鮑曉婷，陳永強(qiáng)，張超，張金剛，余飛鴻

(西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，成都 610039)

0 引 言

中國(guó)“十三五”以來(lái)，國(guó)家提出要將綠色發(fā)展、節(jié)能環(huán)保作為未來(lái)能源和電力發(fā)展的主基調(diào)，并著手大力發(fā)展清潔可再生能源，而光伏發(fā)電是清潔能源的主要來(lái)源，在各項(xiàng)光伏政策的支持下，我國(guó)光伏發(fā)電市場(chǎng)繼續(xù)保持快速發(fā)展。2017年光伏發(fā)電市場(chǎng)規(guī)?？焖贁U(kuò)大，新增裝機(jī)53.06 GW，同比增加18.52 GW，增速高達(dá)53.62%，再次刷新歷史高位，遙遙領(lǐng)先于其他可再生能源；預(yù)計(jì)到2020年底，中國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)將有望達(dá)到250 GW。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具備的較高的光伏電能利用率對(duì)并網(wǎng)的技術(shù)要求也同樣高，因此在并網(wǎng)工作時(shí)必須確保系統(tǒng)維修人員的安全以及并網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

孤島效應(yīng)指：在含分布式電源的發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)因故障或停電維修跳閘時(shí)，在負(fù)荷側(cè)的分布式電源未能及時(shí)檢測(cè)出故障從而將自身從電力系統(tǒng)中切除，因此形成了電力公司無(wú)法控制的局部系統(tǒng)。孤島期間線路仍然帶電，孤島運(yùn)行將會(huì)影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，危害電力檢修人員的安全，在開(kāi)斷電路時(shí)可能對(duì)電力裝置造成損壞[1-2]。因此研究孤島檢測(cè)方法，將孤島產(chǎn)生的危害降到最低十分重要[3]。

針對(duì)光伏并網(wǎng)孤島檢測(cè)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了豐富的研討。文獻(xiàn)[4-5]提出了孤島檢測(cè)的主要方法。文獻(xiàn)[6]介紹了被動(dòng)檢測(cè)方法，通常該檢測(cè)盲區(qū)較大，通常和主動(dòng)檢測(cè)方法結(jié)合采用。主動(dòng)孤島檢測(cè)方法更為實(shí)用，文獻(xiàn)[7-8]提出的主動(dòng)移頻法是通過(guò)向并網(wǎng)電流參考值中注入頻率擾動(dòng)量進(jìn)行檢測(cè)，文獻(xiàn)[9]提出的滑模頻移法通過(guò)向并網(wǎng)電流參考值中注入相位擾動(dòng)量進(jìn)行檢測(cè)，這些擾動(dòng)在并網(wǎng)運(yùn)行期間由于大電網(wǎng)的存在幾乎不起作用，而在孤島運(yùn)行期間擾動(dòng)量將逐步增大，進(jìn)而檢測(cè)出孤島。

本文針對(duì)目前三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中孤島檢測(cè)方法存在的問(wèn)題，對(duì)傳統(tǒng)無(wú)功電流擾動(dòng)孤島檢測(cè)方法進(jìn)行了改進(jìn)。首先對(duì)傳統(tǒng)無(wú)功電流擾動(dòng)工作原理進(jìn)行了分析，為驗(yàn)證改進(jìn)的無(wú)功電流擾動(dòng)孤島檢測(cè)控制策略的可行性和有效性，在Matlab/Simulink仿真軟件中搭建了無(wú)功電流擾動(dòng)的仿真模型，實(shí)現(xiàn)了快速有效地?zé)o盲區(qū)孤島檢測(cè)，對(duì)電能質(zhì)量的輸出影響較小，具有一定的孤島運(yùn)行保護(hù)能力。

1 孤島檢測(cè)原理

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可知：

(1)

由式(1)得，當(dāng)Pload=P，Qload=Q時(shí)，電網(wǎng)側(cè)對(duì)負(fù)載端的有功功率和無(wú)功功率都為0，當(dāng)電網(wǎng)由于故障斷開(kāi)斷路器連接，系統(tǒng)的功率平衡并未因孤島的發(fā)生而改變，其PCC點(diǎn)電壓與電流大體不變，將形成只有光伏陣列與負(fù)載端構(gòu)成的孤島運(yùn)行的自給型供電。而當(dāng)電網(wǎng)對(duì)本地負(fù)載功率不為零時(shí)，在斷路器斷開(kāi)時(shí)，PCC處的電壓和頻率會(huì)根據(jù)電網(wǎng)所提供功率的大小發(fā)生變化。IEEE std.929-2000規(guī)定了孤島檢測(cè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示[10]。

2 頻率正反饋無(wú)功電流擾動(dòng)法基本原理

三相孤島檢測(cè)無(wú)功擾動(dòng)法包含分別針對(duì)恒功率控制和恒電流控制的無(wú)功功率擾動(dòng)和無(wú)功電流擾動(dòng)的兩種方法[11-12]。本文針對(duì)恒電流控制的逆變器只討論無(wú)功電流擾動(dòng)法。該無(wú)功電流擾動(dòng)方法在dq軸坐標(biāo)系下，使得公共耦合點(diǎn)(PCC)電壓的幅值和頻率超出閾值，并判斷孤島效應(yīng)的發(fā)生。本文的并網(wǎng)逆變器在恒電流控制下，輸出功率因數(shù)為1，則輸出的無(wú)功和有功功率分別為：

表1 IEEE std. 929-2000規(guī)定的孤島檢測(cè)時(shí)間

(2)

如果電網(wǎng)電壓為理想正弦波時(shí)，則ugq=0，得:

(3)

本地RLC負(fù)載上的有功和無(wú)功功率分別為:

(4)

U為公共點(diǎn)電壓有效位電網(wǎng)，斷開(kāi)后系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，逆變器輸出的功率全部被負(fù)載吸收，滿(mǎn)足：

(5)

負(fù)載的諧振頻率fLC和品質(zhì)因數(shù)Qf分別為:

(6)

將式(6)代入式(5)可得：

(7)

由式(7)可知，當(dāng)id為定值擾動(dòng)iq時(shí)，PCC點(diǎn)電壓頻率將會(huì)發(fā)生偏移，超過(guò)一定的閾值將觸發(fā)過(guò)/欠頻保護(hù)，即產(chǎn)生孤島現(xiàn)象。

由式(2)、式(3)可知，系統(tǒng)無(wú)功功率的輸出與公共點(diǎn)電壓頻率的關(guān)系是：

(8)

式中f為進(jìn)入孤島運(yùn)行后的PCC點(diǎn)頻率；f0為負(fù)載的諧振頻率。

無(wú)功電流的擾動(dòng)只需使PCC點(diǎn)電壓頻率變化超過(guò)正負(fù)0.5 Hz,添加的無(wú)功擾動(dòng)量非常小，因此式(8)中的平方項(xiàng)可忽略不計(jì)，則式(9)可改為：

(9)

由(9)可知，不同的Qf值，對(duì)應(yīng)的PCC點(diǎn)電壓頻率fi、有功電流和無(wú)功電流之間的關(guān)系如圖2所示[13]，由圖可知，在49.2至50.6 Hz之間，fi與id/iq的比值呈線性關(guān)系。從圖中可看出，當(dāng)id/iq=1%時(shí)的孤島運(yùn)行，此時(shí)Qf越大，系統(tǒng)中的功率平衡越不容易破壞。在孤島檢測(cè)方法的研究中，品質(zhì)因數(shù)Q≤2.5，通?？紤]品質(zhì)因數(shù)Q=2.5即在RLC負(fù)載最差情況下，電能質(zhì)量及系統(tǒng)穩(wěn)定性最差。

圖2 不同M值下id/iq與頻率f的關(guān)系

電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)載端的無(wú)功功率由電網(wǎng)提供，逆變器的有功功率因數(shù)輸出為1，無(wú)功功率輸出為0。電網(wǎng)因故障無(wú)法繼續(xù)工作，負(fù)載端的無(wú)功功率將跟隨系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率的增加而增加，此時(shí)PCC電壓的頻率也發(fā)生變化，通過(guò)頻率正反饋加快無(wú)功電流增大的速度，使得頻率快速超出孤島運(yùn)行范圍[14]。

3 三相無(wú)功電流擾動(dòng)-頻率正反饋法

3.1 傳統(tǒng)孤島檢測(cè)方法原理

取PCC電壓頻率與電網(wǎng)額定頻率之差作為無(wú)功電流擾動(dòng)量，在擾動(dòng)量中引入頻率正反饋系數(shù)，提高檢測(cè)速度的同時(shí)降低對(duì)電網(wǎng)的負(fù)面影響。當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，由于電網(wǎng)電壓對(duì)系統(tǒng)的限制作用，PCC點(diǎn)電壓頻率不隨擾動(dòng)的加入發(fā)生變化，PCC電壓頻率與電網(wǎng)額定頻率之差幾乎為零。當(dāng)發(fā)生孤島運(yùn)行現(xiàn)象時(shí)，在頻率正反饋的作用下，PCC點(diǎn)電壓頻率迅速偏離其閾值，即檢測(cè)出孤島。其控制框圖如圖3所示，表達(dá)式為：

(10)

圖3 三相無(wú)功電流擾動(dòng)-頻率正反饋

3.2 改進(jìn)的孤島檢測(cè)方法原理

本文改進(jìn)了頻率前饋正反饋擾動(dòng)法。根據(jù)負(fù)載的情況，可以把擾動(dòng)量分為以下幾種情況：

(1)如果U0≤0.88Ugm或U0≥1.1Ugm，此時(shí)不需要加入擾動(dòng)電流，孤島發(fā)生以后，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)的過(guò)/欠壓保護(hù)即可檢測(cè)到孤島。

(2)判定PCC點(diǎn)電壓正向過(guò)零后，加入無(wú)功電流擾動(dòng)量，該擾動(dòng)分為周期性擾動(dòng)量iq1和正反饋擾動(dòng)量iq2。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，對(duì)系統(tǒng)施加周期性擾動(dòng)量iq1，此時(shí)由于大電網(wǎng)的存在，PCC點(diǎn)電壓頻率不發(fā)生變化；進(jìn)入孤島運(yùn)行后，由于iq1的擾動(dòng)作用，使PCC點(diǎn)頻率偏移到一定的區(qū)間范圍，當(dāng)PCC點(diǎn)電壓頻率與電網(wǎng)額定頻率差滿(mǎn)足大于等于0.1時(shí)，頻率正反饋擾動(dòng)量使無(wú)功電流擾動(dòng)量更大，加速PCC電壓頻率的偏移，更快地實(shí)現(xiàn)孤島保護(hù)。

(3)為防止系統(tǒng)電壓頻繁波動(dòng)造成的負(fù)面影響，在電網(wǎng)故障以后，隨時(shí)跟蹤檢測(cè)PCC點(diǎn)電壓，PCC點(diǎn)電壓的頻繁連續(xù)的超出范圍將會(huì)影響孤島效應(yīng)的判斷，為防止電壓不正常波動(dòng)的誤判，計(jì)算PCC點(diǎn)電壓由于電壓不穩(wěn)定造成的連續(xù)越限周期，超過(guò)5個(gè)周期，需檢查系統(tǒng)運(yùn)行，在一定程度上避免了由于電壓非正常波動(dòng)引起的孤島保護(hù)誤動(dòng)作。

(4)圖4為周期性擾動(dòng)的方法，采用周期性雙向擾動(dòng)，對(duì)電能質(zhì)量及功率因數(shù)的負(fù)面影響更小。

圖4 周期性無(wú)功擾動(dòng)量擾動(dòng)方法

無(wú)功電流擾動(dòng)函數(shù)如下：

(11)

(12)

(13)

式中 sign為符號(hào)函數(shù);k0為周期性擾動(dòng)系數(shù);k1為正反饋擾動(dòng)系數(shù);n為正反饋擾動(dòng)次數(shù);h為當(dāng)前第n次擾動(dòng)，符號(hào)函數(shù)sign(f-fg)的引入能夠?qū)崟r(shí)改變無(wú)功電流擾動(dòng)的方向，進(jìn)而克服負(fù)載端對(duì)單一方向擾動(dòng)的平衡。

3.3 改進(jìn)算法的優(yōu)點(diǎn)

改進(jìn)的無(wú)功電流擾動(dòng)方法在雙向擾動(dòng)時(shí)，為減少對(duì)電能質(zhì)量造成的影響，無(wú)功擾動(dòng)量極小，當(dāng)進(jìn)入單向擾動(dòng)并進(jìn)行疊加時(shí)，根據(jù)式(9)，即使負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Qf很大，系統(tǒng)的擾動(dòng)量也可通過(guò)正反饋加速偏離正常值，達(dá)到系統(tǒng)頻率所需的擾動(dòng)幅值，因此改進(jìn)方法較容易實(shí)現(xiàn)無(wú)盲區(qū)孤島檢測(cè)。取前n個(gè)周期f-fg的絕對(duì)值之和作為頻率正反饋量，有效防止因電網(wǎng)誤擾動(dòng)引起的孤島誤判，使擾動(dòng)量以最初的擾動(dòng)方向?qū)CC點(diǎn)頻率定向擾動(dòng)，精準(zhǔn)快速實(shí)現(xiàn)孤島保護(hù)。改進(jìn)后的無(wú)功電流擾動(dòng)，孤島檢測(cè)的作用時(shí)間更短，算法的有效性得到了提高。

4 仿真驗(yàn)證

本文利用Matlab/Simulink仿真軟件對(duì)改進(jìn)方法進(jìn)行了仿真研究。

仿真模型(圖5)主要包括主電路、逆變器控制回路和孤島檢測(cè)部分。本文通過(guò)S-Function函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的孤島檢測(cè)。仿真情況針對(duì)最差情況選取，直流輸入電壓700 V，電網(wǎng)相電壓220 V，額定頻率50 Hz；采用RL諧振濾波，濾波電感1 mH；采用并聯(lián)RLC負(fù)載，R=15.55 Ω，L=19.8 mH，C=511.75 μF。逆變器開(kāi)關(guān)采樣頻率fs=20 Hz，并網(wǎng)逆變器采用

IGBT/Diodes器件。改進(jìn)算法參數(shù)如下：每經(jīng)過(guò)T=0.2 s的周期，向逆變器的輸出電流添加Ts=0.02 s的周期性無(wú)功擾動(dòng)電流，由式(8)和圖2知，為使在孤島發(fā)生后頻率偏移超過(guò)0.1 Hz進(jìn)入正反饋孤島檢測(cè)階段，理論上k1可以取0.01，在運(yùn)行中根據(jù)檢測(cè)誤差和電流輸出誤差，可適當(dāng)增大擾動(dòng)系數(shù)，適當(dāng)增大正反饋擾動(dòng)參數(shù)能有效減小盲區(qū)，但是k值過(guò)大會(huì)導(dǎo)致較大的電流畸變，本文周期性擾動(dòng)系數(shù)k1=0.02，正反饋擾動(dòng)系數(shù)k2=0.6，此時(shí)的檢測(cè)效率高，且對(duì)THD的影響小。

設(shè)電網(wǎng)在第一個(gè)擾動(dòng)周期結(jié)束時(shí)刻即t=0.12 s斷開(kāi)網(wǎng)側(cè)供電。圖6、圖7別給出了采用傳統(tǒng)無(wú)功電流擾動(dòng)方法式(10)和改進(jìn)無(wú)功電流擾動(dòng)方法式(12)的檢測(cè)算法下的逆變器輸出電壓、電流及頻率。

圖5 系統(tǒng)主電路模型

圖6 無(wú)功電流擾動(dòng)孤島檢測(cè)方法運(yùn)行狀況

圖7 改進(jìn)的無(wú)功電流擾動(dòng)孤島檢測(cè)方法運(yùn)行狀況

由圖可知，傳統(tǒng)無(wú)功電流擾動(dòng)法在t=0.12 s時(shí)斷開(kāi)網(wǎng)側(cè)供電，t=0.33 s時(shí)，孤島保護(hù)動(dòng)作，逆變器停止工作，孤島檢測(cè)時(shí)間為0.21 s，改進(jìn)的無(wú)功電流擾動(dòng)擾動(dòng)法如圖7所示，同樣在t=0.12 s是斷開(kāi)網(wǎng)側(cè)供電，t=0.27 s即實(shí)現(xiàn)孤島保護(hù)動(dòng)作，改進(jìn)的無(wú)功電流擾動(dòng)法在檢測(cè)速度上實(shí)現(xiàn)了提高，檢測(cè)時(shí)間也滿(mǎn)足IEEE std，仿真結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)的三相并網(wǎng)逆變器孤島檢測(cè)方法的可行性和有效性。本文對(duì)幾種孤島檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比分析，如表2所示。

表2 不同孤島檢測(cè)方法仿真時(shí)間對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)功電流擾動(dòng)方法存在的不足，本文給出了改進(jìn)的無(wú)功電流擾動(dòng)孤島檢測(cè)的原理、實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法能在快速檢測(cè)出孤島，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)無(wú)盲區(qū)，不影響電能質(zhì)量的穩(wěn)定性，對(duì)電流諧波的影響較小，能降低孤島檢測(cè)時(shí)對(duì)電網(wǎng)造成的不良危害。