丁 浩 魏艷君 漆漢宏 何 宇 郭小強

（燕山大學電氣工程學院 秦皇島 066004）

1 引言

隨著可再生能源的大規(guī)模開發(fā)和利用，越來越多的綠色能源通過并網(wǎng)逆變器傳輸?shù)诫娋W(wǎng)上，對電網(wǎng)和逆變器的安全運行提出了挑戰(zhàn)。當電網(wǎng)出現(xiàn)故障或因其他原因需停止供電時，就導致了孤島現(xiàn)象的產(chǎn)生。

所謂孤島現(xiàn)象是指大電網(wǎng)停電后，各個接入電網(wǎng)的分布式發(fā)電單元未能檢測到停電現(xiàn)象而仍然持續(xù)向負載供電，從而與負載形成一個公共電網(wǎng)無法控制的獨立供電系統(tǒng)[1,2]。孤島發(fā)生后電力公司失去對公共耦合點電壓和頻率的控制，會帶來危害人身安全和造成設(shè)備損害等一系列的安全隱患[3,4]。因此分布式發(fā)電系統(tǒng)在斷網(wǎng)后必須要能及時檢測到孤島現(xiàn)象并作出相應(yīng)的孤島保護[5]。

孤島檢測方法按照是否對逆變器的輸出進行擾動分為被動法和主動法兩種。一般的被動式檢測法工作原理簡單、對電能質(zhì)量無影響，但存在較大的檢測盲區(qū)而不單獨使用，通常作為輔助手段與主動法配合應(yīng)用。文獻[6]利用小波法解決了被動法存在盲區(qū)的缺點，但算法所用原理復雜、占控制芯片內(nèi)存較大，難以得到推廣。常用的主動式檢測法有主動頻率偏移法（AFD）[7,8]、滑模頻率偏移法（SMS）[9,10]、Sandia 頻率偏移法（SFS）[11,12]、有功功率/有功電流擾動法[13-15]和無功功率/無功電流擾動法[16,17]等。主動法由于能減小或消除檢測盲區(qū)而廣泛應(yīng)用，但人為在逆變器的輸出中加入擾動會對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響[18,19]。因此，在無盲區(qū)的前提下，如何降低主動檢測法對電網(wǎng)的污染值得深入研究。

主動式檢測方法中，主動頻移法[20]和滑模頻移法[10]被廣泛采用。但此類方法存在引入額外的諧波、降低輸出功率因數(shù)的缺點，且其檢測盲區(qū)是否存在與負載品質(zhì)因數(shù)有關(guān)。為了克服此類缺點，本文基于有功電流擾動對孤島檢測進行研究。文獻[14]介紹了恒值有功電流擾動法，但該方法存在兩個問題:一是只對負載匹配時的情況進行了討論，沒有對不匹配負載的情形予以分析，沒有涉及檢測盲區(qū)這一方面的問題；二是有功擾動電流持續(xù)注入，使得逆變器一直處于過載或欠載運行，影響逆變器的壽命或效率。文獻[15]給出了周期性有功電流擾動法，即每隔一段時間擾動一次電流，但該方法未對擾動值作量化限制，電流值在擾動期間降低了一半，導致采用的擾動值過大，使得逆變器輸出功率的波動較大。

本文在已有的有功電流擾動的孤島檢測方法上作了改進，提出了自適應(yīng)有功電流擾動法。理論分析、仿真和實驗研究表明，所提自適應(yīng)有功電流擾動算法正確有效，不存在檢測盲區(qū)，對擾動時間和輸出功率的波動均有較大程度的減少。

2 自適應(yīng)有功電流擾動孤島檢測方法的原理

并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測原理如圖1 所示。當逆變器并網(wǎng)運行時（相當于圖1 的開關(guān)S 閉合），PCC 電壓Uabc為電網(wǎng)電壓Ug，其幅值為

圖1 孤島檢測原理圖Fig.1 Schematic diagram of islanding detection

Um=Ugm，其中Ugm為電網(wǎng)電壓的幅值。

當電網(wǎng)斷電，孤島發(fā)生后（相當于圖1 的開關(guān)S 打開），PCC 電壓Uabc由逆變器的輸出電流Iabc和本地RLC 負載共同決定，其幅值為[14]:Um=IdR，其中Id為Iabc的d 軸分量，即為有功電流。

IEEE Std.929—2000[20]規(guī)定可觸發(fā)孤島檢測過/欠電壓保護（OVP/UVP）的范圍為

在不注入電流擾動的情況下，負載中的電阻值可在孤島發(fā)生后由PCC 電壓幅值Um0和輸出有功電流Id之比得到，即R=Um0/Id。（為了不致混亂，將不加擾動時的PCC 電壓幅值記作Um0）

（1）若Um0≥1.1Ugm或Um0≤0.88Ugm，則不需注入擾動即可由OVP/UVP 檢測到孤島。

（2）若Ugm≤Um0＜1.1Ugm，要能檢測到孤島，可使PCC 電壓觸發(fā)OVP，所注入的最小擾動電流為

（3）若0.88Ugm＜Um0＜Ugm，要能檢測到孤島，可使PCC 電壓觸發(fā)UVP，所注入的最小擾動電流為

根據(jù)式（2）和式（3）繪出Um0在（0.88Ugm,1.1Ugm）范圍時能觸發(fā)孤島保護的最小有功擾動電流ΔId和Um0的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 能觸發(fā)孤島保護的最小ΔId和Um0的關(guān)系Fig.2 The relationship between the the minimum ΔIdwhich can trigger islanding protection and Um0

由圖2 可見，孤島發(fā)生后，Um0偏離Ugm越大，需注入有功擾動電流絕對值越小，當Um0為1.1Ugm或0.88Ugm時，無需注入擾動電流。因此，所提方案可根據(jù)無擾動時段測得的PCC 電壓幅值自適應(yīng)地加入有功擾動電流的大小，孤島檢測流程如圖3所示。

圖3 孤島檢測方法流程圖Fig.3 Flow chart of islanding detection method

以上討論的是孤島發(fā)生后如何加入有功擾動電流，當逆變器并網(wǎng)時，顯然Um0=Ugm，由圖2 可知，在擾動時段應(yīng)加入的ΔId=0.1Id。

為了更直觀地看清本文提出的方法，圖4a～圖4c 分別對R=Rm、R=1.05Rm和R=0.95Rm三種情形應(yīng)用此法予以分析。（圖4 中各參數(shù)的取值詳見第3 節(jié)）

圖4 自適應(yīng)有功電流擾動方案Fig.4 Adaptive active current disturbance method

由圖4 可以看到，各負載情形在并網(wǎng)時所加的有功擾動電流是一致的:以ΔId=0 和ΔId=0.1Id不斷作周期更替。而一旦孤島發(fā)生，便能根據(jù)孤島發(fā)生時刻所在無擾動時段檢測到的PCC 電壓幅值Um0和式（2）、式（3）自動地加入不同的有功擾動電流，從而檢測到孤島現(xiàn)象。這里需要說明的是，即使孤島發(fā)生時刻比較接近無擾動時段的末端以致Um0還未達到穩(wěn)定便已加入了擾動電流，孤島也能在此擾動時段檢測到。這是因為孤島發(fā)生后Um0是從Ugm開始上升或下降的，若Um0未達穩(wěn)定無擾動時段就已結(jié)束，則檢測到的Um0要比穩(wěn)定時更靠近Ugm，由圖2 可知所加擾動電流的絕對值更大，孤島能更快檢測到。

由于并網(wǎng)時只有兩個時段，即ΔId=0 時段和ΔId=0.1Id時段，故孤島發(fā)生時刻也只能處于這兩個時段。圖4 各情形都只考慮了孤島發(fā)生在ΔId=0 的時段，若其發(fā)生在ΔId=0.1Id時段，孤島有可能在此時段便能檢測到，倘若在此時段未能檢測出，那么等到下一個無擾動時段獲得Um0后也能在相應(yīng)的電流擾動時段內(nèi)檢測到孤島。

綜上所述，無論孤島發(fā)生在何時刻，此算法都不存在檢測盲區(qū)。

3 參數(shù)計算

本文采用軟件鎖相環(huán)（Software Phase Locked Loop，SPLL）獲得PCC 電壓幅值，其調(diào)節(jié)時間參照文獻[18]設(shè)計為0.2s。然而實驗時還必須加入濾波環(huán)節(jié)，否則檢測出的幅值會帶有很大的噪聲，本文采用一階低通濾波器進行降噪，由于一階低通濾波器有滯后特性，故實際測得幅值的調(diào)節(jié)時間將大于0.2s，為留有一定裕量，圖4 中時間參數(shù)ΔT可設(shè)置為:ΔT=0.3s。

當R略大于Rm且孤島發(fā)生在ΔId=0.1Id時段時，本算法檢測到孤島所花的時間最長，如圖5 所示。檢測時間按最大算為

可得:T≤1.7s，為留一定裕量，取T=1.6s。

圖5 自適應(yīng)擾動法中最長檢測時間情形Fig.5 The longest detection time case of the adaptive disturbance method

將本文所提算法和文獻[14,15]介紹的方法作對比，列表如下。

表 三種算法的對比Tab. The comparison of the three algorithms

由上表可知，本文所提自適應(yīng)擾動法在不存在檢測盲區(qū)的同時能做到對逆變器輸出的擾動更小。

4 仿真與實驗驗證

采用Matlab/Simulink 對自適應(yīng)擾動的孤島檢測算法在三相并網(wǎng)逆變器上進行了仿真驗證。仿真參數(shù)設(shè)置為:電網(wǎng)的相電壓峰值311V（即Ugm=311V）、頻率50Hz；直流側(cè)母線電壓800V；輸出電流峰值20A（即Id=20A）；濾波電感6mH；開關(guān)頻率20kHz；負載品質(zhì)因數(shù)IEEE Std.1547.1[21]推薦的Qf測試值為1）；負載諧振頻率fo=50Hz。此仿真僅對R=1.05Rm的情形進行驗證，其他情形見下一節(jié)的實驗驗證。仿真時設(shè)置逆變器在1.4s 時脫離電網(wǎng)，仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6 可以看到，由于1.4s 前逆變器處于并網(wǎng)運行，PCC 電壓受電網(wǎng)電壓鉗制，其幅值一直穩(wěn)定在1(pu)，有功擾動電流以ΔId=0 和ΔId=2A 作更替。在1.4s 斷網(wǎng)后，PCC 電壓將由逆變器的輸出電流和本地負載共同決定，由于1.9s 前有功擾動電流為0，PCC 電壓幅值穩(wěn)定在Um0=1.05(pu)，不能觸發(fā)OVP；至1.9s 時，無擾動時段結(jié)束，根據(jù)無擾動時段的Um0得到ΔId=0.953A，其后PCC 電壓幅值欲穩(wěn)定在1.1(pu)，至2.06s 達1.1(pu) 時觸發(fā)OVP，檢測到孤島，此時逆變器的輸出電流突降為0，逆變器停止工作，PCC 電壓此后不斷減小，直至為0，從而實現(xiàn)了孤島保護。整個孤島檢測時長為(2.06-1.4)s=0.66s 小于規(guī)定的2s，符合孤島檢測要求。

圖6 R=1.05Rm時的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results with R=1.05Rm

本文將所提算法在三相并網(wǎng)逆變器上進行了模擬實驗，其主電路和控制原理如圖7 所示。實驗參數(shù)為:電網(wǎng)的相電壓峰值120V（即Ugm=120V）、頻率50Hz；直流側(cè)母線電壓270V；輸出電流峰值5A（即Id=5A）；濾波電感和開關(guān)頻率與仿真時相同?？刂菩酒捎?TI 公司研發(fā)的 TMS320F2812 DSP；三相并聯(lián)RLC 負載采用北京群菱公司生產(chǎn)的“防孤島試驗檢測裝置”（ACLT—3803H），以實現(xiàn)三相阻性、感性和容性負載的自由組合，從而快速配置出品質(zhì)因數(shù)和諧振頻率。實驗中同樣設(shè)置Qf=1、fo=50Hz。本實驗分別對R=Rm、R=1.05Rm和R=0.95Rm三種情形進行驗證，實驗結(jié)果如圖8所示。

圖7 孤島檢測主電路及控制策略Fig.7 Main circuit and control strategy for islanding detection

圖8 實驗結(jié)果Fig.8 Experimental results

實驗中，為保證在過電壓/欠電壓檢測臨界點上的可靠性，所加干擾電流設(shè)置為理論值的1.02 倍。由實驗結(jié)果可見，各情形所加的有功擾動電流與圖4 中相應(yīng)的情形相一致，各電壓幅值曲線也符合前面的理論分析，從而驗證了所提算法的正確性和優(yōu)越性。

5 結(jié)論

本文在恒值和周期性電流擾動方法的基礎(chǔ)上提出了一種基于自適應(yīng)有功電流擾動的孤島檢測算法，該算法通過無擾動時段檢測到的PCC 電壓幅值能自適應(yīng)地加入觸發(fā)孤島保護的最小有功擾動電流，從而在孤島發(fā)生后檢測到孤島。所提算法克服了頻率偏移法存在引入額外的諧波、降低輸出功率因數(shù)的缺點；克服了恒值有功電流擾動法存在檢測盲區(qū)和始終注入擾動的缺陷；較之周期性有功電流擾動法，該算法在擾動時間和并網(wǎng)時對輸出功率波動上有了進一步的降低。最后所做的仿真和模擬實驗驗證了提出算法的正確性和優(yōu)越性。

逆變器并網(wǎng)時的輸出功率波動是基于有功電流擾動的孤島檢測方法不可避免的問題，本文算法能夠自適應(yīng)地加入觸發(fā)孤島保護的最小有功擾動電流，將輸出功率的波動降到最低；另一方面，針對不可控微源，額外添加能量管理控制系統(tǒng)，配備蓄電池來儲存和調(diào)節(jié)電能是一種合理有效的解決方法[23]。然而額外加入能量管理電路需投入更多的資金，控制算法也會變得復雜。

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