有功電流全擾動(dòng)孤島檢測(cè)法的分析研究

摘 要：分布式電源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要是依靠風(fēng)力、光伏、生物等動(dòng)力能源來(lái)進(jìn)行發(fā)電的，如果電網(wǎng)暫時(shí)斷電或電源與電網(wǎng)不相互接觸時(shí)，這樣會(huì)利用繼續(xù)工作的并網(wǎng)發(fā)電子系統(tǒng)和其周圍的負(fù)載形成一個(gè)封閉獨(dú)立供電的孤島系統(tǒng)。伴隨著分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用普及，孤島效應(yīng)的發(fā)生概率也隨著逐步增加，必須有效地預(yù)防這種現(xiàn)象，防止出現(xiàn)孤島問(wèn)題，因此對(duì)有功電流全擾動(dòng)孤島檢測(cè)法的分析研究對(duì)研究解決孤島問(wèn)題具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：有功電流；孤島檢測(cè)；施加擾動(dòng)

1 全擾動(dòng)孤島檢測(cè)原理

采取通過(guò)逐步減少擾動(dòng)量對(duì)進(jìn)網(wǎng)功率產(chǎn)生的影響，進(jìn)而影響到在并聯(lián)供電的條件下同時(shí)出現(xiàn)幾個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)的狀況，利用一種有功電流全擾動(dòng)進(jìn)行孤島檢測(cè)，本文就這種檢測(cè)方法如下一些分析研究。

在已有電流的基準(zhǔn)Ig上，施加一個(gè)周期性擾動(dòng)信號(hào)Igd和一個(gè)能讓電網(wǎng)周期性產(chǎn)生作用的擾動(dòng)信號(hào)Id兩個(gè)信號(hào)，就把這種算法定義為全擾動(dòng)控制算法。并且要在施加擾動(dòng)開(kāi)始前，需要鑒別輸出電壓發(fā)生變化的大小，進(jìn)而根據(jù)情況施加對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)，從而依靠這兩個(gè)擾動(dòng)信號(hào)的相互配合作用來(lái)達(dá)到檢測(cè)孤島的目的。

對(duì)于電流控制型逆變器，如果電流的輸出完全是依照基準(zhǔn)，則輸出電流幅值I0可表示為：

其中：I0表示電流設(shè)定幅值，Igd表示發(fā)生周期性擾動(dòng)信號(hào)的幅值，Id表示任何一個(gè)都發(fā)生作用的每個(gè)周期擾動(dòng)幅值。其大小可通過(guò)以下方程組來(lái)表示：

上式中，ID為周期性擾動(dòng)信號(hào)的大小，Id為每個(gè)周期的擾動(dòng)遞增量。Δx為擾動(dòng)量大小。U0（k）為該周期逆變器輸出電壓的最大幅值，U0（k-1）為上一周期逆變器輸出最大幅值。可見(jiàn)這兩擾動(dòng)信號(hào)的幅值變化情況與輸出電壓有很大關(guān)系。

如果不給予一個(gè)電流施加擾動(dòng)，則輸出電流是同原有電流Ig具有相同的頻率、相同相的正弦信號(hào)，對(duì)于電流控制性逆變器有輸出電流I0=Ig，再施加擾動(dòng)信號(hào)Igd與Id過(guò)后實(shí)際的輸出電流為：

其中：ω為電網(wǎng)角頻率。

并網(wǎng)時(shí)：輸出端節(jié)點(diǎn)電壓受電網(wǎng)電壓鉗制，其大小同電網(wǎng)電壓相同，不發(fā)生變化，于是擾動(dòng)信號(hào)Id保持零不變，不增加增量，不進(jìn)行周期擾動(dòng)時(shí)，逆變器的進(jìn)網(wǎng)電流是一個(gè)恒定值，當(dāng)進(jìn)行周期擾動(dòng)的過(guò)程中，這時(shí)進(jìn)網(wǎng)電流幅值最終減小Igd，周期性擾動(dòng)完成后，進(jìn)網(wǎng)電流又恢復(fù)到初始值。

斷網(wǎng)后：逆變器輸出端電壓是負(fù)載Z與輸出電流共同作用的結(jié)果，如下公式是輸出端電壓的計(jì)算公式：

（4）

進(jìn)而通過(guò)觀察逆變器輸出端電壓的改變情況來(lái)檢測(cè)孤島的發(fā)生或未發(fā)生，實(shí)現(xiàn)對(duì)孤島危害的預(yù)防，減少事故的發(fā)生。

2 斷網(wǎng)后三種檢測(cè)情況的研究分析

2.1 假設(shè)負(fù)載所需功率小于電流控制性逆變器輸出功率時(shí)，則逆變器輸出電壓隨著增大，即U0（k）>U0（k-1）。則由公式（2）可知：Id=Id+Δx，于是總的電流基準(zhǔn)增大，輸出電流也相應(yīng)的增大，可由公式（4）知輸出電壓將會(huì)產(chǎn)生更大的變化，由于Id每個(gè)電網(wǎng)周期不斷遞增累加，最終導(dǎo)致輸出電壓不斷增大，結(jié)果會(huì)使得超過(guò)規(guī)定的上線值，從而檢測(cè)到孤島的出現(xiàn)。假設(shè)在這個(gè)檢測(cè)情況中周期性擾動(dòng)信號(hào)Igd同樣也出現(xiàn)，則Igd也是一正值，進(jìn)而兩擾動(dòng)信號(hào)共同發(fā)揮作用，使得輸出電壓增加速度加快，能夠加速孤島的檢測(cè)過(guò)程，減小檢測(cè)的時(shí)間。其變化趨勢(shì)如圖1 （a）所示。

2.2 假設(shè)負(fù)載所需功率大于電流控制性逆變器輸出功率時(shí)，則電流控制性逆變器輸出電壓將隨著減小，即U0（k）

2.3 假設(shè)負(fù)載所需功率與電流控制性逆變器輸出功率相同時(shí)，那么逆變器輸出電壓將不會(huì)改變，也就是Id=0，在周期性擾動(dòng)還未施加之前，兩擾動(dòng)都沒(méi)有起到作用，輸出電壓將會(huì)維持一個(gè)恒定值不變，所以達(dá)不到檢測(cè)出孤島是否發(fā)生的目的。然而當(dāng)周期擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，存在U0（k）=U0（k-1），則由式（1）可知：Igd=-Id。這會(huì)讓電流基準(zhǔn)減小，那么輸出電壓隨著減小，后面的一些過(guò)程都與負(fù)載所需功率大于逆變器輸出功率的情況發(fā)生過(guò)程一致，也可以檢測(cè)到孤島發(fā)生的情況。

2.4 擾動(dòng)信號(hào)參數(shù)設(shè)計(jì)

在周期性擾動(dòng)信號(hào)Igd的設(shè)計(jì)中考慮以下兩問(wèn)題：

（1）擾動(dòng)信號(hào)Igd的周期不能太長(zhǎng)，太長(zhǎng)可能影響孤島檢測(cè)的速度，太短又使并網(wǎng)時(shí)進(jìn)網(wǎng)功率變化頻繁，影響系統(tǒng)穩(wěn)定。

（2）Igd的作用量不能太大，太大當(dāng)并網(wǎng)時(shí)，在帶關(guān)鍵性負(fù)載的并網(wǎng)模式下，當(dāng)周期性擾動(dòng)發(fā)生作用時(shí)，逆變器輸出功率可能小于負(fù)載所需功率，則存在電網(wǎng)向負(fù)載傳輸能量的情況。

設(shè)擾動(dòng)信號(hào)擾動(dòng)Igd比例為x1，擾動(dòng)周期為t1。擾動(dòng)信號(hào)Id的擾動(dòng)比例為x2，檢測(cè)周期數(shù)為n，電網(wǎng)周期為T，設(shè)檢測(cè)閥值范圍為（0.88Un～1.1Un），Un為電網(wǎng)額定電壓幅值。斷網(wǎng)后，在功率不匹配的情況下，當(dāng)輸出電壓變大時(shí)，只要滿足：

取其最大值nx2>0.12。則其檢測(cè)時(shí)間為nT，這期間如果Igd發(fā)生作用，則檢測(cè)時(shí)間更短。在功率不匹配的情況，最長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間為：t1+nT。當(dāng)輸出電壓幅值小于0.5Un或者大于1.37Un時(shí)，完全可以通過(guò)被動(dòng)法檢測(cè)出來(lái)。

根據(jù)以上的分析總結(jié)，可以得出這種有功電流全擾動(dòng)控制的孤島檢測(cè)方法是沒(méi)有盲區(qū)的，是可以完全有效的檢測(cè)出孤島的發(fā)生。增大擾動(dòng)信號(hào)Id的擾動(dòng)比例可以加速檢測(cè)的過(guò)程，減小檢測(cè)的時(shí)間。

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作者簡(jiǎn)介：陳江艷（1984-），女，漢族，湖北宜昌人，碩士，講師，三峽大學(xué)科技學(xué)院，研究方向：電力系統(tǒng)。