章勇高，蔡少華

（華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,江西 南昌330013）

基于三相光伏并網(wǎng)逆變器的新型孤島檢測(cè)方法研究

章勇高，蔡少華

（華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,江西 南昌330013）

孤島效應(yīng)是指一個(gè)或多個(gè)光伏系統(tǒng)在沒(méi)有電網(wǎng)支撐的情況下給本地負(fù)載供電的現(xiàn)象是光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)過(guò)程中的主要問(wèn)題之一。非計(jì)劃的孤島效應(yīng)必須在最短的時(shí)間內(nèi)被監(jiān)測(cè)出來(lái)并采取措施來(lái)保證工作人員的安全和設(shè)備不被損壞。反孤島的檢測(cè)方法主要分為主動(dòng)式、被動(dòng)式檢測(cè)法和通迅檢測(cè)法，被動(dòng)檢測(cè)法具有響應(yīng)快和對(duì)輸出電能質(zhì)量不產(chǎn)生影響的優(yōu)點(diǎn)，該方法的缺點(diǎn)是具有較大的檢測(cè)盲區(qū)（NDZ），另一方面，主動(dòng)檢測(cè)法擁有相對(duì)較小的NDZ，并且同樣迅速。但是傳統(tǒng)的主動(dòng)孤島檢測(cè)方法一般是通過(guò)注入擾動(dòng)分量，這樣不利于電網(wǎng)的電能質(zhì)量。提出一種注入三次諧波的孤島檢測(cè)法，不僅能夠有效的檢測(cè)出孤島發(fā)生，還能夠在一定程度上改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。并對(duì)該方法進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的可行性和有效性。

逆變器；孤島檢測(cè)；三次諧波注入

光伏發(fā)電作為一種新型能源，在一次發(fā)電系統(tǒng)中占的比例越來(lái)越大[1]，光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的影響也受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注。在三相逆變器的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究的原因是大電網(wǎng)的三相是平衡的，光伏系統(tǒng)進(jìn)行三相發(fā)電的優(yōu)勢(shì)是能夠直接滿(mǎn)足三相平衡的需求。三相發(fā)電同單相發(fā)電一樣也面臨著孤島問(wèn)題。不論是有計(jì)劃還是非計(jì)劃的孤島，作為可能的安全隱患，逆變器都必須具備孤島檢測(cè)功能來(lái)檢測(cè)孤島是否發(fā)生。所以，在三相光伏發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)孤島檢測(cè)進(jìn)行研究具有一定的必要性[2]。

現(xiàn)有的孤島檢測(cè)方法主要分為三類(lèi)[3－5]，即被動(dòng)檢測(cè)，主動(dòng)檢測(cè)和通訊監(jiān)測(cè)。被動(dòng)檢測(cè)[6]優(yōu)勢(shì)在于，不需要增加任何設(shè)備，而是基于對(duì)幅值，相位，頻率等數(shù)值大小根據(jù)電網(wǎng)的參數(shù)限制來(lái)設(shè)定閾值。但是這種方法的缺點(diǎn)是由于電網(wǎng)所有繼電器無(wú)法做到一致動(dòng)作，就有可能導(dǎo)致局部電網(wǎng)完全或者不完全匹配本地負(fù)載。導(dǎo)致上邊所給參數(shù)無(wú)法超過(guò)檢測(cè)的閾值，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)異常的情況下無(wú)法及時(shí)脫離電網(wǎng)。主動(dòng)檢測(cè)[7－8]同樣具有不需要增加設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，該類(lèi)檢測(cè)法主要是通過(guò)對(duì)控制算法中輸入關(guān)于幅值，相位，頻率的持續(xù)不間斷帶方向的擾動(dòng)。使得孤島運(yùn)行時(shí)其中部分參數(shù)能夠快速有效的偏移出正常允許范圍，從而觸發(fā)被動(dòng)檢測(cè)。但是由于該類(lèi)方法往往朝電網(wǎng)中持續(xù)注入擾動(dòng)分量，給電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來(lái)影響，隨著這部分發(fā)電在電網(wǎng)中的份額逐步增加，輸入擾動(dòng)信號(hào)帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題將會(huì)越來(lái)越明顯，會(huì)給電力系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)增加成本?；谕ㄓ嵄O(jiān)測(cè)的方法[9－10]是其中最有效，且不存在孤島檢測(cè)盲區(qū)與電能質(zhì)量的問(wèn)題，是一種很重要的發(fā)展方向，缺點(diǎn)是要增加額外的檢測(cè)設(shè)備，比較昂貴，而隨著設(shè)備成本的降低，以及智能電網(wǎng)的發(fā)展，這種方法將會(huì)起到越來(lái)越重要的作用[11]。

快速準(zhǔn)確兩個(gè)指標(biāo)是個(gè)矛盾體，不能單獨(dú)追求其中某一項(xiàng)而忽略另一項(xiàng)，如何做到快速與準(zhǔn)確巧妙的平衡也是一個(gè)研究課題。通過(guò)在前人提出的方法基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)理論推導(dǎo)，Matlab仿真與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行研究。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不僅能夠做到快速與準(zhǔn)確的檢測(cè)出孤島，而且能夠在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，能夠部分提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

1 注入三次諧波原理分析

1.1 注入三次諧波原理

在分析三次諧波孤島檢測(cè)法之前，首先分析注入三次諧波對(duì)供電電網(wǎng)的影響，假設(shè)對(duì)三相逆變器輸出電流ia，ib，ic中注入幅值K，角頻率為3ω0的三相對(duì)稱(chēng)電流，如

1.2 運(yùn)行模式

三次諧波注入工作在兩種模式下，分別為運(yùn)行模式Ⅰ和運(yùn)行模式Ⅱ。

1）運(yùn)行模式Ⅰ，為孤島檢測(cè)模式，該模式的工作原理為：孤島發(fā)生時(shí)候，無(wú)三次諧波或少量三次諧波，控制逆變器輸入三次諧波量，經(jīng)由正反饋之后，三次諧波越來(lái)越大從而設(shè)置閾值來(lái)判斷孤島發(fā)生。

傳統(tǒng)的孤島檢測(cè)方法在某些特別情況下，可能會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生的擾動(dòng)量被抵消，從而導(dǎo)致孤島檢測(cè)的失敗。運(yùn)行模式Ⅰ為了避免特定的取值可能導(dǎo)致的檢測(cè)失敗，采用的是根據(jù)三次諧波分量的大小來(lái)進(jìn)行正反饋從而在孤島情況下能夠放大三次諧波分量，最終超出正常范圍。

2）運(yùn)行模式Ⅱ，為正常并網(wǎng)模式，經(jīng)過(guò)電網(wǎng)三次諧波檢測(cè)，經(jīng)由控制器控制注入三次諧波電流，在負(fù)載上產(chǎn)生反向三次諧波電壓從而部分抵消電網(wǎng)中的三次諧波，改善電網(wǎng)本身的電能質(zhì)量。

運(yùn)行模式Ⅱ是基于逆變器輸出的三次諧波并不足以影響到整個(gè)電網(wǎng)的三次諧波總的分量的情況下，通過(guò)采取與與電網(wǎng)三次諧波分量反向的方式來(lái)達(dá)到部分降低電網(wǎng)三次諧波的目的。

2 三次諧波注入法實(shí)現(xiàn)的控制策略

2.1 濾波器原理

準(zhǔn)確的檢測(cè)電壓三次諧波是控制注入三次電流的基礎(chǔ)。在檢測(cè)三次諧波的方式上選擇算法，該算法可視作一個(gè)數(shù)字濾波器，傳遞函數(shù)表達(dá)式為

式中：N為輸入信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)；m取值為0，1，…，N-1，本文選擇的值為注入諧波的次數(shù)。假設(shè)注入諧波的頻率為fdist、采樣信號(hào)采集的頻率為fsam和電網(wǎng)工作頻率即工頻為fg，那么N、m要滿(mǎn)足

傳遞函數(shù)的功能可由圖1的框圖來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中：vm為m次諧波電壓；vPCC為耦合點(diǎn)處電壓。

圖1 滑動(dòng)濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of sliding Goertzel filter

從圖1可推出關(guān)系式（12），式（13）

由式（12），式（13）可得

wm（n）的幅值可以通過(guò)式（15）來(lái)計(jì)算

通過(guò)式（14），式（15）能夠計(jì)算出三次諧波的電壓幅值與相位。通過(guò)跟蹤v（3）能夠控制輸入三次諧波電流的相位與取值。

2.2 注入三次諧波設(shè)計(jì)

注入三次諧波的大小可以定義為

工程實(shí)踐表明當(dāng)k取0.10時(shí)即在三次諧波分量在電流中所占的百分比達(dá)到4.7%的時(shí)候，總的諧波含量（THD）將會(huì)達(dá)到5%，電網(wǎng)的規(guī)定總諧波諧波畸變率不能超過(guò)5%，所以0.10為檢測(cè)孤島發(fā)生與否的臨界值。

式（17）中a取接近于1的數(shù)值，工程實(shí)踐可根據(jù)需求取相應(yīng)要求的大小，這里選取為0.99。其中a的取值可正可負(fù)，當(dāng)電網(wǎng)電壓三次諧波過(guò)量，可以控制逆變器輸出一部分反向的三次諧波，起到調(diào)節(jié)電網(wǎng)電能質(zhì)量的作用，也可以通過(guò)控制k的取值起到孤島檢測(cè)的作用。

2.3 控制實(shí)現(xiàn)與功能實(shí)現(xiàn)流程

本文所采用的三次諧波注入控制策略的控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。在圖中，逆變器采用的dq坐標(biāo)下直接電流控制策略。耦合點(diǎn)（PCC）處電壓vPCC經(jīng)過(guò)dq變換后，經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)PLL得到基準(zhǔn)相位角θg，通過(guò)采用注入擾動(dòng)相位的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)三次諧波注入產(chǎn)生新的相位角θinv*，在經(jīng)由電流電壓內(nèi)外環(huán)產(chǎn)生的信號(hào)，經(jīng)過(guò)dq轉(zhuǎn)αβ變換之后產(chǎn)生SVPWM的輸入信號(hào)，最終通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管Si來(lái)產(chǎn)生注入三次諧波的電流。

式中：iinv為逆變器電流；θg為基準(zhǔn)相位角。系數(shù)k不宜過(guò)大或過(guò)小。過(guò)小將無(wú)法在逆變側(cè)體現(xiàn)出來(lái)3次分量；過(guò)大容易產(chǎn)生畸變，反而會(huì)增大諧波畸變率。那么系數(shù)k的取值變得很關(guān)鍵，首先定義系數(shù)的取值

圖2 實(shí)現(xiàn)三次諧波注入的控制框圖Fig.2 Control block diagram of the third harmonic injection

圖3為實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)算法的軟件流程圖。如圖，注入三次諧波首先要測(cè)量PCC點(diǎn)三次諧波電壓v3，首先判斷三次諧波量是否正常，如果正常那么三次諧波注入的幅值k取與v3相反，并輸入擾動(dòng)值。繼續(xù)測(cè)量PCC點(diǎn)的v3。如果變化不正常，那么繼續(xù)判斷，是否超出允許范圍。超出允許范圍的情況下則檢測(cè)出孤島發(fā)生，控制逆變器脫離電網(wǎng)。假如未超出，則控制三次諧波注入的幅值k與v3同向，加入擾動(dòng)信號(hào)，繼續(xù)測(cè)量PCC點(diǎn)電壓v3。達(dá)到實(shí)現(xiàn)既能檢測(cè)孤島，兼具改善電能質(zhì)量的目的。

圖3 注入三次諧波流程圖Fig.3 Flow chart of the third harmonic injection

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)孤島策略的仿真參數(shù)如下：母線(xiàn)電容電壓設(shè)置為800 V，電網(wǎng)電壓為220 V，頻率50 Hz。電網(wǎng)等效電抗為1.8 mH，LC濾波器中電感取5 mH，電容取47 uF。逆變器開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)頻率取20 kHz，電壓電流采集頻率為1 kHz。本地等效RLC諧振負(fù)載的諧振頻率取50 Hz，負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Q取2.5，R=174.8 Ω，L=220 mH，C=45 μF。

仿真結(jié)果如圖4所示，在圖中能夠看出，控制等效電網(wǎng)于1.06 s的時(shí)候發(fā)生故障，逆變器在經(jīng)過(guò)孤島檢測(cè)控制，于1.1 s的時(shí)候停止加大幅值檢測(cè)，實(shí)際檢測(cè)時(shí)間為0.04 s，由于電網(wǎng)自身并不是理想的電源，為了防止，逆變器在電網(wǎng)正常供電的，但有擾動(dòng)的情況下，頻繁的開(kāi)關(guān)機(jī)。控制逆變器輸出端電壓跌落到一定值時(shí)，保持這個(gè)大小繼續(xù)運(yùn)行一設(shè)定時(shí)間（根據(jù)具體要求給定，本文給定為500 ms），測(cè)出電網(wǎng)電壓仍然異常的情況下，控制逆變器脫離電網(wǎng)。

圖4 孤島檢測(cè)圖Fig.4 Islanding detection

在4.8 kW三相逆變器進(jìn)行三次諧波注入孤島檢測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)基本相同。本地負(fù)載則有孤島發(fā)生模擬裝置代替。圖5所示波形為注入三次諧波擾動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)效果圖，從圖中可以看出，該方法使用了27.8 ms檢測(cè)出孤島發(fā)生。

圖6所示波形為本文所使用的控制策略的實(shí)驗(yàn)效果圖，從圖中我們能夠看出，檢測(cè)出孤島發(fā)生之后，該控制方法繼續(xù)控制逆變器運(yùn)行500 ms。在此期間內(nèi)，逆變器并未檢測(cè)到電網(wǎng)恢復(fù)正常范圍。檢測(cè)出孤島發(fā)生，控制逆變器脫離電網(wǎng)。

圖5 三次諧波注入檢測(cè)波形圖Fig.5 Detection waveform of the third harmonic injection

圖6 孤島實(shí)驗(yàn)檢測(cè)圖Fig.6 Islanding test and detection

圖7所示的為電網(wǎng)正常運(yùn)行的情況下，功率分析儀所測(cè)得的該孤島控制策略對(duì)電網(wǎng)各次諧波的大小的影響。從圖中我們能夠看出，三次諧波的含量控制了在2.724%，總得電流諧波畸變率（THD）為2.924%符合電網(wǎng)5%的要求，功率因數(shù)能夠λ能夠達(dá)到0.99。我們能夠該方法能夠很好的實(shí)現(xiàn)逆變器高電能質(zhì)量注入電網(wǎng)中。

圖7 逆變器正常并網(wǎng)運(yùn)行的諧波分析Fig.7 Harmonic analysis on three-phase inverter in normal grid work

4 結(jié)論

提出了三相逆變器注入三次諧波孤島檢測(cè)方法，分析了注入三次諧波的原理，及該方法的運(yùn)行模式，提出相應(yīng)的控制策略。并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可行性與有效性。該方法具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）能夠做到快速有效的檢測(cè)出孤島發(fā)生，并且能夠做到零盲區(qū)。

2）不僅能夠做到對(duì)電網(wǎng)不產(chǎn)生新的污染，還能夠做到改善電網(wǎng)正常供電情況下的電能質(zhì)量。

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Research on New Islanding Detection Based on Three-Phase Photovoltaic Grid-Connected Inverter

Zhang Yonggao，Cai Shaohua
（School of Electrical and Automation Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China）

Islanding is one of the major problems in photovoltaic（PV）power generation systems.Islanding occurs when one or more PVs supply local loads without connection of grid utility.This unplanned condition must be detected in the shortest possible time and countermeasures should be taken to prevent hazardous effects on staff and equipment.The three main methods of anti-islanding are passive method,active method and communications test method.The passive method is favorable in the speed of detection and power quality,but it has rela tively large non-detection zone（NDZ）.On the other hand,the active method has relatively smaller NDZ with quick detection speeds.However,the traditional active islanding detection method is injecting the disturbance component，which affects grid power quality.In this paper,a third harmonic injection islanding detection method is proposed,which can not only effectively detect islanding but also improve power quality to a certain extent.Simulation and experimental verification are carried out,whose results verify the feasibility and effectiveness of the new method.

inverter;islanding detection;third harmonic injection

TM46

A

1005-0523（2016）06-0124-07

（責(zé)任編輯 姜紅貴）

2016－04－25

國(guó)家自然科學(xué)基金（51467006）；江西省科技廳項(xiàng)目（20151BBE50118，20161BBH80032）

章勇高（1975—），男，副教授，博士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。