觸發(fā)式最小電流擾動(dòng)的孤島檢測(cè)方法研究

邢 玥， 王瑞峰， 夏 偉

(1.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 甘肅 蘭州 730070； 2.國(guó)網(wǎng)宣城供電公司 安徽 宣城 242000)

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觸發(fā)式最小電流擾動(dòng)的孤島檢測(cè)方法研究

邢 玥1， 王瑞峰1， 夏 偉2

(1.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 甘肅 蘭州 730070； 2.國(guó)網(wǎng)宣城供電公司 安徽 宣城 242000)

針對(duì)目前采取主動(dòng)電流擾動(dòng)法，使并網(wǎng)逆變器輸出功率帶來(lái)一定時(shí)間變化的問(wèn)題，提出一種觸發(fā)式最小電流擾動(dòng)方式.以電網(wǎng)側(cè)低壓斷路器分閘時(shí)產(chǎn)生的電弧信號(hào)作為觸發(fā)條件，啟動(dòng)最小電流擾動(dòng)量的加入，從而快速檢測(cè)孤島現(xiàn)象.根據(jù)IEEE Std.929-2000技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該方法進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證方法的有效性.研究結(jié)果表明，該方法不僅沒(méi)有盲區(qū)，且大大減少了加入擾動(dòng)的時(shí)間，改變逆變器一直處于過(guò)載或欠載的運(yùn)行狀態(tài)，提高了逆變器使用壽命.

并網(wǎng)逆變器； 孤島檢測(cè)； 觸發(fā)信號(hào)； 最小電流擾動(dòng)

0 引言

地球資源的日益匱乏，環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，綠色環(huán)保的可再生能源成為目前人們最關(guān)心的問(wèn)題.由于分布式發(fā)電技術(shù)日益成熟，越來(lái)越多的新型能源通過(guò)電力電子轉(zhuǎn)換裝置，將能量傳輸?shù)诫娋W(wǎng)上，具有代表意義的是光伏并網(wǎng)系統(tǒng).按照國(guó)際IEEE Std.929-2000標(biāo)準(zhǔn)[1]，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，處于孤島狀況會(huì)對(duì)電力器件造成破壞，達(dá)到一定程度可能威脅查驗(yàn)職員的生命危險(xiǎn).因此，探究孤島檢測(cè)方法，具有實(shí)際效果.

孤島檢測(cè)方式包括被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)檢測(cè)兩種[2].被動(dòng)檢測(cè)具有簡(jiǎn)易實(shí)現(xiàn)、不會(huì)對(duì)電網(wǎng)引入諧波的特點(diǎn).當(dāng)逆變器輸出功率與本地負(fù)載功率靠近或均衡時(shí)，此方式有較大盲區(qū).此時(shí)可以采取主動(dòng)檢測(cè)方式(即添加不同擾動(dòng)量)來(lái)沖破孤島狀態(tài)下并網(wǎng)系統(tǒng)和負(fù)載的均衡關(guān)系，以檢查出孤島.目前主動(dòng)檢測(cè)有主動(dòng)頻率偏移法[3]、諧波畸變率正反饋法[4]、主動(dòng)移相法[5]、主動(dòng)電流擾動(dòng)法[6]、自適應(yīng)最小電流擾動(dòng)法[7]等.前3種方式都向電網(wǎng)引入奇/偶次波，影響電網(wǎng)能量的質(zhì)量.后2種方式雖然不會(huì)向電網(wǎng)引入諧波，但會(huì)周期性的改變并網(wǎng)逆變器的輸出功率，使逆變器工作處于過(guò)載或欠載狀態(tài)，從而大大減少逆變器的使用壽命.本文結(jié)合被動(dòng)檢測(cè)和自適應(yīng)最小電流擾動(dòng)法，提出觸發(fā)式最小電流擾動(dòng)法.此方法不存在檢測(cè)盲區(qū)，且可排除因大負(fù)載的突然接入或斷開(kāi)產(chǎn)生的偽孤島現(xiàn)象.

1 觸發(fā)式最小電流擾動(dòng)法的原理分析

并網(wǎng)供電系統(tǒng)見(jiàn)圖1.當(dāng)?shù)蛪簲嗦菲鱏1和S導(dǎo)通，逆變器輸出功率:P+jQ,負(fù)載得到功率：Pload+jQload，電網(wǎng)供給的功率:ΔP+jΔQ.功率關(guān)系如式(1)～(2)所示：

(1)

(2)

若ΔP≠0，ΔQ≠0，當(dāng)電網(wǎng)切斷(即S1導(dǎo)通,S切斷)，公共耦合點(diǎn)(PCC)的電壓幅值或相位角會(huì)變動(dòng)，通過(guò)被動(dòng)檢測(cè)法檢測(cè)出孤島；若ΔP=0，ΔQ=0，電網(wǎng)切斷(即S1導(dǎo)通,S切斷)后PCC點(diǎn)的電壓幅值和相位角不發(fā)生變化，此時(shí)被動(dòng)檢測(cè)法不能檢查出電網(wǎng)切斷.因此采取觸發(fā)式最小電流擾動(dòng)方式進(jìn)行孤島檢查.

當(dāng)?shù)蛪簲嗦菲鞣珠l時(shí)產(chǎn)生電弧，會(huì)引起電路中電壓和電流發(fā)生變化.電弧電流的曲線(xiàn)為正弦形狀.電弧電壓曲線(xiàn)在零區(qū)存在特殊的規(guī)律：過(guò)零區(qū)時(shí)刻，電流最大且電弧電壓變化率大.可以利用此特點(diǎn)提取電弧電壓，其提取過(guò)程如圖2所示.

圖1 并網(wǎng)系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic diagram of photovoltaic grid-connected system

圖2 電弧電壓檢測(cè)Fig.2 Arc voltage detection

通過(guò)電壓互感器對(duì)含有電弧信息的線(xiàn)路進(jìn)行電壓檢測(cè)，再把經(jīng)調(diào)理電路Ⅰ處理的電壓信號(hào)傳輸給脈沖轉(zhuǎn)換器.在轉(zhuǎn)換器中，將電壓的突降信號(hào)轉(zhuǎn)成脈沖信號(hào).調(diào)理電路Ⅱ主要由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、積分器構(gòu)成.將該脈沖信號(hào)經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器變?yōu)轭l率隨脈沖信號(hào)變化且幅值恒定、寬度不變的脈沖，再經(jīng)積分器進(jìn)行積分變換.當(dāng)調(diào)理后的信號(hào)幅值大于比較器的設(shè)定值時(shí)，輸出電弧電壓.

利用電網(wǎng)低壓斷路器斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生高壓電弧的特點(diǎn)，將其作為觸發(fā)式最小電流擾動(dòng)法的觸發(fā)條件.根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知，采用磁流體動(dòng)力學(xué)電弧模型(除了個(gè)別細(xì)節(jié)特征外，結(jié)構(gòu)“形狀”尺寸與實(shí)際的小型斷路器都保持一致)對(duì)小型斷路器分閘時(shí)電弧過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)對(duì)比.試驗(yàn)得到的電弧電壓Uh幅值范圍，0 V

圖3 電弧電壓曲線(xiàn)圖Fig.3 Diagram of arc voltage

1) 當(dāng)Ugm≤Umi<1.1 Ugm(Ugm為電網(wǎng)電壓幅值)時(shí)，注入的最小擾動(dòng)電流為

觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)，檢查出孤島.

2) 當(dāng)0.88 Ugm

開(kāi)啟欠壓保護(hù)，檢查出孤島.

圖4 無(wú)光伏并網(wǎng)時(shí)斷路器切斷時(shí)的電壓變化圖 Fig.4 Voltage change of the circuit breaker when no photovoltaic grid connected

圖5 光伏并網(wǎng)時(shí)斷路器切斷時(shí)的電壓變化Fig.5 Voltage change of circuit breaker in grid connected photovoltaic power grid

孤島檢測(cè)的流程圖(見(jiàn)圖6)：

圖6 孤島檢測(cè)程序流程圖Fig.6 Flow chart of the island detection procedure

2 仿真分析

2.1 仿真模型

采取Simulink仿真軟件構(gòu)建3 kW的單相光伏并網(wǎng)供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括主電路、并網(wǎng)控制和孤島檢測(cè)3部分.通過(guò)并網(wǎng)控制，達(dá)到逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相的效果，結(jié)果如圖7(a)所示.由圖7(b)得到逆變器輸出的電流為19.24 A.

圖7 逆變電流與電網(wǎng)電壓同相Fig.7 Inverter current and grid voltage in-phase

2.2 仿真結(jié)果

Pload大于P(即負(fù)載得到能量，是由逆變器和電網(wǎng)一起供給的)，檢測(cè)出孤島電壓波形，如圖8所示.達(dá)到條件(Umi<0.88Ugm)，檢測(cè)出孤島，快速切斷逆變器工作.Pload小于P(即逆變器向電網(wǎng)傳輸能量)時(shí)，孤島檢測(cè)的電壓曲線(xiàn)，如圖9所示.可以看出，在切斷并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，PCC點(diǎn)的電壓幅值變大，達(dá)到過(guò)壓保護(hù)條件(Umi>1.1Ugm)，檢測(cè)出孤島，控制逆變器停運(yùn).

圖8 負(fù)載功率大于逆變器功率的波形Fig.8 Waveform of load power is greater than the power of inverter

圖9 負(fù)載功率小于逆變器功率的波形Fig.9 Waveform of the load power is less than the power of the inverter

Pload等于P，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，PCC點(diǎn)的電壓幅值不發(fā)生變化，沒(méi)有達(dá)到過(guò)/欠電壓保護(hù)的閾值范圍，因此采用過(guò)/欠電壓檢測(cè)法，檢測(cè)不出孤島現(xiàn)象.圖10是通過(guò)采用觸發(fā)式最小電流擾動(dòng)法，進(jìn)行孤島檢測(cè)的電壓波形.從圖10(b)可以看出，在t=0.25 s并網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，在0.03 s后檢測(cè)到開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間的脈沖信號(hào)(即K=1)，此時(shí)PCC點(diǎn)電壓幅值Umi>Ugm，加入一個(gè)周期的ΔId1的最小電流擾動(dòng)，在0.02 s后，使PCC點(diǎn)達(dá)到過(guò)壓保護(hù)的范圍，停止逆變器輸出.從圖10(c)可以看出，在t=0.25 s并網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，在0.03 s后檢測(cè)到開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間的脈沖信號(hào)(即K=1)，此時(shí)PCC點(diǎn)幅值Umi≤Ugm，加入一個(gè)周期ΔId2的最小電流擾動(dòng)，在0.02 s后，使PCC點(diǎn)達(dá)到欠壓保護(hù)的范圍，停止逆變器輸出.通過(guò)驗(yàn)證符合IEEE Std.929-2000技術(shù)要求(逆變器在孤島發(fā)生后2 s內(nèi)截止向電網(wǎng)輸電).

當(dāng)電網(wǎng)在t=0.25 s內(nèi)檢測(cè)到瞬間脈沖信號(hào)(K=1)，且PCC點(diǎn)的電壓幅值為0.88Ugm

圖10 Pload等于P的波形Fig.10 Wave form when Pload equal to P

圖11 偽孤島檢測(cè)的電壓波形Fig.11 Voltage waveform of pseudo island detection

將本文所提的算法和文獻(xiàn)[6-7]介紹的方法進(jìn)行對(duì)比，如表1.由表1可知，該方法加入電流擾動(dòng)量和擾動(dòng)時(shí)間最小，減少逆變器輸出功率波動(dòng).

表1 3種算法的對(duì)比
Tab.1 The comparison of the three algorithms

文獻(xiàn)[6]文獻(xiàn)[7]本文加入電流擾動(dòng)量參考電流的一半最小電流最小電流加入擾動(dòng)方式每0．4s進(jìn)行一次電流干擾ΔId=0和ΔId=0．1Id周期更替檢測(cè)到電網(wǎng)中的脈沖信號(hào)，加入擾動(dòng)加入擾動(dòng)時(shí)間/s0．3～20．3～20．02～0．1逆變器輸出功率波動(dòng)/%504020

2.3 實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證

搭建孤島檢測(cè)硬件系統(tǒng)圖，如圖12所示.通過(guò)采樣電路得到并網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)電弧信號(hào)、電網(wǎng)電壓和電流信號(hào)，經(jīng)DSP處理和計(jì)算，判斷出電網(wǎng)中是否有波動(dòng)信號(hào).再根據(jù)采集的逆變器電壓、電流信號(hào)，計(jì)算最小電流擾動(dòng)量.當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)中的波動(dòng)信號(hào)，添加最小電流擾動(dòng)量，檢測(cè)孤島.實(shí)現(xiàn)逆變器并網(wǎng)的波形，如圖13所示，并電網(wǎng)時(shí)PCC點(diǎn)電壓為電網(wǎng)電壓，伴隨電流的加入，電壓幅值大小不變.在過(guò)零點(diǎn)時(shí)，加入兩個(gè)周期最小電流擾動(dòng)，造成逆變器輸出功率的大小變化，但不像主動(dòng)頻率偏移等方法向電網(wǎng)引入諧次波.

當(dāng)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)切斷，且負(fù)載損耗功率等于逆變器輸出功率時(shí)，公共耦合點(diǎn)的電壓幅值大小不變化.但是通過(guò)檢測(cè)到并網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的脈沖信號(hào)，觸發(fā)加入最小電流擾動(dòng)ΔId2，達(dá)到欠電壓保護(hù)的閾值范圍，0.02 s后檢測(cè)出孤島，如圖14(a、b)所示.通過(guò)檢測(cè)到并網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的脈沖信號(hào)，觸發(fā)加入最小電流擾動(dòng)ΔId1，達(dá)到過(guò)電壓保護(hù)的閾值范圍，0.02 s后檢測(cè)出孤島，如圖14(c、d)所示.

圖12 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.12 Diagram of hardware structure

圖13 逆變器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的波形Fig.13 Waveform of grid connected inverter

圖14 負(fù)載損耗功率等于逆變器輸出的波形Fig.14 Experimental waveforms when load power is equal to the output power of the inverter

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種觸發(fā)式最小電流擾動(dòng)的檢測(cè)孤島方法，利用電網(wǎng)側(cè)低壓斷路器分閘時(shí)產(chǎn)生的電弧信號(hào)作為觸發(fā)檢測(cè)的觸發(fā)條件，通過(guò)加入最小電流來(lái)沖破系統(tǒng)與負(fù)載之間的均衡，使PCC點(diǎn)的電壓幅值到達(dá)過(guò)/欠電壓的條件，檢測(cè)出孤島.本文方法能夠克服逆變器輸出功率與負(fù)載功率相均衡時(shí)，過(guò)/欠電壓檢測(cè)方式檢測(cè)失效問(wèn)題；在檢測(cè)過(guò)程中不對(duì)電網(wǎng)引入諧波，不會(huì)減小輸出功率因數(shù)等優(yōu)點(diǎn).相對(duì)于傳統(tǒng)的被動(dòng)檢測(cè)方案，本文提出的孤島檢測(cè)方案精度更高，且不存在檢測(cè)盲區(qū)，對(duì)電網(wǎng)的影響小，為孤島檢測(cè)技術(shù)提供了一種新的思路和方法.

[1] IEEE standard 929-2000.IEEE recommended practice for utility interface of photovoltaic(PV)systems[S].New York: The institute of electrical and electronics engineers, 2000.

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(責(zé)任編輯：王浩毅)

Island Detection of Triggered Minimum Current Disturbance

XING Yue1， WANG Ruifeng1， XIA Wei2

(1.CollegeofAutomationandElectricalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China; 2.StateNetworkClaimsPowerSupplyCompany,Xuancheng242000,China)

According to the periodic change of the output power of the grid connected inverter, a method of minimum current disturbance detection was proposed. When the low-voltage circuit breaker was separated from the power grid, the arc signal generated was used as the trigger condition, and the minimum current disturbance was activated to detect the phenomenon of the isolated island. According to the Std.929-2000 IEEE technology, this method was simulated and studied, and the validity of the method was verified. The research results showed that this method not only had no blind area, but also greatly reduced the time of adding disturbance, which changed the running state of the inverter in overload or under load, and improved the service life of the inverter.

grid-connected inverter; islanding detection; trigger signal; minimum current disturbance

2016-09-23

甘肅省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1310RJZA046).

邢玥(1990—)，女，河北衡水人，碩士研究生，主要從事電力電子裝置及其數(shù)字控制研究,E-mail:970514443@qq.com;通訊作者：王瑞峰(1966—)，女,內(nèi)蒙古赤峰人，教授，主要從事自動(dòng)控制、現(xiàn)代檢測(cè)與診斷及儀器儀表的研究，E-mail:18630184573@163.com.

邢玥，王瑞峰，夏偉.觸發(fā)式最小電流擾動(dòng)的孤島檢測(cè)方法研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版)，2016，48(4)：116-122.

TM464

A

1671-6841(2016)04-0116-07

10.13705/j.issn.1671-6841.2016693