光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)的檢測研究

鄧 廣 杜之正

1.國網(wǎng)陽谷縣供電公司 山東 陽谷 252300

2.大唐臨清熱電有限公司 山東 臨清 252600

0 引言

孤島現(xiàn)象（islanding）也稱孤島效應(yīng)，是光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中較為常見的一種現(xiàn)象，由于電網(wǎng)故障或者其他原因發(fā)電系統(tǒng)向本地負(fù)載供電中斷，但是發(fā)電系統(tǒng)依然正常工作，這樣發(fā)電系統(tǒng)就與周圍負(fù)載構(gòu)成了自己自足的孤島現(xiàn)象［1］。在電力系統(tǒng)中普遍存在著由于線路設(shè)備檢修或者突發(fā)狀況導(dǎo)致停止向負(fù)載供電的狀況，因此在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中孤島效應(yīng)的產(chǎn)生和檢測是我們必須要考慮的，也是要克服的技術(shù)難題［2］。

1 孤島效應(yīng)檢測概述

如圖1所示為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測結(jié)構(gòu)框圖［3］，圖中標(biāo)示了光伏系統(tǒng)在發(fā)生孤島效應(yīng)和正常工作時的功率流向。圖中P為并網(wǎng)逆變器輸出的有功功率；Q為光伏并網(wǎng)逆變器輸出的無功功率；ΔP為逆變器向電網(wǎng)提供的有功功率；ΔQ為逆變器向電網(wǎng)提供的無功功率；Ui為逆變器輸出電壓；Ug為電網(wǎng)電壓；Pload為負(fù)載上消耗有功功率；Qload為負(fù)載上消耗無功功率；PCC為電網(wǎng)端與客戶端的公共耦合點(diǎn)。

圖1 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測結(jié)構(gòu)框圖來分析研究電網(wǎng)側(cè)斷路器打開和關(guān)閉的情況：

1）當(dāng)斷路器開關(guān)閉合時，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，本地負(fù)載和電網(wǎng)都與并網(wǎng)逆變器的輸出相連［4］。此時逆變器輸出的有功功率小于本地負(fù)載時，不足的部分由電網(wǎng)來補(bǔ)充；逆變器輸出的有功功率大于本地負(fù)載所需的時候，超出的部分反饋送給電網(wǎng)。

2）當(dāng)斷路器開關(guān)S斷開時，光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開，這樣使得光伏并網(wǎng)系統(tǒng)將工作于孤島狀態(tài)，逆變器輸出功率將全部供給本地負(fù)載，因為斷路器開關(guān)斷開前和斷開后光伏并網(wǎng)逆變器輸出的有功功率和光伏并網(wǎng)逆變器輸出的無功功率Q基本不變，由此可得［4-5］：

式中的ωi為逆變器輸出電壓的角頻率。

由（1）和（2）式可得：

式中的Qc為諧振電容C的無功功率，其中Qc=我們知道負(fù)載L和C會發(fā)生諧振，就導(dǎo)致了并網(wǎng)逆變器將在諧振的狀態(tài)下工作，其中諧振角頻率滿足

通過式（3）和式（4）可得：

可見當(dāng)并網(wǎng)逆變器工作在孤島狀態(tài)時，逆變器輸出有功和無功功率的大小會受到輸出電壓和頻率的影響。因此，孤島效應(yīng)的檢測可以通過檢測逆變器輸出電壓和頻率的變化來實(shí)現(xiàn)。但是在電網(wǎng)端與客戶端的公共耦合點(diǎn)PCC處狀態(tài)不變的情況下，無法檢測到孤島是否發(fā)生。因此，我們需要尋求更為高效和先進(jìn)的的孤島檢測方法。

2 常用孤島檢測方法

目前常用的孤島效應(yīng)檢測方法分為被動檢測法和主動檢測法兩種。其中常用的被動檢測方法包括相位檢測法、電壓頻率檢測法和諧波檢測方法等，常用的主動檢測方法包括功率擾動法、相位擾動法、頻率偏移法［6］。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)公共耦合點(diǎn)的相位、頻率等信息通過鎖相環(huán)獲取，逆變系統(tǒng)輸出電流的參考信號通過孤島檢測法獲取，然后實(shí)時的對PCC點(diǎn)的頻率、電壓等信息進(jìn)行檢測，觀察這些信息是否超出正常范圍，據(jù)此來判斷孤島效應(yīng)是否發(fā)生。

2.1 AFD法的原理分析

主動頻率偏移法（AFD）是孤島效應(yīng)檢測中較為常用的一種主動檢測方式。如下圖2所示為AFD檢測方法的基本原理圖［6］。

圖2 AFD法原理圖

圖2中為公共耦合點(diǎn)電壓波形周期，T1為逆變器輸出電流參考波形的周期；加入擾動后的畸變時間由T2表示。

由AFD法原理圖可知系統(tǒng)輸出的電流量在T1／2時刻內(nèi)保持正弦不變到零值，并且保持零值持續(xù)T2時刻，而且電網(wǎng)電壓有著不同的頻率值；后半周期，系統(tǒng)輸出電流是前半周期正弦波形的后半部分，且系統(tǒng)電流達(dá)到過零點(diǎn)后，零值保持到電壓波形達(dá)到零值［6-7］。由于在這樣一個周期的過程中出現(xiàn)了T2的電流零值時刻，參考傅里葉分解，出現(xiàn)一個相移。反復(fù)如此，系統(tǒng)的頻率會增加到一定的值。我們知道電網(wǎng)在正常工作狀態(tài)下，并網(wǎng)電流在擾動下只會有微小的頻率偏移，頻率的改變不會持續(xù)的進(jìn)行；若光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中孤島效應(yīng)時，頻率量將會持續(xù)偏移，這樣頻率保護(hù)電路就能檢測到頻率的偏移，從而判斷產(chǎn)生了孤島效應(yīng)。

2.2 AFD仿真研究

在Matlab軟件仿真工具Simlink建立孤島檢測系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示。其中，斷路器（Breaker）由Step來控制在某一時刻由初始值1，變?yōu)樽罱K值0，以此來模擬光伏發(fā)電系統(tǒng)斷開電網(wǎng)的情況；Islanding＿detection為孤島檢測算法模塊，其內(nèi)部模型如圖4所示，逆變器輸出電流和公共耦合點(diǎn)電壓是模塊的輸入、模塊的輸出是H橋的驅(qū)動信號［7］。

圖3 AFD仿真模型

圖4 孤島檢測算法模塊內(nèi)部模型

圖5 公共耦合點(diǎn)PCC電壓、逆變器輸出的并網(wǎng)電流仿真圖

我們設(shè)置斷路器Breaker在0.3s時刻與電網(wǎng)斷開，可得到如圖5所示的公共耦合點(diǎn)電壓與逆變器輸出的并網(wǎng)電流仿真圖。

圖5可知：在經(jīng)過約0.65s時，點(diǎn)電壓和逆變器輸出的電流基本消失均變?yōu)榱?。對圖5局部放大得到圖6。

圖6 對圖5的局部放大

由圖6可以明顯地看出逆變器輸出的并網(wǎng)電流比公共耦合點(diǎn)PCC電壓提前達(dá)到零點(diǎn)，即存在截斷時間tz，這一現(xiàn)象符合AFD算法的基本情況［8］。 仿真結(jié)果表明采用AFD方法檢測孤島效應(yīng)，在響應(yīng)時間方面基本滿足孤島效應(yīng)檢測的要求，在實(shí)際工程系統(tǒng)中AFD檢測方法可以利用。

2.3 基于周期擾動法的AFDPF檢測算法

檢測孤島效應(yīng)時AFD檢測方法在具體的實(shí)踐操作中還需要考慮負(fù)載的性質(zhì)對公共耦合點(diǎn)PCC電壓頻率的影響。AFD方法也存在著一定的缺陷，加入了主動擾動，AFD方法難以克服，使并網(wǎng)質(zhì)量下降。為了最大程度地減少擾動所帶來的檢測誤差，本文提出了AFDPF檢測方法對逆變器輸出電流施加周期性不間、正反兩方向的頻率擾動（即cf＞0、cf＜0），并且要設(shè)置中間過渡階段（即cf=0）［9］。

基于周期擾動的AFDPF檢測算法在檢測過程中選取基準(zhǔn)信號Δf較大的擾動信號cf，然后對cf進(jìn)行正反饋操作，即cf=cf0+kΔf。假設(shè)在感性負(fù)載的情況下即｜Δf2｜＜｜Δf1｜， 觀察PCC點(diǎn)電壓頻率是否在規(guī)定的正常范圍內(nèi)，此時的異常響應(yīng)時間設(shè)定為3個周波，如果在正常范圍之外，則說明發(fā)生了孤島效應(yīng)；若在3個周波判斷后，仍然在正常范圍內(nèi)，未檢測出孤島效應(yīng)，則認(rèn)為發(fā)生誤判斷。此時，令擾動信號Δf1=0，以此判斷此時是否為阻性負(fù)載，再進(jìn)行是否超出正常范圍的判斷，若超出了正常范圍，則可認(rèn)為發(fā)生了孤島效應(yīng)，若在以上2個周波仍未檢測出孤島效應(yīng)，則令擾動信號Δf2=-Δf2進(jìn)行反方向的擾動，同時進(jìn)行3個周波的檢測，與正向檢測情況類似，當(dāng)｜Δf2｜＞｜Δf1｜時，即容性負(fù)載，再判斷PCC點(diǎn)電壓頻率是否超出正常范圍，若超出正常范圍則可以判斷為發(fā)生了孤島效應(yīng)［10］。

利用Matlab軟件仿真工具Simlink對基于周期擾動的AFDPF檢測算法進(jìn)行仿真研究，得到如圖7所示的基于周期擾動的AFDPF檢測算法仿真結(jié)果圖［11］。

由仿真結(jié)果圖7可知，在0.3s時斷路器與電網(wǎng)斷開，約在0.38s時公共耦合點(diǎn)電壓變?yōu)榱悖s在0.46s時逆變器輸出電流變?yōu)榱?，檢測出孤島效應(yīng)共花費(fèi)了0.16s。相比于上一節(jié)提到的與AFD算法，基于周期擾動的AFDPF檢測算法檢測時間明顯縮短，體現(xiàn)了該算法的優(yōu)越性。

圖7 基于周期擾動的AFDPF檢測算法仿真結(jié)果圖

對圖7基于周期擾動的AFDPF檢測算法仿真結(jié)果圖進(jìn)行局部放大可得到如下所示圖8［11］。

圖8 對圖7中一個檢測周期的局部放大

由圖8中可知：

在0～0.06s時間段含3個檢測周波，逆變器輸出電流頻率低于公共耦合點(diǎn)電壓頻率；

在0.06～0.1s時間段含2個檢測周波，擾動量保持為零，即此時逆變器輸出的電流的頻率和相位與公共耦合點(diǎn)電壓的頻率和相位相等；

在0.1～0.16s時間含三個檢測周波，段逆變器輸出電流頻率高于公共耦合點(diǎn)電壓頻率。

由仿真結(jié)果可看出AFDPF檢測方法不管是在檢測時間還是檢測精度方面都比AFD檢測方法有更好的效果。

3 結(jié)論

本文闡述了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)概述和孤島效應(yīng)檢測的基本原理，分別提出了AFD檢測法和AFDPF檢測方法，并對這兩種方法的實(shí)現(xiàn)做了詳盡的分析，基于Matlab仿真軟件分別對這兩種方法做了檢測孤島效應(yīng)的仿真研究，研究結(jié)果表明這兩種方法都可完成孤島效應(yīng)的檢測，為今后的理論研究和工程實(shí)踐提供的相應(yīng)的借鑒。

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