摘" 要： 為確保光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，針對傳統(tǒng)的主動式孤島檢測方法對電能質(zhì)量影響較大、功率損耗較多等問題，提出一種基于MPPT多級擾動的方法來檢測并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的孤島狀態(tài)。該方法通過周期性多級擾動Boost電路的占空比來減小逆變器的有功輸出功率，從而在孤島狀態(tài)下使并網(wǎng)點電壓低于設(shè)定的最小閾值，而在并網(wǎng)狀態(tài)下對其影響可忽略不計。根據(jù)并網(wǎng)點電壓大小選擇占空比的擾動方式，并根據(jù)其值實時計算具體擾動量，可有效降低對電網(wǎng)和用電設(shè)備的影響，減小功率損耗。在進(jìn)行參數(shù)設(shè)計時，要充分考慮惡劣工況下的檢測質(zhì)量，以消除檢測盲區(qū)。最后，在不同情況下對所提方法進(jìn)行仿真測試。結(jié)果表明，該方法在減小功率損失、提高孤島檢測效率等方面具有顯著優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞： 孤島檢測； MPPT多級擾動； 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)； 光伏發(fā)電； 微網(wǎng)； 功率損耗

中圖分類號： TN98?34； TM615" " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " nbsp; " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）20?0081?06

Method of islanding detection based on MPPT multi?level disturbance

LI Xueju， WU Peng， CHEN Junwei， CHEN Bei

（College of Electronic and Electrical Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China）

Abstract： In allusion to the significant impact of traditional active islanding detection methods on power quality and high power loss， a method based on MPPT （maximum power point tracking） multi?level disturbance is proposed to detect islanding state in photovoltaic grid?connected systems， so as to ensure the stable operation of the photovoltaic grid?connected system. This method can reduce the active output power of the inverter by periodically perturbing the duty cycle of the Boost circuit at multiple levels， so that the node voltage is lower than the set minimum threshold in the islanding state， and the influence on it is negligible in the grid?connected state. The disturbance mode of duty cycle is selected according to the voltage at grid?connected point， and the specific disturbance is calculated in real time according to its value， which can effectively reduce the influence on the power grid and electrical equipment and reduce the power dissipation. In the parameter design， the detection quality under harsh working conditions is considered fully， and the blind area of detection is eliminated. The simulation testing of the proposed method is conducted under different conditions. The results show that this method has significant advantages in reducing power dissipation and improving islanding detection efficiency.

Keywords： islanding detection; MPPT multi?level disturbance; photovoltaic grid?connected system; photovoltaic power generation; microgrid; power dissipation

0" 引" 言

傳統(tǒng)能源發(fā)電會對環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，而清潔、高效的光伏發(fā)電能夠減輕對環(huán)境的影響[1?2]。隨著光伏發(fā)電在新能源中所占比例越來越高，大規(guī)模光伏并網(wǎng)可能會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，其中非計劃孤島效應(yīng)會對電力系統(tǒng)、用電設(shè)備以及相關(guān)人員造成嚴(yán)重的危害[3]。

孤島檢測分為非本地檢測法和本地檢測法。非本地檢測法主要是對監(jiān)測信號狀態(tài)變化進(jìn)行判斷，此方法檢測精度高、無檢測盲區(qū)，但成本較高、控制復(fù)雜、不易實現(xiàn)[4]。本地檢測法又可細(xì)分為被動法與主動法。其中被動法包括過/欠頻率法、過/欠電壓法、諧波監(jiān)測法、電壓相位跳變法等[5?7]。這類方法原理簡單，不用注入擾動信號，但當(dāng)逆變器輸出功率和本地負(fù)載匹配較高時會有較大的檢測盲區(qū)[8]。主動法通過注入一個微小的擾動以及打破系統(tǒng)的原有狀態(tài)來判斷孤島的發(fā)生，主要包括阻抗辨識檢測法[9]、群智能法[10]、諧波電壓特性法[11]等。主動法可以有效地減小檢測盲區(qū)，但會對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[12]中提出一種小相位算法的檢測方法，采用時頻分析方法來估計電壓和電流信號分量，從而計算負(fù)序列阻抗，并通過研究公共點處負(fù)序列阻抗的幅度來檢測孤島狀態(tài)。這種方法檢測速度快、抗干擾能力強(qiáng)，但存在著檢測盲區(qū)。文獻(xiàn)[13]中充分考慮了孤島檢測時RLC負(fù)載的動態(tài)行為，提高了對復(fù)雜工況的檢測能力，但其算法設(shè)計較為復(fù)雜，對電能質(zhì)量影響較大。文獻(xiàn)[14]中提出了一種基于最大功率跟蹤（Maximum Power Point Tracking， MPPT）的有功功率擾動法。這種方法可以降低太陽能電池輸出功率，從而減小逆變器的輸出功率。與主動頻移等方法相比，該方法不會引入諧波，對電能質(zhì)量影響較小，但其參數(shù)設(shè)計不合理，存在檢測盲區(qū)，功率損耗較大。

針對以上問題，本文提出一種基于MPPT多級擾動的孤島檢測方法。首先檢測未擾動時公共點的電壓來自適應(yīng)選擇合適的擾動量；再通過判斷擾動后的電壓幅值來決定是否啟用二級擾動，使其偏離正常范圍；最后通過仿真算例驗證，證明所提方法可快速有效地檢測出系統(tǒng)孤島運(yùn)行狀態(tài)，功率損失較小，不存在檢測盲區(qū)。

1" 基于MPPT的孤島檢測方法分析

1.1" 孤島檢測原理

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主要有單級式和雙級式兩種。單級式需要直接通過直流到交流的變換來實現(xiàn)功率跟蹤和逆變功能，因此其系統(tǒng)構(gòu)造比較復(fù)雜[15]。而雙級式則先通過Boost電路將直流電能進(jìn)行變換[16]，并且通過MPPT輸出功率，最后再通過DC/AC逆變器使得直流電能轉(zhuǎn)化成交流電能輸出到本地負(fù)載和電網(wǎng)上。雙級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可以分開單獨控制，提高了光能的利用效率，而且也不需要串聯(lián)電池板來提升電壓。在當(dāng)前光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，雙級式結(jié)構(gòu)也得到了更多的應(yīng)用。

圖1所示為常見的雙級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。圖中，PPV與QPV為光伏發(fā)電輸出的有功功率和無功功率；P、Q為逆變器輸出的有功和無功功率；并聯(lián)R、L、C為本地負(fù)載；Pload、Qload為負(fù)載的有功和無功功率；并網(wǎng)點PCC通過斷路器S與電網(wǎng)相連；ΔP、ΔQ為送入電網(wǎng)的有功功率和無功功率。

當(dāng)并網(wǎng)系統(tǒng)正常工作時，斷路器S為閉合狀態(tài)，PCC處電壓幅值因鉗位作用而為電網(wǎng)電壓幅值Ug，由功率平衡關(guān)系可得：

[Pload=P-ΔP=U2gR] （1）

當(dāng)并網(wǎng)系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行模式時，斷路器S斷開，電網(wǎng)與本地負(fù)載失去聯(lián)系，ΔP與ΔQ均為0，光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨向本地負(fù)載供能。此時的功率平衡關(guān)系為：

[Pload=P=U2PCCR] （2）

式中UPCC為孤島運(yùn)行模式下PCC處的電壓幅值。

聯(lián)立式（1）、式（2）可得：

[UPCCUg=11-ΔPP] （3）

由式（3）可得，在光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)孤島后，若逆變器輸出功率與R、L、C負(fù)載上的功率不平衡，就會對PCC處電壓產(chǎn)生影響，從而可通過被動法檢測出孤島狀態(tài)；而當(dāng)逆變器輸出功率與本地負(fù)載消耗功率相匹配時，PCC處電壓將維持不變，此時孤島可在允許范圍內(nèi)持續(xù)運(yùn)行，被動法檢測失效，進(jìn)入檢測盲區(qū)。

1.2" 基于MPPT的孤島檢測法原理

在理想情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率和逆變器的輸出功率相等，即[PPV=P]，[QPV=Q]。孤島運(yùn)行模式時由式（2）可得，并網(wǎng)點電壓[UPCC=PPVR]?？梢钥闯?，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率能夠影響到PCC處的電壓。在孤島運(yùn)行模式下，通過對輸出進(jìn)行一定的擾動，就可以使PCC處電壓偏離過/欠壓法的盲區(qū)，從而檢測出孤島。

圖2為光伏陣列輸出特性曲線。其中，ISC和UOC為光伏發(fā)電系統(tǒng)的短路電流與開路電壓；UMPP、IMPP、PMPP為光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點的電壓、電流和功率。

由圖2可知，當(dāng)光伏系統(tǒng)的輸出電壓從最大功率點電壓UMPP逐漸減小時，光伏系統(tǒng)的輸出電流ISC會保持在相對穩(wěn)定的數(shù)值，輸出功率PPV與UPV可近似為線性關(guān)系，即[PPV=KUPV]（K為比例系數(shù)）。因此對MPPT中Boost電路的占空比D注入一定的擾動，來減小光伏電池輸出電壓UPV，從而減小光伏電池的輸出功率和逆變器的輸出功率，在孤島運(yùn)行模式下能夠改變PCC處電壓，最終使其偏離被動法的檢測盲區(qū)，完成孤島檢測。

2" 基于MPPT多級擾動的孤島檢測方法

結(jié)合IEEE Std.2000?929與我國規(guī)定的電網(wǎng)非正常情況下最大響應(yīng)時間標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置當(dāng)電網(wǎng)斷開時，除非逆變器是在主動孤島情況下，否則必須在2 s之內(nèi)檢測出孤島狀態(tài)，其PCC點電壓要求0.85UN≤UPCC≤1.1UN，PCC點頻率（單位為Hz）要求49.5≤f≤50.5。其中，UN為大電網(wǎng)電壓的有效值。為防止擾動次數(shù)過多造成功率損耗較大和影響電能質(zhì)量，同時為滿足相關(guān)要求，設(shè)置每2 s擾動2個工頻周期。

光伏發(fā)電系統(tǒng)通常會運(yùn)行在最大功率點處，MPPT擾動法只會減小PCC點電壓。所以在PCC點電壓滿足上述要求時，當(dāng)出現(xiàn)UPCC=1.1UN，最不容易檢測。為保證檢測準(zhǔn)確性，每次都應(yīng)該按可能出現(xiàn)的最難檢測場景來檢測，但這會消耗較大功率。為此，本文提出一種基于MPPT多級擾動的方法，在保證檢測效率的情況下減小功率損耗，具體過程如下。

1） 當(dāng)并網(wǎng)點電壓UPCC和頻率f滿足0.85UNgt;UPCC和1.1UNlt;UPCC以及[f-50]gt;0.5 Hz中任一條件時，就可由過/欠頻和過/欠壓法判定出孤島狀態(tài)。

2） 當(dāng)并網(wǎng)點電壓UPCC處于0.85UN≤UPCC≤1.1UN時，則按并網(wǎng)電壓分為0.85UN≤UPCC≤UN和UN≤UPCC≤1.1UN兩種情況來判斷孤島狀態(tài)。

① 在擾動開始前，當(dāng)檢測到0.85UN≤UPCC≤UN時，則需啟用單級擾動檢測孤島狀態(tài)，通過自適應(yīng)的擾動量，使得孤島狀態(tài)下系統(tǒng)PCC點電壓大于0.85UN，每隔2 s就擾動系統(tǒng)2個工頻周期。

Boost擾動前后的占空比D1、D2滿足：

[11-D1·UMPP=UT] （4）

[11-D2·UPV=UT] （5）

式中：UMPP為最大功率點電壓；UT為直流母線電壓；UPV為MPPT擾動后光伏陣列的輸出電壓。

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時會工作在最大功率點處，在出現(xiàn)孤島后，負(fù)載有功功率滿足：

[Pload1=PMPP=U2PCCR] （6）

[PMPP=KUMPP] （7）

擾動之后負(fù)載功率Pload2要滿足：

[Pload2=PPVlt;（0.85UN）2R] （8）

[PPV=KUPV] （9）

由式（4）～式（9）可得：

[D2gt;1-0.721-D1·U2NU2PCC] （10）

② 在擾動開始前，檢測到UN≤UPCC≤1.1UN時，則啟用多級擾動模式，通過一定的擾動量，使得孤島狀態(tài)下系統(tǒng)PCC點電壓小于UN，而當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作模式時，因鉗位作用PCC點電壓將不會改變。在一級擾動結(jié)束后再次檢測PCC點電壓，若此時UPCC≤UN，則啟用二級擾動使PCC點電壓小于0.11UN來判定孤島，2 s內(nèi)每級擾動各占2個工頻周期。

此時擾動后的占空比D3和負(fù)載功率Pload3滿足：

[11-D3·UPV=UT] （11）

[Pload3=PPVlt;U2NR] （12）

由式（11）、式（12）可得：

[D3gt;1-1-D1·U2NU2PCC] （13）

為了確保不漏檢，分別取D2、D3為：

[D2=1-0.711-D1·U2NU2PCC] （14）

[D3=1-0.991-D1·U2NU2PCC] （15）

由上述分析可得，本文所提方法在兩種情況下均可檢測出孤島，不存在檢測盲區(qū)。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的光照度與溫度相對穩(wěn)定時，兩種情況對輸出功率的影響分別為：

[PPV1=0.98Pm+0.02×0.71U2NU2PCCPm≥0.98Pm+0.02×0.71U2N（1.1UN）2Pm=0.992Pm] （16）

[PPV2=0.98Pm+0.02×0.99U2NU2PCCPm≥0.98Pm+0.02×0.99U2N（1.1UN）2Pm=0.996Pm] （17）

由式（16）、式（17）可得，本文所提孤島檢測方法的損失功率分別為0.8%和0.4%。

孤島檢測方法流程如圖3所示。

3" 算例分析

為驗證所提方法的可靠性和穩(wěn)定性，使用Simulink對MPPT多級擾動法在三相光伏發(fā)電系統(tǒng)上進(jìn)行仿真測試，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

為更具可靠性，本文對R=Rm（Rm為負(fù)載功率和逆變器輸出功率相等時的電阻），即UPCC=UN、R=1.21Rm，以及UPCC=1.1UN分別進(jìn)行測試。

結(jié)合IEEE Std.2000?929與我國相關(guān)規(guī)定，設(shè)置負(fù)載諧振頻率為50 Hz，品質(zhì)因數(shù)Qf=2.5，R、L、C負(fù)載在兩種算例下分別為R=17.1 Ω（20.7 Ω），L=7.6 mH（9.2 mH），C=162.4 μF（134.2 μF），孤島出現(xiàn)的時間均為1.6 s。檢測方法為每2 s擾動2個工頻周期，在三相平衡電網(wǎng)條件下，三相電流電壓變化相同。因此，本文只取a相電壓電流波形圖。

如圖4所示，在正常情況下擾動光伏MPPT的占空比為D時，PCC點電壓由于大電網(wǎng)的鉗制作用未出現(xiàn)變動，逆變器的輸出電流變小，逆變器的輸出功率變小，并且在MPPT擾動結(jié)束時可以很快回到正常的狀態(tài)。通過對占空比D進(jìn)行擾動，能夠完成對輸出功率的擾動，與理論分析一致。

孤島運(yùn)行模式R=Rm，即UPCC=UN情形下的仿真波形如圖5所示。

由圖5a）、圖5b）可以看出，由于負(fù)載消耗功率和逆變器輸出功率相同，在1.6 s孤島發(fā)生后，PCC點電壓變動幅度較小，沒有超出過/欠壓法的閾值；從圖5c）可以看出，由于負(fù)載的諧振頻率為50 Hz，PCC點頻率也只是有微小的變化，因此在大電網(wǎng)斷開后，PCC點電壓和頻率無法通過過/欠壓、過/欠頻法檢測出來，需對其占空比施加擾動才可判斷出孤島。

由圖5a）、圖5b）和圖5d）能夠得到，在1.96 s施加擾動后，UPCC開始減小，最終在1.986 s時系統(tǒng)檢測出孤島，整個檢測過程僅耗時26 ms。

R=1.21Rm，即UPCC=1.1UN時，仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6a）、圖6b）可以看出，因負(fù)載功率和逆變器輸出功率不匹配，在1.6 s孤島發(fā)生后，PCC點電壓幅值增大，UPCC≈1.1UN，但并未超出過/欠壓法閾值；由圖6c）、圖6d）可以看出，在1.92 s時，由于[UPCCUN]gt;1，系統(tǒng)開始啟用2個工頻周期的一級擾動，隨后判斷是否處于疑似孤島狀態(tài)，最后再啟用二級擾動。

由圖6a）、圖6b）和圖6d）可以看出，在1.92 s施加MPPT擾動后，UPCC逐漸減小，在1.96 s時因[UPCCUN]lt;1觸發(fā)系統(tǒng)的第二級擾動，最終在1.979 s時使[UPCCUN]lt;0.85，從而檢測出孤島狀態(tài)，整個檢測過程耗時59 ms。

圖5為孤島運(yùn)行在一般負(fù)載下的仿真算例，圖6為孤島運(yùn)行在最難檢測負(fù)載下的仿真算例。由圖5、圖6可得，本文所提方法在不同負(fù)載情況下能夠快速檢測出孤島狀態(tài)，檢測過程功率損耗較小。

4" 結(jié)" 語

本文提出一種基于MPPT多級擾動的孤島檢測方法，通過檢測光伏系統(tǒng)擾動前PCC點電壓來自適應(yīng)選擇占空比D的數(shù)值，進(jìn)而影響逆變器的輸出功率。在孤島狀態(tài)下改變并網(wǎng)點的電壓，通過檢驗擾動后并網(wǎng)點電壓是否超出過/欠壓法保護(hù)閾值，從而檢測出孤島效應(yīng)。與現(xiàn)有基于MPPT的孤島檢測方法相比，本文所提方法消除了檢測盲區(qū)，不會引入額外諧波，自適應(yīng)多級擾動設(shè)計減小了功率損耗，加快了檢測速度，減小了對電網(wǎng)與負(fù)載設(shè)備的影響。仿真結(jié)果表明了所提方法的有效性和準(zhǔn)確性。

注：本文通訊作者為武鵬。

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作者簡介：李學(xué)舉（1999—），男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，研究方向為電力電子與光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)。

武" 鵬（1982—），男，山東棗莊人，博士研究生，副教授，研究方向為新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性分析，并網(wǎng)逆變器設(shè)備的研發(fā)。

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.20.013

引用格式：李學(xué)舉，武鵬，陳俊偉，等.一種基于MPPT多級擾動的孤島檢測方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2024，47（20）：81?86.

收稿日期：2024?01?02" " " " " "修回日期：2024?02?26

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目：Markov跳躍系統(tǒng)柔性調(diào)度與控制優(yōu)化設(shè)計（62173222）