基于q軸電流擾動的孤島檢測方法

劉 劍，方厚輝，李先鋒

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410082；2.中機(jī)國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙410082)

基于q軸電流擾動的孤島檢測方法

劉 劍1，方厚輝1，李先鋒2

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410082；2.中機(jī)國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙410082)

提出了一種基于q軸電流擾動的孤島檢測方法。該方法通過引入q軸電流擾動，使RLC負(fù)載在電網(wǎng)因故障斷開時產(chǎn)生頻率偏移，從而檢測出孤島。引入的q軸電流擾動結(jié)合了無功功率變化和頻率變化，當(dāng)系統(tǒng)在電網(wǎng)下運行時，無功功率變化和頻率變化接近于零。因此該方法具有非常小的諧波畸變率，保證了良好的電能質(zhì)量?；贛atlab/Simulink軟件包的仿真結(jié)果表明，該方法在設(shè)定的參數(shù)條件下能在1 s內(nèi)檢測到孤島現(xiàn)象，且對系統(tǒng)具有非常小的影響。

孤島檢測；電流擾動；頻率偏移；無功功率變化

現(xiàn)代化社會中，人們對舒適的建筑熱環(huán)境的追求越來越高，導(dǎo)致建筑采暖和空調(diào)的能耗日益增長。在發(fā)達(dá)國家，建筑用能已占全國總能耗的30%～40%，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展形成了一定的制約作用。為了減少電網(wǎng)用電，減輕公共電網(wǎng)壓力，提出了一種把可再生能源應(yīng)用到建筑上的技術(shù)——BIPV(Building Integrated PV)，即光伏建筑一體化[1]。BIPV技術(shù)是將太陽能發(fā)電(光伏)產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)，是分布式發(fā)電的一種。BIPV將光伏發(fā)電與建筑完美地結(jié)合在一起，很大程度減輕了電網(wǎng)的壓力。然而，BIPV的日益發(fā)展，勢必帶來光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)問題。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)運行，當(dāng)電網(wǎng)由于故障而斷電時，如果不能及時檢測到電網(wǎng)故障，就會出現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)仍向局部電網(wǎng)供電的情形，形成孤島[2]。孤島效應(yīng)危害檢修人員的生命安全和電力系統(tǒng)的安全運行[2]，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)需要一種快速有效的檢測孤島的方法。

孤島檢測方法可分為兩大類：被動檢測和主動檢測。被動檢測中一種基本的方法就是過欠壓、過欠頻檢測法[3]，該方法通過檢測接入點電壓幅值、頻率是否出現(xiàn)異常來判斷孤島是否形成，從而切斷光伏發(fā)電系統(tǒng)，非常實用。但是當(dāng)逆變器輸出功率與負(fù)載功率平衡時，存在檢測盲區(qū)。因此，近年來主動孤島檢測方法變得越來越重要。

主動檢測法中比較有代表性的有輸出功率擾動法[4-5]和頻率偏移法。輸出功率擾動法是通過對逆變器輸出功率的控制，使光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率發(fā)生周期性變化[2]。當(dāng)孤島發(fā)生時，逆變器輸出端電壓由于功率擾動出現(xiàn)電壓變化，從而反應(yīng)出孤島發(fā)生與否。但隨著光伏發(fā)電的發(fā)展，局部電網(wǎng)中光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)目會越來越多，在這種情況下，孤島發(fā)生時功率擾動對逆變器輸出電壓的影響會因相互干擾而變?nèi)酢ｎl率偏移法通過控制逆變器輸出電流的相位、頻率的變化，使接入點電壓相位、頻率跟隨發(fā)生變化，從而形成正反饋過程，最終接入點電壓的頻率超出正常的工作閾值而檢測出孤島的存在[6-7]。然而，頻率偏移法引入的有源擾動對電能質(zhì)量會帶來負(fù)面影響。

針對以上孤島檢測方法的缺點，本文提出了一種q軸電流擾動法，該方法通過引入q軸電流擾動信號，使RLC負(fù)載在電網(wǎng)因故障斷開時產(chǎn)生頻率偏移，從而檢測出孤島。

1 孤島檢測分析

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島檢測原理如圖1所示。正常情況下，光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)同時向負(fù)載供電。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障斷開后，光伏系統(tǒng)獨立向負(fù)載供電。如果光伏逆變器輸出功率和負(fù)載功率近似匹配，如，這時很難檢測到電網(wǎng)斷開故障，從而形成孤島。

圖1 孤島檢測原理

圖1 功率流向關(guān)系為：

實際應(yīng)用中光伏逆變器輸出的功率與負(fù)載功率之間存在一定的偏差，這個偏差可以用負(fù)載來表示。在電網(wǎng)斷開前，這個誤差可以由電網(wǎng)來補償，但當(dāng)電網(wǎng)斷開后，負(fù)載端電壓和頻率將會改變?yōu)楹汀?/p>

由圖1可知，電網(wǎng)斷開前后負(fù)載端頻率分別為：

式(11)就是孤島效應(yīng)的檢測盲區(qū)[8]。

2 q軸電流擾動法

圖2為q軸電流擾動法控制框圖[10]。

圖2 q軸電流擾動法控制框圖

3 仿真分析

孤島檢測控制框圖如圖3所示。在Matlab/Simulink環(huán)境下建立仿真電路圖，對q軸電流擾動法進(jìn)行仿真研究。

圖3 孤島檢測控制框圖

電路圖的具體參數(shù)設(shè)置如下：光伏逆變器的額定功率為10 kW，開關(guān)頻率為10 kHz，并聯(lián)RLC負(fù)載=15.55 Ω，= 19.8 mH，=511.75 μF，負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為2.5，負(fù)載諧振頻率為50 Hz，電網(wǎng)額定相電壓為220 V，電網(wǎng)額定頻率為50 Hz。設(shè)定為10 kW，設(shè)定為0 Var，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4(a)為RLC負(fù)載端有功功率變化和有功功率需求波形圖；圖4(b)為RLC負(fù)載端的頻率波形圖。電網(wǎng)在0.56 s斷開，此時逆變器繼續(xù)向RLC負(fù)載輸送有功功率。1.5 s時，軸電流擾動信號使RLC負(fù)載端頻率脫離檢測盲區(qū)，觸發(fā)孤島保護(hù)，逆變器停止向RLC負(fù)載輸送有功功率。從電網(wǎng)斷開到逆變器停止向RLC負(fù)載輸送有功功率的總時間為0.94 s，滿足IEEE1547規(guī)定2 s的要求。

圖4 q軸電流擾動的仿真結(jié)果

4 結(jié)語

本文提出了一種基于q軸電流擾動的孤島檢測方法，通過理論分析和仿真研究驗證了這種方法的可行性。該方法具有非常小的檢測盲區(qū)，并且在電網(wǎng)下運行，對系統(tǒng)的擾動非常小，具有比較高的電能質(zhì)量，而且一旦產(chǎn)生孤島，q軸電流擾動會使頻率迅速脫離檢測盲區(qū)，直到觸發(fā)孤島保護(hù)。仿真結(jié)果顯示檢測時間小于2 s，并且對電能質(zhì)量幾乎沒有影響，證明了該方法的可行性、快速性和有效性。

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Novel islanding detection method based on q-axis current disturbance

A novel islanding detection method was put forward based on q-axis current disturbance.This method,by introducingq-axis current disturbance,made the RLC load generate frequency offset to detect the island in the case that the power network was disconnected due to certain fault.The introducedq-axis current disturbance was connected with reactive power variation and frequency variation whose values were close to zero when PV system was operated in grid-connected mode.Therefore, the suggested method had the advantage of tiny harmonic distortion and good power quality.The simulation results based on the MATLAB/Simulink software show that the novel islanding detection method could detect the island in 1 second and had little effects on the system under the condition of the set parameters.

island detection;current disturbance;frequency deviation;reactive power variation

TM 307

A

1002-087 X(2016)03-0669-03

2015-08-20

劉劍(1987—)，男，湖南省人，碩士，主要研究方向為建筑供配電。