网的失电状态并停止 向失压的电网供电,从而避免孤岛状态运行[1]。光 伏并网(PV)系统的孤岛检测方法很多,但大部分 中并网电流的总谐波畸变率(THD),提高供电的电 能质量,降低谐波畸变的危害,将成为电力公司面 临的一个重要课题。也是提高居民用户供电可靠性 的一个必要条件。本文将从比较主被动式方法的优 缺点。有无添加LC低通滤波器以及改进孤岛检测 算法等这3个方面分析研究,从而对减小总谐波畸 变率提出可供参考的方法。 都存在着各自的问题。其中一个重要问题就是总谐 波畸变率(THD),在电气工程学科中这一概念表示 的是波形相对正弦波畸变程度的一个性能参数瞻]。 它的产生主要是由于电流扰动对并网电流质量所 带来的各次谐波的干扰,使电流的波形朝着更加偏 离正弦波的方向畸变。而谐波畸变的产生又会造成如 1 主被动检测方法各自的优缺点比较 主动式方法从原理上讲主要是对逆变器电流 施加来自频率、相位上的扰动,从而在主网断电时, 由于失去了主网的钳制作用,使得扰动持续增加, 影响了并网电流的波形质量 4]。这是主动式孤岛检 测方法所共有的缺点。而被动式方法由于不对电流 下一系列的危害。例如:导致电力变压器发热,增加电力 变压器的损耗;导致电力电缆发热,使线路集肤效应加 重;导致对电力电子设备的干扰;导致低压供电设备的 异常工作[3]。因此,如何减小主动式孤岛检测方法 收稿日期’:2016—07—26 施加扰动,只是在公共点处检测电网断电前后公共 点电压的幅值和频率的变化情况,如果超过IEEE Std.929—2000标准所允许的额定值。就能检测出孤 岛运行状态的发生。和主动式方法相比,其在主网 作者简介:李彦(1990),男,在读研究生。研究方向:有源配 电网保护与控制。 断电后,逆变器输出电流的波形质量要比主动式方 法高得多.但是由于被动式方法不对逆变器输出电 8 主动频率偏移法中减小总谐波畸变率的方法 Vo1.19 No.5 流施加任何扰动,所以当本地负载所需的有功功率 和无功功率与光伏并网逆变系统提供的功率正好 满足时,电网断电后,检测到公共点电压的幅值和 需要额外提供电源。LC滤波器一般是由滤波电容 器、电抗器、电阻器适当组合而成,与谐波源并联, 除起滤波作用外,还兼顾无功补偿的需要。常见的 频率的偏移在没有外界干扰的作用下,就很难超过 LC低通滤波器内部结构图如图3所示。 标准所允许的额定值,而继续保持孤岛运行_5],则 ).一/ 被动式孤岛检测方法就会检测失效。这也是被动式 节点1 电感 孤岛检测方法所共同的缺点之一:盲区过大。通过 比较分析主动式和被动式的缺点可知,如果在主动 式孤岛检测方法中引入被动式孤岛检测。让它在没 I 有检测盲区的情况下.与主动式方法配合使用。不 专 仅可以不必引人额外的扰动信号,保证了较高的电 图3 LC低通滤波器的内部结构图 能质量。同时还有效预防了孤岛的发生,因此我们 在常见的主动频率偏移法(AFD)的运行过程 应该提出一种主、被动相结合的方法来检测孤岛。 中.逆变器并网之后,从逆变器发出的电流没有接 图1、图2所示的是从主动式和被动式两方面对总 入LC低通滤波器,而是为了在保持单位功率因数 谐波畸变率波形进行的比较。 运行的前提下采用了低电阻和低电感串联接入的 方式,这样使得逆变器输出电流和电网电压(即公共 点电压)都能够保持在同一相位上运行,但是这种情 况下的总谐波畸变率,必然要高于接人LC低通滤 波器时的情况,从这个角度出发,我们可以在仿真 模型中验证这种情况:分别在逆变器输出末端加入 和不加入LC低通滤波器.从而比较有无低通滤波 器时对总谐波畸变率的影响。图4、图5分别是常 见的不添加低通滤波器的逆变器侧仿真模型和接 入LC低通滤波器的逆变器侧仿真模型,图6、图7 分别是在这两种模型下的总谐波畸变率的比较。 图1 主动频率偏移法(AFD)的总谐波畸变率(THD) 图4常见的AFD光伏并网逆变器侧的仿真模型 图2被动式过欠压过欠频法的总谐波畸变率(THD) 2 LC低通滤波器对总谐波畸变率的影响 LC低通滤波器是传统的谐波补偿装置,它之 所以被称为无源滤波器,顾名思义,就是该装置不 图5添加LC滤波器的AFD光伏并网逆变器侧的仿真模型 围网技术学院学报 第19卷第5期 Journal of State Grid Technology College 3.2传统型主动频率偏移法(AFD)的算法 9 传统的AFD检测法的算法原理是:对逆变器 输出电流施加微小的频率扰动.造成输出电流的频 率略高或略低于正常工作时的电网频率。这就使得 逆变输}fJ电流在每个周期半波过零点处会有一段 截断时间等待电网电压过零点的到来,下一个半波 周期同理如此L6i。并网运行时,电网电压的钳制作 用使公共点电压频率始终保持与电网频率相同。这 样就可以确保逆变输 电流与电网电压在波动允 许的范围下保持稳定运行。一旦主网断电,逆变器 图6常见的AFD光伏并网模型的总谐波畸变率(THD) 输f{|电流频率的扰动信号不断累积.将会造成并网 电压的频率变化,逐渐偏离标准允许的频率偏差范 围.从而检测出孤岛 。该原理通过图8的仿真模 型以及冈9给f{I的RLC负载参数,仿真i{J来的波 形如图l0所示。 P tlle1 R Brar ̄ch(task)(ixnl ̄) ter t。 dd O… e el6^entg Im ̄!eaent#a p ̄allel b#觚 h 0f I.工c elements. Ⅱ8e the’Broth type’Pt fro^the broth. Ptra● t… bs 萱t 6.01 R(Ol-m,s): Ir ̄duzt,mi,ice L(H): T 85e一3 1 s t}∞initial 1n t0r curr●nt 图7添加LC滤波器的AFD光伏并网模型的 总谐波畸变率(THD) CtPacitttct C(F): I 30Or6 set the Xnit1I1 cq ac1t。t volt^te 3改进主动频率偏移法(AFD)的算法对总 谐波畸变率的影响 3.1 主动频率偏移法(AFD)的matlab仿真模型 常见的主动频率偏移法(AFD)仿真模型如图8 所示 、 [二匠二](: ][ 至二] 图9传统AFD方法中RLC负载的参数设置 图10传统的AFD孤岛检测算法波形图 传统型AFD算法的逆变输出电流表达式如下: 0< ̄tot<Tr-t 叮r—t ≤wt<Tr "IT< ̄tot<2w-t 图8主动式频率偏移法的常见仿真模型 21T—t < ̄09t≤2竹 式巾:f 为截断时间 为有源扰动下的逆变器 10 输出电流频率。 主动频率偏移法中减小总谐波畸变率的方法 Vo1.19 No.5 3.3改进型主动频率偏移法{AFD)的算法 改进型AFD检测法的算法原理是:在传统 AFD孤岛检测算法的基础上,进行改进性研究。提 出一种不频繁添加扰动只改变逆变输出电流频率 的方法进行孤岛检测。具体的实现原理是在AFD 控制算法中使逆变输出电流的频率比电网电压的 频率略高或略低,在电网电压每个周期过零点处 将逆变输出电流的波形强制置零,从而实现下个 周期与电网电压的相位保持一致。主电网因故断 电后.并网电压的频率跟随逆变输出电流的频率 不断变化,由于逆变输出电流的频率比电网电压 的频率略高或略低最终会导致公共点处的电压频 图12传统型AFD孤岛检测算法的总谐波畸变率(THD) 率超出电网电压所允许的频率偏差范围,即可检测 出孤岛I8]。通过改进型算法。得出的仿真波形如图 11所示。 厂 、 厂 、 i7 / { \l }广 l、l | // | \\ / / 。《 一 图13改进型AFD孤岛检测算法的总谐波畸变率(THD) / “ 脯^…。  —■——■ : ” 图1 1 改进型的AFD孤岛检测算法波形图 4 结论 ‘ 改进型AFD算法的逆变输出电流表达式如 下: 由上述3种对主动频率偏移法在改进总谐波 畸变率上的分析,我们分别从主动式方法的优缺点 I sin(27rf t)0 ̄tot<Tr-t 比较,有无添加低通滤波器以及改进算法3个方面 I sin(27rf t) ZAFD= 。)7r-t  ̄t<ot<2(,n'-t ) 2(7r-t )≤∞ <21T o)t≤2 进行仿真验证,然后得出了如下结论: 1)通过对被动式和主动式孤岛检测方法的优 缺点进行比较,可以看出:被动式检测方法由于没 有施加对逆变输出电流的扰动,所以其输出的并网 电流,在谐波含量上比主动式低。供给的并网电流 I sin(27rf t) 0 这种改进型的AFD算法优点就在于实现原理 简单,最大程度的保留了逆变器输出电流波形的质 量,没有引入频繁的扰动,只是在逆变输出电流的 每一个周期的末端将电流运行到这一点的波形强 制置零[9],因此与传统AFD孤岛检测算法相比。它 对电网的谐波干扰也会相对较低.在实际工程中更 波形质量和可靠性都更高,而主动式检测方法在当 本地负载所需的有功和无功满足光伏并网发电系 统提供的功率,被动式方法陷入盲区时,主动式方 法施加的扰动,因失去电网钳制作用而使扰动频率 逐渐增加,从而超过标准值,仍能检测出孤岛,即减 小了孤岛检测的盲区。因此在孤岛检测方法中我们 可以利用主被动相结合的检测策略.当被动式检测 加方便应用。下图就对传统型和改进型的AFD算 法的总谐波畸变率作出比较,比较结果如图12、13 所示 国网技术学院学报 第19卷第5期 Journal of State Grid Technology College 进人盲区时采用主动式孤岛检测方法,而当主动式 参考文献 [1]Aljankawey AS,Liu Ning,Chang L_A New Passive Island. ing DetectionScheme for Distributed Generation Systems Based on Wavelets.Energy Conversion Congress and Ex— 的电流波形质量无法满足系统要求时,又可以采用 被动式孤岛检测方法。从而既可以做到减小检测盲 区,又可以减小逆变器电流的谐波畸变率,提高电 能质量。 position(ECCE)Conference;2012 IEEE,15—20Sept.2012 (43):78—82. 2)通过对传统AFD检测方法的逆变器末端添 加LC低通滤波器,从而将输出的电流波形的高次 谐波过滤掉,只留下对电能质量干扰较小的低次谐 [2]Rekik M,Abdelkafi A,Kfichen L.A novel control strategy of a distibutred generator operating in seven modes for ancillary services under d faults.Int J Electr Power 波,仿真结果证明添加LC低通滤波器的方式确实 降低了逆变器输出电流的总谐波畸变率,提高了电 能质量,因而在大型供电系统中可以通过安装滤波 2013(47):100—8. [3]K.N.E.K.Ahmad,J.Selvar ̄,N.A.Rahim,A review of the islnding detaection methods in grid-connected PV invert— 装置来提高用户的供电质量。 3)通过对传统AFD检测方法的算法原理进行 改进,提出一种对逆变器输出电流进行周期性间歇 扰动的改进型AFD算法原理.在不添加扰动的情 况下只是在每个电流周期末端,强制令逆变器输出 电流波形置零,使电流在电网电压过零点到来之前 ers,Renewable and Sustainable Energy Reviews 21 (2013):756—766. [4]陆格文.光伏并网逆变器的孤岛检测研究[D].长沙:湖 南大学。2011:7-17. ’ . [5]刘剑.光伏发电并网系统及孤岛检测方法研究[D].长 沙:湖南大学,2013:22—32. [6]吴芳德.单相光伏并网逆变器及其孤岛检测技术的研究 [D].杭州:浙江工业大学,2012. [7]张学广,王瑞,刘鑫龙,等.改进的主动频率偏移孤岛检 为零,从而保持相位跟电网电压相位相同。而不是 跟传统的AFD方法一样每半个周期施加一次扰 动,这样最大程度的保留了电流波形正弦的完整 性,保证了电流的波形质量,减小了由原算法所带 来的频繁的电流扰动和谐波污染[10]。仿真结果证明: 改进型AFD算法相比传统型算法。其总谐波畸变 测算法[J].电力系统自动化,2012,36(14):200-204,209. I8]刘观起,游晓科.改进的正反馈主动频移孤岛检测方法 的仿真分析[J].电网与清洁能源,2011,27(11):41_45. [9]廖政伟,廖晖,吕征宇.带正反馈的有源频率偏移孤岛检 测及盲区讨论[J].电力电子技术,2011,45(10):27— 28.59. 率大大降低,既提高了并网电流的电能质量。降低 发电成本,也大大提高了检测的效率。该改进型算 法是可行的。这也为孤岛检测算法的提出与改进, 提供了更加广阔的领域。 [10]冉成科,夏向阳,刘乐,等.分布式发电系统中的新型主 动式孤岛检测方法[J].中南大学学报(自然科学版), 2013,44(12):4 887—4 893. LI Yan,CHEN Ping,JIANG Xiaodong Shandong University of Technology,Zibo,Shandong 255000,China Abstract:Island detection plays an important roles in the grid safety of grid—connected photovoltaic power generation system;however,there are many common active and passive island dete ction methods,and they have advantages and disadvantages.Total harmonic distortion(THD)is an important index for jud ̄ng island detection methods.In order to reduce the harm of THD to power grid this paper ca ̄ies out analysis and research and simulation verification of active island detection methods,puts forward severl metahods for reducing the THD,and through the comparison of simulation results,proves that the improved method plays its role in the reduction of THD,providing reliable basis and approaches for the improvement of grid—connected current quality and improvement of residential electricity safety. Key words:island detection;photovohaic grid-connected system;total harmonic distortion(THD);active frequency drift method(AFD) 

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