間歇性雙邊無功功率擾動孤島檢測策略

張 俊，沈國橋，胡長生，徐德鴻

（浙江大學 電氣工程學院，杭州 310027）

引言

當公共電網(wǎng)發(fā)生故障時，分布式電源與電網(wǎng)脫離，獨立向本地負載供電，這種運行狀態(tài)稱為孤島[1]。孤島的發(fā)生一般是不可預知的，需要及時檢測并啟動保護，否則后果十分嚴重，對用電設備、分布式電源和人身安全均構(gòu)成威脅，因此必須采取一定的措施檢測出孤島狀態(tài)。相關(guān)國際標準和中國國家標準對分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測也提出了要求[2-4]。

孤島檢測的方法很多，大致可以分為三類：(1)內(nèi)部被動孤島檢測方法；(2)內(nèi)部主動孤島檢測方法；(3)外部檢測方法。被動孤島檢測方法是最基本的，也是其他檢測方法的基礎，主要包括過/欠壓(OVP/UVP)和超/欠頻(OFP/UFP)兩種。主動孤島檢測方法通過對逆變器的輸出引入擾動，促使孤島發(fā)生時公共耦合點的電壓或頻率超出限定范圍，從而檢測出孤島。其中，無功擾動的主動檢測方法可以消除非檢測區(qū)(NDZ)，實現(xiàn)方便，所以倍受關(guān)注。文獻[5]介紹了一種持續(xù)無功擾動方法，但是沒有給出擾動參數(shù)的設計方法。文獻[6]從孤島暫態(tài)過程的相關(guān)計算出發(fā)，設計了持續(xù)無功擾動方法，但是只適用于特定的鎖相環(huán)和并網(wǎng)控制方法。

本文分析了并網(wǎng)逆變器輸出含無功時的孤島非檢測區(qū)，并在此基礎上提出一種間歇性雙邊無功功率擾動的孤島檢測方法。

1 并網(wǎng)逆變器輸出無功時孤島的分析

圖1 所示為孤島檢測電路示意圖，網(wǎng)側(cè)斷路器用來模擬孤島的發(fā)生，本地負載采用并聯(lián)RLC形式。正常并網(wǎng)運行時，公共耦合點(PCC)電壓等于電網(wǎng)電壓VG，角頻率為電網(wǎng)角頻率ω。當逆變器運行于孤島模式時，PCC電壓等于逆變器輸出電流與本地負載阻抗的乘積。考察PCC電壓幅值和頻率，當其超出一定范圍時則可以認為孤島發(fā)生。

正常并網(wǎng)運行模式時，PCC電壓為VG，角頻率為ω，由功率平衡得：

式中：P，Q為逆變器輸出有功、無功功率；ΔP，ΔQ為電網(wǎng)提供的有功、無功功率；PLoad，QLoad為負載的有功、無功功率。而由RLC負載特性可以計算給出：

圖1 孤島檢測原理示意圖

當外電網(wǎng)故障斷路器分閘，即發(fā)生孤島時，設PCC電壓為V'PCC，角頻率為ω'，此時負載的有功、無功功率為：

假定并網(wǎng)逆變器采用恒功率控制模式，孤島發(fā)生前后逆變器輸出有功、無功功率保持不變。即

聯(lián)立以上各式，可以得到孤島運行時的PCC電壓和角頻率分別為：

其中，Qf為并聯(lián)RLC負載的品質(zhì)因數(shù)，定義為

2 間歇性雙邊無功功率擾動的孤島檢測方法(IB-RPV)

式(6)給出了孤島運行時的角頻率，設國標規(guī)定的電網(wǎng)允許角頻率范圍為[ωmin，ωmax]，于是可以求得OFP/UFP檢測的非檢測區(qū)(NDZ)為：

可見逆變器輸出無功功率不同時，OFP/UFP檢測的NDZ也不同。如果控制逆變器的輸出無功功率為不同大小的無功組合，則最終的NDZ為各輸出無功時對應的OFP/UFP檢測法NDZ的交集，合理設計輸出無功組合可以使該交集為空集，從而消除NDZ，這就是無功功率擾動孤島檢測方法的實現(xiàn)原理。

逆變器輸出含無功功率會致使逆變器輸出功率因數(shù)下降。為了減小無功擾動對功率因數(shù)的影響，可以對逆變器輸出無功進行間歇性的擾動。圖2給出間歇性雙邊無功功率擾動方法，其中正擾動幅值為 Qdis(Qdis＞0)，負擾動幅值為-Qdis。

圖2 間歇性雙邊無功功率擾動示意圖

令Z+為輸出無功為Qdis時OFP/UFP檢測法的NDZ，Z-為輸出無功為-Qdis時OFP/UFP檢測法的NDZ，Z0為輸出無功為0時OFP/UFP檢測法NDZ，則IB-RPV檢測方法的最終非檢測區(qū)為三者的交集，即

根據(jù)式(8)，可以分別寫出 Z+，Z-，Z0的具體表達式依次為：

為了消除最終的NDZ，希望交集Z為空集，可以求得擾動幅值應該滿足

按照國標的要求

計算得到擾動幅值需要滿足Qdis≥5%P。圖3給出的是擾動幅值Qdis≥5%P時的孤島NDZ，由式(10)、(11)、(12) 得到的三種不同無功功率 5%P，-5%P，0時OFP/UFP檢測法NDZ如圖中所示，可以看出三者之間不存在交集，說明應用無功功率擾動孤島檢測法，最終NDZ被消除。但是若擾動幅值Qdis<5%P，則無法消除最終的NDZ，圖4表示的是擾動幅值為Qdis≥4%P時的孤島NDZ。從圖中可以看出，三種不同無功功率4%P，-4%P，0時OFP/UFP檢測法NDZ對應的區(qū)域之間存在交疊區(qū)，因為無功功率擾動的幅值太小。

圖3 擾動幅值為5%P時的NDZ(NDZ消除)

圖4 擾動幅值為4%P時的NDZ(NDZ未消除)

3 實驗驗證

為了驗證提出的孤島檢測方法，搭建了恒功率控制的三相并網(wǎng)逆變器，其主電路及控制原理如圖5所示，斷路器用來模擬孤島的發(fā)生。

圖5 三相并網(wǎng)逆變器電路拓撲及控制方法

主要電路參數(shù)為：濾波電感L1A=L1B=L1C=L2A=L2B=L2C=750 μH，濾波電容 CA=CB=CC=20 μH，直流電壓Vdc=400 V，采用DQ控制和SVPWM調(diào)制策略。本地RLC負載中的電阻和電感采用Y型接法，電容采用Δ型接法。電阻R=5 Ω，并網(wǎng)逆變器輸出有功功率為P=5.7 kW，與負載有功功率相匹配。實驗選用的L，C如表1所示，RLC負載品質(zhì)因數(shù)固定為Qf=2.55。

表1 實驗中選用的L和C數(shù)值

圖6 所示為L=6.23 mH，C=540 μF時孤島發(fā)生前后的實驗波形，逆變器輸出無功功率為Q=285 VA，輸出有功功率為P=5.7 kW。CH1為PCC電壓，由于逆變器輸出有功功率與負載功率匹配，所以在孤島發(fā)生后PCC電壓不變；CH2為逆變器輸出電流；CH3為頻率變化，發(fā)生孤島后頻率由50 Hz變?yōu)?0.67 Hz，由式(6)理論計算結(jié)果為50.60 Hz，兩者相近；CH4為孤島發(fā)生信號，即當t=0.48 s時，斷路器分閘，孤島發(fā)生。

圖6 孤島發(fā)生前后的實驗波形

圖7 所示為L=6.23 mH，C=540 μF，無功功率擾動幅值Qdis=5%P=285 VA，正負擾動時間為160 ms，擾動周期為2 s時的孤島發(fā)生和檢測實驗結(jié)果。CH1為PCC電壓；CH2為逆變器輸出無功功率；CH3為孤島檢測標志信號，2.5 s時檢測出孤島發(fā)生，同時關(guān)機；CH4為孤島發(fā)生信號，即當t=0.65 s時，斷路器分閘，孤島發(fā)生。從實驗結(jié)果可以看出，檢測時間為1.85 s，滿足孤島檢測時間要求，測得正常并網(wǎng)運行時功率因數(shù)為0.996。按照Qdis=5%P=285 VA的無功功率擾動幅值進行孤島實驗，選用的五組RLC負載情況下孤島均被成功檢測。

圖7 孤島檢測實驗結(jié)果(無功擾動幅值Qdis=5%P)

4 結(jié)論

本文分析了孤島運行模式下的電壓和頻率與逆變器輸出有功功率、無功功率之間的關(guān)系式，推導了逆變器輸出無功功率時頻率檢測法的非檢測區(qū)。針對間歇性雙邊無功功率擾動孤島檢測方法，分析了消除非檢測區(qū)的擾動幅值要求。最后進行實驗驗證，結(jié)果表明提出的檢測方法滿足孤島檢測的要求，對并網(wǎng)功率因數(shù)的影響很小。

[1]IEA PVPS.Evaluation of islanding detection methods for photovoltaic utility-interactive power systems[R].Report IEA PVPS T5-09:2002,September 7,2006.

[2]IEEE Recommended Practice forUtility Interface of Photovoltaic (PV)Systems[S].IEEE Standard 929-2000,Apr.2000.

[3]IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems[S].IEEE Standard 1547-2003,Jul.2003.

[4]GB/T 19939-2005.光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求 [S].2005年11月.

[5]J B Jeong,H J Kim,K S Ahn,et al.A novel method for anti-islanding using reactive power[C].in Proc.27th INTELEC,2005:101-106.

[6]G H Choe,H S Ki,H G.Kim,et al.The characteristic analysis of grid frequency variation under islanding mode for utility interactive PV system with reactive power variation scheme for anti-islanding[C].in Proc.37th IEEE PESC,2006:1-5.