一種改進型光伏并網(wǎng)逆變器孤島檢測方法研究

袁 精，趙清林，張純江，郭小強

（燕山大學電氣工程學院，秦皇島 066004）

一種改進型光伏并網(wǎng)逆變器孤島檢測方法研究

袁 精，趙清林，張純江，郭小強

（燕山大學電氣工程學院，秦皇島 066004）

孤島檢測是光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)運行的重要功能之一，為了實現(xiàn)快速準確的孤島檢測，同時減小對電能質(zhì)量的影響，提出一種改進型主動式孤島檢測方法，即周期性正負相位偏移法。首先建立了加入正/負偏移相位后逆變器在孤島運行時公共耦合點電壓的角頻率與負載品質(zhì)因數(shù)、負載諧振角頻率及所加偏移相位之間的函數(shù)關(guān)系；然后設計了消除檢測盲區(qū)的正/負相位偏移參數(shù)，確保提出的方法對電能質(zhì)量影響很小；最后在IEEE Std.929-2000標準中規(guī)定的最惡劣情況下進行了仿真和實驗研究。實驗結(jié)果驗證了提出方法的有效性。

光伏并網(wǎng)逆變器；孤島檢測；檢測盲區(qū)；品質(zhì)因數(shù)

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展，大量光伏系統(tǒng)通過逆變器接入電網(wǎng)，兩者的相互影響日益凸顯[1]，其中孤島檢測是光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)運行時必須解決的關(guān)鍵問題之一[2]。孤島現(xiàn)象是指當電力系統(tǒng)因故障停止供電時，各接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)未能檢測到停電現(xiàn)象而繼續(xù)向本地負載提供有功和無功功率的現(xiàn)象[3-4]。孤島發(fā)生后電力公司失去對公共耦合點電壓和頻率的控制，會帶來一系列的安全隱患問題，如危害人身安全和造成設備損害[5-6]。因此光伏系統(tǒng)作為一個安全可靠的并網(wǎng)發(fā)電設備,必須能快速準確檢測出孤島狀態(tài)來避免其引起危害。

孤島檢測方法主要有被動檢測和主動檢測兩種[7-8]。被動檢測方法有過/欠壓、過/欠頻、相位跳變、主要變量的變化率、諧波檢測等，其特點為工作原理簡單、對電能質(zhì)量無影響，但存在較大的檢測盲區(qū)而不單獨使用，通常作為輔助手段與主動檢測法配合應用[9]；主動式檢測方法是向逆變器輸出注入擾動，電網(wǎng)一旦發(fā)生故障，注入擾動將快速累積并超出規(guī)定范圍，從而觸發(fā)檢測電路，進行相應的孤島保護。主動檢測方法包括有功/無功功率擾動法[10-11]、主動頻率偏移 AFD（active frequency drift）法[12-14]、sandia頻率偏移法[15]、滑模頻率偏移 SMS（slip-mode frequency shift）法[16-17]、阻抗測量法等[18]，其優(yōu)點在于能夠減小或消除檢測盲區(qū)、縮短檢測時間，但引入的擾動會對電能質(zhì)量帶來負面影響。相位偏移法屬于主動檢測法，可通過引入一定的相位偏移，使得孤島后公共耦合點PCC（point of common coupling）頻率超出頻率保護閾值；或可通過正反饋使得頻率隨之增大或減小，最終觸發(fā)頻率異常保護。其中，主動移相式孤島檢測方法、滑模頻率偏移法僅能夠消除特定負載品質(zhì)因數(shù)下的檢測盲區(qū)[19]。

因此，本文提出了一種能夠真正消除檢測盲區(qū)且?guī)缀醪粫绊戨娔苜|(zhì)量的孤島檢測方案。若采用持續(xù)的相位偏移法，在孤島發(fā)生時有可能使得PCC電壓的頻率超出正常范圍，從而判斷出孤島的發(fā)生，然而相位偏移方法仍然存在以下兩個問題：①相位的持續(xù)偏移會對電能質(zhì)量造成一定的影響；②孤島若原本能被過/欠頻 OFP/UFP（over-frequency protection under frequency protection）的方法檢測出來，但由于相位的偏移擾動，可能會導致PCC電壓的頻率進入檢測盲區(qū)，反而檢測不出孤島的發(fā)生，即這種方法在消除原有檢測盲區(qū)的同時會帶來新的檢測盲區(qū)。鑒于此，本文提出周期性的正負相位偏移法。首先，由于間隔一段時間才進行相位偏移，故對電能質(zhì)量的影響較一般的主動方法顯然要小很多。另外，處于OFP/UFP檢測盲區(qū)內(nèi)的孤島，可在正/負相位偏移的時間段內(nèi)檢測出來，而處于OFP/UFP檢測盲區(qū)外的孤島，在不進行相位偏移的時間段內(nèi)就可檢測出，即此法可做到消除檢測盲區(qū)。

1 孤島檢測原理分析

1.1 加入相位偏移后光伏逆變器在孤島時的角頻率

本文三相并網(wǎng)逆變器工作在電流控制模式，單位功率因數(shù)輸出狀態(tài)，假若三相光伏系統(tǒng)中未加入孤島檢測環(huán)節(jié)，故光伏系統(tǒng)穩(wěn)定時的輸出電流為

式中，Im和θ分別為輸出電流的幅值和a相相位。

相位偏移法就是通過改變指令電流，在輸出電流的相位中加入很小的偏移相位Δθ。則穩(wěn)定時期望輸出電流為

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的孤島檢測原理如圖1所示。開關(guān)S閉合三相光伏逆變器并網(wǎng)運行時，PCC電壓受電網(wǎng)電壓鉗制而保持不變，理想情況下有

式中，Ugm和ωg分別為電網(wǎng)電壓的幅值和角頻率。

當開關(guān)S打開，電網(wǎng)斷電，孤島發(fā)生，PCC電壓由逆變器的輸出電流和本地負載共同決定，即

式中：Z為負載的阻抗；ω0為輸出電流的角頻率。

由于負載采用RLC并聯(lián)形式，故有

負載Z的模值及其相角的計算公式為

式中，Qf和ωr分別為負載的品質(zhì)因數(shù)和諧振頻率，具體表達式為

圖1 孤島檢測原理Fig.1 Schematic diagram of islanding detection

令 Um=ImR，由式（4）和式（6）可得

由于光伏系統(tǒng)內(nèi)部鎖相環(huán)PLL（phase-locked loop）的不斷調(diào)整，由式（8）知，當所加的偏移相位與負載的相角相等時，光伏系統(tǒng)會達到一個新的穩(wěn)態(tài)工作點。此時有

解式（9）可得孤島運行時 PCC 電壓的 ω0、Δθ、Qr與ωr的關(guān)系為

1.2 正/負偏移相位的計算

1.2.1 孤島發(fā)生在檢測盲區(qū)內(nèi)

根據(jù)IEEE Std.929-2000標準可知，孤島發(fā)生后，PCC電壓角頻率的檢測盲區(qū)為

式中：fmin=49.3 Hz；fmax=50.5 Hz。

若要檢測出孤島的發(fā)生，必須使ω0超出檢測盲區(qū)。顯然，將ω0在一段時間內(nèi)擴大為原來的fmax/fg=1.01 倍（fg表示電網(wǎng)頻率，fg=50 Hz）、另一段時間內(nèi)縮小為原來的fmin/fg=0.986，能使ω0超出檢測盲區(qū)的范圍，從而達到OFP/UFP，最終檢測出孤島。

不加偏移相位時，Δθ=0，ω0=ωr。 若所加的正向偏移相位為 Δθ+，根據(jù)式（11）可知，此時 PCC電壓的角頻率為

若使加入正向偏移相位后的ω0為不加時的1.01倍，則

解式（13）得

若所加的負向無功擾動電流相移為Δθ-，使加入負向偏移相位后的ω為不加時的0.986時，可求得

由IEEE Std.929-2000標準知，Qf的推薦值為2.5，代入式（14）和式（15）得

則加入正負偏移相位后，光伏逆變器并網(wǎng)時的輸出功率因數(shù)為

可見，加入正/負相位偏移后，光伏逆變器幾乎仍是單位功率因數(shù)輸出，對電能質(zhì)量的影響可忽略。

1.2.2 孤島發(fā)生在檢測盲區(qū)外

在孤島發(fā)生在檢測盲區(qū)外時，PCC電壓的角頻率穩(wěn)定后會超出式（11）所示的范圍，故不需相位偏移即可通過OFP/UFP檢測出孤島的發(fā)生。

2 周期性正/負偏移相位的具體實施

圖2 周期性加入的正、負偏移相位ΔθFig.2 Positive and negative deviation phases Δθ added periodically

當孤島發(fā)生在檢測盲區(qū)內(nèi)時，需要加入正負偏移相位來檢測出孤島；當孤島發(fā)生在檢測盲區(qū)外時，不需加入偏移相位即可檢測出孤島。周期性地加入正負偏移相位可消除檢測盲區(qū)。具體實施如下：當加入正/負偏移相位后，PCC電壓的頻率約在2T（T為電網(wǎng)周期）時達穩(wěn)定[20]，為留一定的裕量，加入正/負偏移相位的時間可均設置為3T，擾動的周期設為30 T，所加的偏移相位如圖2所示。

3 仿真與實驗驗證

采用Matlab/Simulink對提出的方法進行仿真研究，根據(jù)IEEE Std.929-2000標準中定義的最惡劣情況進行驗證。參數(shù)設置如下：三相電網(wǎng)電壓為380 V/50 Hz，直流母線電壓為800 V；光伏逆變器額定功率為9 kW，單位功率因數(shù)輸出，Qf=2.5、ωr=50 Hz，R=16.13 Ω、L=20.54 mH、C=493.25 μF；并網(wǎng)濾波電感為6 mH；開關(guān)頻率為20 kHz。孤島發(fā)生在0.2 s（情況 1）和 0.4 s（情況 2）時的仿真結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 情況1的仿真波形Fig.3 Simulation waveforms of case 1

圖4 情況2的仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of case 2

由仿真結(jié)果可以看到：當孤島發(fā)生時，Δθ=0，PCC電壓的頻率f為諧振頻率50 Hz，處于檢測盲區(qū)。在t=0.3 s（或0.6 s）時加入負（或正）偏移相位，f逐漸縮小到原來的0.986（或增大到原來的1.01倍），為 49.3 Hz（或 50.5 Hz），達到 UFP（或 OFP），檢測到孤島。此時逆變器的輸出電流突降為0，逆變器停止工作，PCC電壓此后不斷減小，直至為0，從而實現(xiàn)了孤島保護。兩種情況的檢測時長分別為0.342-0.200=0.142 s和0.633-0.500=0.133 s， 均遠遠小于規(guī)定的2 s，實現(xiàn)了快速有效的孤島檢測。

為驗證提出方案的有效性，在三相并網(wǎng)逆變器實驗樣機上進行了實驗。實驗參數(shù)為：電網(wǎng)電壓單相峰值140 V、頻率50 Hz；直流側(cè)母線電壓350 V；輸出電流5 A；三相RLC負載采用ACLT-3803H設備模擬，其中Qf=2.5，實驗結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，孤島發(fā)生時Δθ=0，即此時未加入相位偏移，同時，由于斷網(wǎng)時刻光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的有功和無功功率與負載需求相匹配，使得PCC處電壓幅值和頻率在斷網(wǎng)前后并未發(fā)生變化。當加入負向相位偏移后，如圖5（a）所示f逐漸縮小到原來的 0.986，為 49.3 Hz，達到 UFP，檢測到孤島；同理，如圖5（b）所示，加入的正向相位偏移同樣可迅速檢測到孤島發(fā)生。兩種情況的檢測時長分別為232 ms和241 ms，低于IEEE Std.929-2000標準中規(guī)定2 s的標準，實現(xiàn)了快速有效的孤島檢測。

圖5 Qf=2.5時的實驗結(jié)果Fig.5 Experimental results with Qf=2.5

4 結(jié)語

本文提出一種改進型孤島檢測方法。在IEEE Std.929-2000標準規(guī)定最惡劣情況進行了仿真和實驗驗證，研究結(jié)果表明，當周期性加入正/負偏移相位分別為0.050 rad和-0.070 4 rad時，不僅能保證光伏逆變器單位功率因數(shù)輸出，而且可以消除檢測盲區(qū)。實驗結(jié)果驗證了提出的方法能夠?qū)崿F(xiàn)快速有效的孤島檢測。

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袁精

袁精（1989－），女，碩士，助理實驗師，研究方向：電力電子功率變換與控制、新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)，E-mail：yuanjing@ysu.edu.cn。

趙清林（1969－），男，中國電源學會高級會員，博士，教授，研究方向：高頻開關(guān)電源及軟開關(guān)技術(shù)，逆變電源控制技術(shù)，E-mail：powerzql@ysu.edu.cn。

張純江（1961－），男，中國電源學會高級會員，博士，教授，研究方向：分布式發(fā)電系統(tǒng)，電力電子高頻功率變換，逆變電源及并聯(lián)控制等，E-mail：zhangcj@ysu.edu.cn。

郭小強（1979－），男，通信作者，博士，教授，研究方向：新能源發(fā)電技術(shù)和微電網(wǎng)運行控制，E-mail：gxq@ysu.edu.cn。

Research on An Improved Islanding Detection Method for Photovoltaic Grid-connected Inverters

YUAN Jing,ZHAO Qinglin,ZHANG Chunjiang,Guo Xiaoqiang
（School of Electrical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China）

Islanding detection is one of the important functions of photovoltaic grid-connected inverter system.In order to achieve rapid and accurate islanding detection,and reduce the impact on the power quality,an improved active islanding detection method was proposed in the paper.Firstly,the functional relationships between the angular frequency and load quality factor of the common coupling point voltage,and between the load resonant angular frequency and the offset phase were established when adding the positive/negative offset phase in the island.Then,the positive/negative phase shift parameters for eliminate non-detection zones（NDZ） was designed to ensure that the proposed method have little impact on power quality.Finally,the simulation and experimental studies are carried out in the most severe cases specified in the IEEE std.929-2000 standard.The experimental results verify the effectiveness of the proposed method.

photovoltaic grid-connected inverters;islanding detection;non-detection zones;load quality factor

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.56

TM615

A

2017-07-29；

2017-10-10

國家自然科學基金資助項目（51477148）；河北省引進留學人員資助項目（CL201622）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51477148）;Science Foundation for Returned Scholars of Hebei Province（CL201622）