申書霞，于少娟，劉立群，胡偉

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024）

基于OVR/OUR與電流擾動結(jié)合的并網(wǎng)孤島檢測

申書霞，于少娟，劉立群，胡偉

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024）

孤島檢測是目前在分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究中的難點之一。大電網(wǎng)要求分布式并網(wǎng)系統(tǒng)必須擁有良好的反孤島能力，從而保證整個系統(tǒng)的良好穩(wěn)定運行。本文提出了加入電流擾動的主動檢測用以消除常用的OVR/OUR檢測方法存在的檢測盲區(qū)。該方法不會對電網(wǎng)的頻率產(chǎn)生影響，也不會向電網(wǎng)注入諧波，尤其克服了常用的OVR/OUR檢測方法在逆變器輸出功率和負(fù)載功率相匹配時檢測失效的缺陷，可達(dá)到無盲區(qū)檢測，并用仿真驗證了其正確性。

孤島檢測;OVR/OUR;主動電流擾動;分布式發(fā)電

在廣泛應(yīng)用的分布式發(fā)電系統(tǒng)中，光伏、風(fēng)能和燃料電池等新型能源，經(jīng)過電力電子變換裝置后并入大電網(wǎng)。這其中并網(wǎng)逆變器是新能源和大電網(wǎng)之間的接口，其主要的作用是進(jìn)行電能的變換和電能質(zhì)量的控制［1-2］。

孤島檢測是在并網(wǎng)逆變器的各項技術(shù)指標(biāo)中必不可少的功能。因為孤島的發(fā)生會影響電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，造成設(shè)備的損壞，重合閘的失敗，嚴(yán)重時危害檢修人員的人身安全，所以系統(tǒng)必須快速的檢測出孤島，在限定時間內(nèi)從電網(wǎng)切除并停止供電。

本文在分析了經(jīng)常使用的OVR/OUR檢測方法的基礎(chǔ)上結(jié)合主動電流擾動法來檢測孤島，從而使得逆變器輸出電流幅值周期性的發(fā)生改變，此方法在單臺逆變器運行時無檢測盲區(qū)，而且不對電網(wǎng)注入諧波污染。

1 孤島檢測

孤島由國際IEEE Std.929-2000的標(biāo)準(zhǔn)可定義為:當(dāng)大電網(wǎng)由于電氣故障或自然因素等其他原因使供電中斷時，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)依然向周圍所帶的負(fù)載提供電能，因而形成電力公司無法控制的自給供電的孤島現(xiàn)象。針對孤島效應(yīng)的檢測，并網(wǎng)要求規(guī)定并網(wǎng)逆變器在大電網(wǎng)斷電后需要在2 s內(nèi)檢測出來。

1.1 孤島檢測分析

孤島檢測分為遠(yuǎn)程和本地兩大類［3-4］。遠(yuǎn)程檢測方法主要是基于通信檢測，因其投資較大所以應(yīng)用較少。本地檢測方法又分為被動檢測方法和主動檢測方法，被動檢測方法都存在一定的缺點，如基本的過/欠電壓(OVR/OUR)，過/欠頻檢測方法存在較大的檢測盲區(qū)，電壓諧波檢測法的閾值難以選取，相位突變檢測法在負(fù)載為純阻性或功率因數(shù)為1時檢測失效［5-6］。

針對解決被動檢測功率平衡時檢測失效的缺點，主動檢測應(yīng)運而生［7］。此方法是需要應(yīng)用加入的干擾打破孤島運行時電網(wǎng)和負(fù)載之間的功率平衡，以檢測出孤島［8］。常用的方法有文獻(xiàn)［9］提出的主動頻率偏移法，文獻(xiàn)［10］提出的基于諧波畸變率正反饋的孤島檢測法，文獻(xiàn)［11］提出的基于諧波畸變率正反饋的孤島檢測法和文獻(xiàn)［12］提出的主動移相式孤島檢測法等。這些方法在一定程度上都給電網(wǎng)注入了諧波，而本文采用的OVR/OUR和主動電流擾動結(jié)合的方法不對電網(wǎng)注入諧波。

1.2 孤島檢測建模

孤島檢測的電路如圖1所示，正常情況下，分布式并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)同時向負(fù)載提供電能。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障斷開后，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)將獨立向負(fù)載提供電能，此時如果輸出的功率和負(fù)載需求的功率近似匹配，則公共節(jié)點PCC的電壓幅值Um和頻率f仍將會維持在正常運行范圍內(nèi)(0.88＜Um＜1.1(標(biāo)幺值，下同)，49.5 Hz＜f＜50.5 Hz)，從而形成電網(wǎng)不可控制的孤島。

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

網(wǎng)絡(luò)連接開關(guān)CB合上后，設(shè)P+jQ為并網(wǎng)逆變器發(fā)出的功率，PL+jQL為負(fù)載所需要消耗的功率，△P=PL-P和△Q=QL-Q為電網(wǎng)需要提供的功率，然后檢測公共節(jié)點PCC處的電壓幅值和相位的變化情況，判斷其值是否超出設(shè)定的閾值范圍。

2 OVR/OUR與主動電流擾動

工程上應(yīng)用較多的OVR/OUR方法雖然較為簡單、經(jīng)濟，但是存在較大的檢測盲區(qū)。因此結(jié)合主動電流法減小盲區(qū)，實現(xiàn)無盲區(qū)檢測。

2.1 OVR/OUR檢測

常用的OVR/OUR檢測原理是檢測PCC點處的電壓的幅值U是否超出設(shè)定范圍。一般設(shè)定電壓最小值為U1=88%U0、電壓最大值U2=110%U0，其中U0為標(biāo)準(zhǔn)點的電壓值。

在理想運行條件下，孤島現(xiàn)象出現(xiàn)時可認(rèn)為逆變器的輸出電流不會因為孤島的出現(xiàn)而發(fā)生變化。同樣由于鎖相環(huán)的作用使PCC點的電壓與逆變器輸出的電流之間存在的相位差φ也不會發(fā)生變化，可得下式:

其中，I0、φ0分別是在孤島效應(yīng)運行時I、φ的值。并網(wǎng)逆變器正常運行時一般要求其相位差為0，則有下式:

在正常運行時，逆變器的電流如下式:

逆變器側(cè)的負(fù)載值R如下:

其中，U0是正常工作時PCC點處的電壓。當(dāng)孤島效應(yīng)發(fā)生并逐步形成穩(wěn)態(tài)后，PCC點的電壓U可表示為下式:

聯(lián)立以上式子可得:

由以上式子能夠得出，只要在孤島效應(yīng)發(fā)生之前有功功率變化量△P的值不為0，則公共點處電壓的幅值就會隨△P的值發(fā)生變化，從而可檢測出孤島，仿真波形如圖2所示。

可見在負(fù)載功率大于或者小于逆變器輸出波形的情況下OVR/OUR都可根據(jù)電壓的幅值是否越限檢測出孤島。但是當(dāng)?shù)扔?時，公共點處的電壓幅值將不會發(fā)生變化。此時OVR/OUR檢測失效，系統(tǒng)的自我檢測機制失去效用。仿真結(jié)果如圖3所示。

因此當(dāng)△P等于0時，逆變器輸出功率和負(fù)載功率匹配OVR/OUR檢測失效，形成了不可檢測的盲區(qū)。對此加入主動電流擾動以消除其檢測的盲區(qū)。

圖2 功率不平衡時OVR/OUR檢測仿真波形Fig.2 OVR/OUR simulation waveform under power unbalance

圖3 功率平衡時OVR/OUR檢測仿真波形Fig.3 OVR/OUR simulation waveform under power balance

2.2 主動電流擾動檢測方法原理分析

對逆變器加入電流干擾的控制過程如圖4所示:

圖4 主動電流擾動法孤島檢測系統(tǒng)圖Fig.4 System diagram of active electric current perturbation method

并網(wǎng)逆變器在工作時對電流控制參考信號的選取通常使用電網(wǎng)電壓信號或與其同頻同相的正弦信號，則有:

式中，ωiL、φiL和ωvg、φvg分為逆變器輸出電流和電網(wǎng)電壓的角頻率和相位。

采用電流干擾即在參考電流的基礎(chǔ)上加入干擾信號，則參考信號為:

式中，ig為加入干擾前的參考信號，igi為加入的干擾信號，igd為加入干擾后的參考信號。

在正常運行時，PCC處的電壓vPCC是電網(wǎng)的電壓。如逆變器輸出與負(fù)載消耗的功率相等，電網(wǎng)斷電后，則PCC點處的電壓幅值將不變，此時會導(dǎo)致孤島發(fā)生。而在注入電流干擾后，電網(wǎng)斷電時，PCC點處的電壓幅值將由逆變器的輸出電流igd和本地負(fù)載Z共同決定:

vPCC的值在原來基礎(chǔ)上增加了igiZ的壓降，將超出欠電壓保護設(shè)定的閾值范圍，從而即使在功率匹配的情況下也可以將孤島檢測出來。

3 仿真分析

為了彌補OVR/OUR檢測方法在功率平衡時檢測失效的缺陷，驗證主動電流擾動法的有效性。在參考電流ig中加入電流擾動igi后控制逆變器的電流輸出，Matlab/Simulink中建立的仿真模型如圖5所示。

在0.4 s內(nèi)以每次2個工頻周期的時間對逆變器的電流波形進(jìn)行干擾，擾動后的波形如圖6所示，可見此擾動使得其波形輸出為正常時幅值的一半。

設(shè)置電網(wǎng)0.5 s時斷電，這時電網(wǎng)為剛過干擾，從而可測試出所需檢出孤島的最長時間。在不同負(fù)載條件下的仿真如圖7所示。

由圖7(a)可看出當(dāng)負(fù)載功率大時，電網(wǎng)斷電后因為逆變器輸出功率小使得點的電壓幅值降低，進(jìn)而檢測出孤島。由圖7(b)可看出當(dāng)負(fù)載功率小時，電網(wǎng)斷電后因為逆變器輸出功率大使得點的電壓幅值升高，可檢測出孤島。由圖7(c)可看出當(dāng)負(fù)載功率等于逆變器輸出功率時，電網(wǎng)斷電后由于負(fù)載功率和逆變器輸出功率相等，點的電壓由原來的不會發(fā)生變化導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生孤島運行，變?yōu)橛捎谧⑷腚娏鞯木壒适瓜到y(tǒng)在擾動到來的0.7 s時檢測出孤島。

圖5 電流干擾法仿真圖Fig.5 Simulation diagram of current interference method

圖6 逆變器電流波形Fig.6 Current waveform of inverter

從仿真結(jié)果圖7(c)可以看出在功率平衡情況下，電網(wǎng)0.5 s斷電后逆變器可在0.7 s檢測到孤島方法，從而彌補了如圖3在OVR/OUR方法下檢測失敗的缺點。故兩者結(jié)合后，在負(fù)載功率與輸出功率不匹配時，采用OVR/OUR被動方法檢測，在負(fù)載功率與輸出功率匹配時，通過引入電流擾動打破平衡狀態(tài)實現(xiàn)檢測。以被動檢測與主動檢測相結(jié)合的設(shè)計，實現(xiàn)在不對電網(wǎng)注入諧波的情況下完成不同功率的快速孤島檢測。

4 結(jié)論

圖7 主動電流擾動法仿真波形Fig.7 Simulation waveform of active electric current perturbation method

OVR/OUR孤島檢測方法因為其簡易性便、經(jīng)濟性在實際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。分析了OVR/OUR檢測方法的檢測原理及其具體的檢測盲區(qū)，之后提出了結(jié)合主動電流擾動法，使得逆變器的輸出電流在每個0.4 s的周期里有兩個工頻周期的電流減少一半，這樣可以在各種情況下快速地檢測出孤島。為了驗證主動電流擾動法，本文采用Matlab做了仿真實驗。從仿真結(jié)果中可以看出在負(fù)載功率和逆變器輸出功率平衡的最壞情況下，也可以檢測出孤島，最長在時間為0.7 s，完全符合我國孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的2 s的檢測時間。同時也不向電網(wǎng)注入諧波污染，不會影響電網(wǎng)的頻率，從而達(dá)到無盲區(qū)檢測。

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Island Detection Based on OVR/OUR and Current Disturbing Combination of Grid-Connected System

SHEN Shu-xia，YU Shao-juan，LIU Li-qun，HU Wei
(School of Electronic Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

Island detection is one of the difficult problems in distributed generation research.Power grid requires that a distributed grid system must have a good ability of anti-island to ensure the stable operation of the whole system.In this study，the current amplitude disturbing was used to eliminate the blind area by OVR/OUR island detection method.This method would not affect the frequency of grid or have harmonic injection to grid，and could overcome the shortcoming that OVR/OUR island detection fails to work when the output of inverter matches load power.This method can reach non-blind detection.Simulation has proved the correctness of this method.

islanding detection，OVR/OUR，current disturbing，distributed generation

TM464

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.03.010

1673-2057(2015)03-0208-05

2014-11-24

太原科技大學(xué)校博科技研究啟動資金(20122033);山西省高校教改項目(J2011130，J2013064);同洲電子科技創(chuàng)新基金(TZ201323)

申書霞(1987-)，女，碩士研究生，主要研究方向為雙模式逆變器控制及孤島檢測;通訊作者:于少娟，教授，E-mail:yushao71@yeah.net