間歇式有功無功聯(lián)合擾動孤島檢測法

【摘要】孤島檢測是光伏發(fā)電設(shè)備控制系統(tǒng)的重要組成部分。傳統(tǒng)的有功以及無功擾動檢測法都有較好的檢測效果，但它們的共同缺點是對發(fā)電效率影響大。本文首先對傳統(tǒng)有功擾動法進行改進，提出了有功正反饋擾動法，然后經(jīng)過對恒流控制下不可檢測區(qū)（NDZ）的討論，指出了改進方法仍存在的不足，最后結(jié)合無功擾動法消除了不足，提出了一種新方法——間歇式有功無功聯(lián)合擾動法。該方法不影響電網(wǎng)頻率、無諧波注入且發(fā)電效率高，單臺運行時不存在不可檢測區(qū)。仿真實驗結(jié)果驗證了該方法的正確性。

【關(guān)鍵詞】無功孤島檢測；正反饋擾動；并網(wǎng)逆變器

1.引言

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)相對于離網(wǎng)系統(tǒng)具有更高的電能利用率，但隨著并網(wǎng)光伏系統(tǒng)數(shù)量的增加，也產(chǎn)生了一系列的控制問題，其中之一就是孤島效應。所謂孤島效應就是當電網(wǎng)供電因故障或檢修跳閘時，光伏系統(tǒng)與局部負載正好功率平衡，未能及時檢出停電將自身切離電網(wǎng)，形成光伏系統(tǒng)與局部負載組成的自給供電的孤島發(fā)電系統(tǒng)。而孤島效應有可能產(chǎn)生如下危害[1]。

1）導致故障不能完全清除；

2）電網(wǎng)重新合閘時，孤島系統(tǒng)電壓與電網(wǎng)電壓不同步可能引起設(shè)備損壞；

3）孤島運行可能給電網(wǎng)維護人員和用戶帶來點擊的危險。

正是由于孤島運行所帶來的這些潛在的危害，所以孤島效應現(xiàn)在受到越來越多的關(guān)注。孤島檢測分為被動檢測法與主動擾動法。被動檢測法多為電壓/頻率檢測。主動擾動方法通過對輸出信號進行擾動來進行，根據(jù)輸出電流公式Iinv=Imsin（2πft+θ）可知，通過對幅值Im、頻率f或相位 的擾動，以期在孤島狀態(tài)下PCC點的電壓幅值、頻率等超出正常范圍來達到檢測的目的[2]。

主動擾動法有兩個出發(fā)點，一種是在孤島運行狀態(tài)下通過擾動使頻率超出正常范圍；另一種是使幅值超出正常范圍[3]。

2.有功擾動法的不足及改進

2.1傳統(tǒng)有功擾動算法的不足

文獻[4]和[5]中都提出了類似的有功擾動法。其基本思想是由于并網(wǎng)逆變器通常工作于電流控制模式，不添加電流擾動的情況下，逆變器電流參考值iL與鎖相環(huán)從電網(wǎng)電壓取出的信號vg同頻同相，如公式（1）。

（1）

而當對逆變器輸出電流加入擾動后，電流的參考信號為正弦信號vg和干擾信號vgi的差，如公式（2）所示。

（2）

所以在并網(wǎng)情況下，PCC點電壓受電網(wǎng)鉗制，添加擾動對PCC點的電壓不會產(chǎn)生影響。但如果孤島效應產(chǎn)生時添加了電流擾動，那么PCC點的電壓就取決于逆變器輸出電流和本地負載。如公式（3）所示。

（3）

所以vPCC在原來基礎(chǔ)上添加了vgt的電壓降，超出欠電壓保護的閾值范圍，即使在功率相匹配的情況下孤島也能被檢測出[6-7]。

這種有功擾動法的優(yōu)點是單臺運行時不存在動作死區(qū)，但由于有功擾動法的擾動量較大（一般擾動量都在0.3Pload至0.5Pload之間），所以對并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率有很大影響。所以本文中針對這個缺陷提出了一種改進算法，使光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率大大提高。

2.2對傳統(tǒng)有功擾動法的改進——有功正反饋擾動檢測法

有功正反饋擾動孤島檢測法在原來有功擾動的基礎(chǔ)上加入了正反饋模塊，使得并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率得到大大提高。算法的原理是間歇性的對逆變器輸出電流的參考值iL的幅值進行擾動（每次間隔為200ms），每次對幅值的擾動比例減小為10%，擾動時間為20ms（一個工頻周期）。

在擾動期間不斷的檢測PCC點電壓幅值是否小于95%額定值，大于95%額定值且擾動時間到則重新開始計時，小于95%額定值則認為可能有孤島效應產(chǎn)生，正反饋模塊投入，在接下來的每個周期中都增加10%的擾動量，擾動上限為0.5iL，期間只要測得PCC點電壓幅值與額定值的差大于10%的額定值，就認為系統(tǒng)已經(jīng)處于孤島運行狀態(tài)，將光伏發(fā)電系統(tǒng)退出與電網(wǎng)的并列。

本方法由于在擾動周期內(nèi)只用電壓幅值的偏移量達到5%就可以啟動正反饋模塊，所以間歇性擾動的比例就可以大大減小。以前的有功擾動法有功功率的損失約為5%，而應用本文的檢測算法對有功的損失量不到2%，并且經(jīng)過參數(shù)的優(yōu)化，損失還能更小。同時，本方法單機運行時也不存在不可檢測區(qū)。

3.不可檢測區(qū)（NDZ）的描述與有功正反饋擾動法的不足

現(xiàn)有的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制都是采用電流跟蹤控制，那么在孤島效應產(chǎn)生的短時間內(nèi)電流的變化很小，可看做是恒流控制來對NDZ進行分析。

首先，對有功功率進行分析，孤島形成前，并網(wǎng)逆變器輸出有功功率、負載電阻如公式（4）所示。

（4）

而在孤島形成后達到穩(wěn)態(tài)時，PCC點電壓為vPCC=iR，帶入（4）式后得到公式（5）。

（5）

因PCC點電壓要滿足，帶入（5）式得到公式（6）。

（6）

又因為IEEE std.929-2000中要求Vmax=110%VPCC，Vmax=88%VPCC，則為過/欠電壓的檢測盲區(qū)。

再對無功功率進行分析得到公式（7）。

（7）

推導過程不再累述。其中Qf為負載品質(zhì)因素，取值為2.5。

再按照IEEE std.929-2000中要求的和，得到為過/欠頻率檢測的檢測盲區(qū)。

前面所介紹的有功正反饋擾動法的間隔擾動比例為10%，從檢測盲區(qū)上看，這種改進方法雖然提高了發(fā)電效率，但是卻有可能進入檢測盲區(qū)。但通過圖2還可以得出，有功擾動的比例減小的同時加入無功擾動，同樣可以達到消除NDZ的目的。

4.間歇式有功無功聯(lián)合擾動法

假設(shè)負載為RLC并聯(lián)，則負載阻抗的虛部為

（8）

而負載阻抗虛部的共軛可用有功功率P和無功功率Q表示成公式（9）。

（9）

將負載品質(zhì)因素帶入公式（8）和（9）得

（10）

利用角速度ω對有功P求偏到得到

（11）

而電網(wǎng)斷開后PCC點電壓幅值為

（12）

由（12）式可知有功電流的擾動主要改變PCC點電壓的幅值，而由（11）式可知有功電流的擾動對于電壓頻率也有較小影響。所以考慮在最惡劣的檢測條件下（即本地負載的變化量正好與電流擾動量相抵消，導致Vpcc沒有變化而進入不可檢測區(qū)），在有功正反饋擾動的基礎(chǔ)上加入無功擾動以消除不可檢測區(qū)[9]。

間歇式有功無功聯(lián)合擾動法的原理就是開始有功擾動后正反饋模塊的投入條件不滿足的同時檢測PCC點電壓頻率的波動是否超過閾值Δf，超過的話就加入一周波0.1Pload的無功擾動，以期負載的變化正好抵消有功擾動的影響時通過過/欠頻率檢測達到測出孤島的目的。間歇式聯(lián)合擾動法的原理框圖如圖1所示。

圖1間歇式有功無功聯(lián)合擾動檢測法原理圖

其中虛線框內(nèi)即為聯(lián)合法相較于單一有功擾動所添加的邏輯。本方法在正常的有功正反饋擾動時不會加入無功擾動，保證了發(fā)電效率；而在負載變化大，小幅有功擾動進入NDZ的情況下加入又可以保證檢測的可靠性。

5.仿真與實驗結(jié)果

5.1仿真模型介紹

本文中設(shè)計的三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型中采用文獻[10]和[11]中介紹的派克變換將三相電流由三相靜止坐標系（a，b，c）轉(zhuǎn)換以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的（d，q）坐標系。其中d軸電流調(diào)節(jié)有功輸出，而q軸電流調(diào)節(jié)無功輸出，實現(xiàn)了光伏輸出有功和無功的解耦控制。

控制系統(tǒng)首先通過鎖相環(huán)引出a，b，c三相電流并用派克變換轉(zhuǎn)換為d，q軸電流，在正常情況下通過對d軸電流的擾動實現(xiàn)有功擾動，而在PCC點電壓正常，無法投入正反饋模塊時通過對q軸電流的擾動加入無功擾動來防止進去不可檢測區(qū)，最后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器并進行反派克變換得到a，b，c三相控制電流參考值，這三相電流參考值經(jīng)過SPWM調(diào)制來驅(qū)動開關(guān)管來實現(xiàn)并網(wǎng)控制。

5.2仿真實驗結(jié)果

模型中仿真時長為0.35s，電網(wǎng)在0.15s時故障斷開，正反饋有功擾動的時間間隔為200ms，第一次擾動時刻為0.05s。電網(wǎng)電壓波形如圖6所示。

圖6電網(wǎng)電壓波形

圖7中（a）與（b）所示分別為有功擾動比例為0.1Pload時PCC點的電流與電壓波形。當0.05s第一次擾動時由于電網(wǎng)正常，PCC點電流明顯變小而電壓受電網(wǎng)鉗制不變；0.25秒第二次擾動時由于電網(wǎng)已故障斷開，PCC點電壓跟隨電流變小，控制系統(tǒng)檢測到電壓的減小并投入了正反饋模塊，在進行了一次0.2Pload的擾動后欠電壓保護動作，檢測出孤島效應并退出了光伏系統(tǒng)。

（a） 逆變器輸出電流波形

（b） 逆變器輸出電壓波形

圖7 逆變器輸出電流、電壓波形

圖8中（a）與（b）也為PCC點電壓與電流的波形。但在0.25s時負載中的電阻加入了9%的突變量以抵消0.1Pload的影響?？梢钥闯鲞@一負載的突變導致PCC點電壓基本無變化，無法投入正反饋模塊，導致有功正反饋擾動失效。但從（c）中可看出在這種情況下，PCC點電壓的頻率存在波動，這與公式（11）的描述一致。

（a） 逆變器輸出電流波形

（b） 逆變器輸出電壓波形

（c） 逆變器輸出電壓頻率

圖8 逆變器輸出電流、電壓與頻率波形

圖9為在0.25s由于負載的突變導致有功正反饋檢測失效時，控制系統(tǒng)檢測出PCC點電壓頻率變化Δf超過閾值（模型中設(shè)定閾值為0.2HZ），投入0.1Pload的無功擾動時PCC點電壓頻率的波形。從圖中可以明顯看出，0.25s左右PCC點電壓頻率波動超過了閾值Δf而投入0.1Pload的無功擾動，僅用了約0.07s的時間PCC點電壓頻率的下降就超過了欠頻率保護的閾值，從而檢出了孤島效應并推出光伏系統(tǒng)。

圖9 逆變器輸出電壓頻率

6.結(jié)論

本文提出的間歇式有功無功聯(lián)合擾動檢測法利用在有功擾動中加入正反饋模塊大大降低一般有功擾動較大的有功損耗；再借助在有功擾動檢測失效時加入無功擾動的方法消除了理論上的不可檢測區(qū)。在逆變器輸出大于、小于和等于負載消耗時都能準確檢測孤島效應。與傳統(tǒng)的有功和無功擾動算法相比，本方法大大提高發(fā)電效率、對電網(wǎng)無諧波污染，并且單機運行時無檢測死區(qū)。仿真實驗結(jié)果驗證了該方法的正確性。

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作者簡介

劉繼承（1983.2一），男，湖北武漢人，國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司輸電檢修中心副班長，技師，主要從事500千伏線路帶電作業(yè)。

劉春堂（1984.2一），男，湖北武漢人，國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司輸電檢修中心外線工，主要從事500千伏線路維護工作。

王永浩（1976.7一），男，湖北嘉魚人，國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司輸電檢修中心技術(shù)負責人，主要從事500千伏線路維護工作。