一種改進的頻率正反饋無功電流擾動孤島檢測研究*

鮑曉婷，陳永強，張超，張金剛，余飛鴻

(西華大學 電氣與電子信息學院，成都 610039)

0 引 言

中國“十三五”以來，國家提出要將綠色發(fā)展、節(jié)能環(huán)保作為未來能源和電力發(fā)展的主基調(diào)，并著手大力發(fā)展清潔可再生能源，而光伏發(fā)電是清潔能源的主要來源，在各項光伏政策的支持下，我國光伏發(fā)電市場繼續(xù)保持快速發(fā)展。2017年光伏發(fā)電市場規(guī)?？焖贁U大，新增裝機53.06 GW，同比增加18.52 GW，增速高達53.62%，再次刷新歷史高位，遙遙領(lǐng)先于其他可再生能源；預計到2020年底，中國光伏發(fā)電累計裝機將有望達到250 GW。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具備的較高的光伏電能利用率對并網(wǎng)的技術(shù)要求也同樣高，因此在并網(wǎng)工作時必須確保系統(tǒng)維修人員的安全以及并網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運行。

孤島效應指：在含分布式電源的發(fā)電系統(tǒng)中，當電網(wǎng)因故障或停電維修跳閘時，在負荷側(cè)的分布式電源未能及時檢測出故障從而將自身從電力系統(tǒng)中切除，因此形成了電力公司無法控制的局部系統(tǒng)。孤島期間線路仍然帶電，孤島運行將會影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，危害電力檢修人員的安全，在開斷電路時可能對電力裝置造成損壞[1-2]。因此研究孤島檢測方法，將孤島產(chǎn)生的危害降到最低十分重要[3]。

針對光伏并網(wǎng)孤島檢測技術(shù)，國內(nèi)外學者進行了豐富的研討。文獻[4-5]提出了孤島檢測的主要方法。文獻[6]介紹了被動檢測方法，通常該檢測盲區(qū)較大，通常和主動檢測方法結(jié)合采用。主動孤島檢測方法更為實用，文獻[7-8]提出的主動移頻法是通過向并網(wǎng)電流參考值中注入頻率擾動量進行檢測，文獻[9]提出的滑模頻移法通過向并網(wǎng)電流參考值中注入相位擾動量進行檢測，這些擾動在并網(wǎng)運行期間由于大電網(wǎng)的存在幾乎不起作用，而在孤島運行期間擾動量將逐步增大，進而檢測出孤島。

本文針對目前三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中孤島檢測方法存在的問題，對傳統(tǒng)無功電流擾動孤島檢測方法進行了改進。首先對傳統(tǒng)無功電流擾動工作原理進行了分析，為驗證改進的無功電流擾動孤島檢測控制策略的可行性和有效性，在Matlab/Simulink仿真軟件中搭建了無功電流擾動的仿真模型，實現(xiàn)了快速有效地無盲區(qū)孤島檢測，對電能質(zhì)量的輸出影響較小，具有一定的孤島運行保護能力。

1 孤島檢測原理

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可知：

(1)

由式(1)得，當Pload=P，Qload=Q時，電網(wǎng)側(cè)對負載端的有功功率和無功功率都為0，當電網(wǎng)由于故障斷開斷路器連接，系統(tǒng)的功率平衡并未因孤島的發(fā)生而改變，其PCC點電壓與電流大體不變，將形成只有光伏陣列與負載端構(gòu)成的孤島運行的自給型供電。而當電網(wǎng)對本地負載功率不為零時，在斷路器斷開時，PCC處的電壓和頻率會根據(jù)電網(wǎng)所提供功率的大小發(fā)生變化。IEEE std.929-2000規(guī)定了孤島檢測時間標準，如表1所示[10]。

2 頻率正反饋無功電流擾動法基本原理

三相孤島檢測無功擾動法包含分別針對恒功率控制和恒電流控制的無功功率擾動和無功電流擾動的兩種方法[11-12]。本文針對恒電流控制的逆變器只討論無功電流擾動法。該無功電流擾動方法在dq軸坐標系下，使得公共耦合點(PCC)電壓的幅值和頻率超出閾值，并判斷孤島效應的發(fā)生。本文的并網(wǎng)逆變器在恒電流控制下，輸出功率因數(shù)為1，則輸出的無功和有功功率分別為：

表1 IEEE std. 929-2000規(guī)定的孤島檢測時間

(2)

如果電網(wǎng)電壓為理想正弦波時，則ugq=0，得:

(3)

本地RLC負載上的有功和無功功率分別為:

(4)

U為公共點電壓有效位電網(wǎng)，斷開后系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時，逆變器輸出的功率全部被負載吸收，滿足：

(5)

負載的諧振頻率fLC和品質(zhì)因數(shù)Qf分別為:

(6)

將式(6)代入式(5)可得：

(7)

由式(7)可知，當id為定值擾動iq時，PCC點電壓頻率將會發(fā)生偏移，超過一定的閾值將觸發(fā)過/欠頻保護，即產(chǎn)生孤島現(xiàn)象。

由式(2)、式(3)可知，系統(tǒng)無功功率的輸出與公共點電壓頻率的關(guān)系是：

(8)

式中f為進入孤島運行后的PCC點頻率；f0為負載的諧振頻率。

無功電流的擾動只需使PCC點電壓頻率變化超過正負0.5 Hz,添加的無功擾動量非常小，因此式(8)中的平方項可忽略不計，則式(9)可改為：

(9)

由(9)可知，不同的Qf值，對應的PCC點電壓頻率fi、有功電流和無功電流之間的關(guān)系如圖2所示[13]，由圖可知，在49.2至50.6 Hz之間，fi與id/iq的比值呈線性關(guān)系。從圖中可看出，當id/iq=1%時的孤島運行，此時Qf越大，系統(tǒng)中的功率平衡越不容易破壞。在孤島檢測方法的研究中，品質(zhì)因數(shù)Q≤2.5，通常考慮品質(zhì)因數(shù)Q=2.5即在RLC負載最差情況下，電能質(zhì)量及系統(tǒng)穩(wěn)定性最差。

圖2 不同M值下id/iq與頻率f的關(guān)系

電網(wǎng)正常運行時，負載端的無功功率由電網(wǎng)提供，逆變器的有功功率因數(shù)輸出為1，無功功率輸出為0。電網(wǎng)因故障無法繼續(xù)工作，負載端的無功功率將跟隨系統(tǒng)輸出的無功功率的增加而增加，此時PCC電壓的頻率也發(fā)生變化，通過頻率正反饋加快無功電流增大的速度，使得頻率快速超出孤島運行范圍[14]。

3 三相無功電流擾動-頻率正反饋法

3.1 傳統(tǒng)孤島檢測方法原理

取PCC電壓頻率與電網(wǎng)額定頻率之差作為無功電流擾動量，在擾動量中引入頻率正反饋系數(shù)，提高檢測速度的同時降低對電網(wǎng)的負面影響。當電網(wǎng)正常運行時，由于電網(wǎng)電壓對系統(tǒng)的限制作用，PCC點電壓頻率不隨擾動的加入發(fā)生變化，PCC電壓頻率與電網(wǎng)額定頻率之差幾乎為零。當發(fā)生孤島運行現(xiàn)象時，在頻率正反饋的作用下，PCC點電壓頻率迅速偏離其閾值，即檢測出孤島。其控制框圖如圖3所示，表達式為：

(10)

圖3 三相無功電流擾動-頻率正反饋

3.2 改進的孤島檢測方法原理

本文改進了頻率前饋正反饋擾動法。根據(jù)負載的情況，可以把擾動量分為以下幾種情況：

(1)如果U0≤0.88Ugm或U0≥1.1Ugm，此時不需要加入擾動電流，孤島發(fā)生以后，通過系統(tǒng)內(nèi)的過/欠壓保護即可檢測到孤島。

(2)判定PCC點電壓正向過零后，加入無功電流擾動量，該擾動分為周期性擾動量iq1和正反饋擾動量iq2。并網(wǎng)運行時，對系統(tǒng)施加周期性擾動量iq1，此時由于大電網(wǎng)的存在，PCC點電壓頻率不發(fā)生變化；進入孤島運行后，由于iq1的擾動作用，使PCC點頻率偏移到一定的區(qū)間范圍，當PCC點電壓頻率與電網(wǎng)額定頻率差滿足大于等于0.1時，頻率正反饋擾動量使無功電流擾動量更大，加速PCC電壓頻率的偏移，更快地實現(xiàn)孤島保護。

(3)為防止系統(tǒng)電壓頻繁波動造成的負面影響，在電網(wǎng)故障以后，隨時跟蹤檢測PCC點電壓，PCC點電壓的頻繁連續(xù)的超出范圍將會影響孤島效應的判斷，為防止電壓不正常波動的誤判，計算PCC點電壓由于電壓不穩(wěn)定造成的連續(xù)越限周期，超過5個周期，需檢查系統(tǒng)運行，在一定程度上避免了由于電壓非正常波動引起的孤島保護誤動作。

(4)圖4為周期性擾動的方法，采用周期性雙向擾動，對電能質(zhì)量及功率因數(shù)的負面影響更小。

圖4 周期性無功擾動量擾動方法

無功電流擾動函數(shù)如下：

(11)

(12)

(13)

式中 sign為符號函數(shù);k0為周期性擾動系數(shù);k1為正反饋擾動系數(shù);n為正反饋擾動次數(shù);h為當前第n次擾動，符號函數(shù)sign(f-fg)的引入能夠?qū)崟r改變無功電流擾動的方向，進而克服負載端對單一方向擾動的平衡。

3.3 改進算法的優(yōu)點

改進的無功電流擾動方法在雙向擾動時，為減少對電能質(zhì)量造成的影響，無功擾動量極小，當進入單向擾動并進行疊加時，根據(jù)式(9)，即使負載品質(zhì)因數(shù)Qf很大，系統(tǒng)的擾動量也可通過正反饋加速偏離正常值，達到系統(tǒng)頻率所需的擾動幅值，因此改進方法較容易實現(xiàn)無盲區(qū)孤島檢測。取前n個周期f-fg的絕對值之和作為頻率正反饋量，有效防止因電網(wǎng)誤擾動引起的孤島誤判，使擾動量以最初的擾動方向?qū)CC點頻率定向擾動，精準快速實現(xiàn)孤島保護。改進后的無功電流擾動，孤島檢測的作用時間更短，算法的有效性得到了提高。

4 仿真驗證

本文利用Matlab/Simulink仿真軟件對改進方法進行了仿真研究。

仿真模型(圖5)主要包括主電路、逆變器控制回路和孤島檢測部分。本文通過S-Function函數(shù)實現(xiàn)對模塊的孤島檢測。仿真情況針對最差情況選取，直流輸入電壓700 V，電網(wǎng)相電壓220 V，額定頻率50 Hz；采用RL諧振濾波，濾波電感1 mH；采用并聯(lián)RLC負載，R=15.55 Ω，L=19.8 mH，C=511.75 μF。逆變器開關(guān)采樣頻率fs=20 Hz，并網(wǎng)逆變器采用

IGBT/Diodes器件。改進算法參數(shù)如下：每經(jīng)過T=0.2 s的周期，向逆變器的輸出電流添加Ts=0.02 s的周期性無功擾動電流，由式(8)和圖2知，為使在孤島發(fā)生后頻率偏移超過0.1 Hz進入正反饋孤島檢測階段，理論上k1可以取0.01，在運行中根據(jù)檢測誤差和電流輸出誤差，可適當增大擾動系數(shù)，適當增大正反饋擾動參數(shù)能有效減小盲區(qū)，但是k值過大會導致較大的電流畸變，本文周期性擾動系數(shù)k1=0.02，正反饋擾動系數(shù)k2=0.6，此時的檢測效率高，且對THD的影響小。

設(shè)電網(wǎng)在第一個擾動周期結(jié)束時刻即t=0.12 s斷開網(wǎng)側(cè)供電。圖6、圖7別給出了采用傳統(tǒng)無功電流擾動方法式(10)和改進無功電流擾動方法式(12)的檢測算法下的逆變器輸出電壓、電流及頻率。

圖5 系統(tǒng)主電路模型

圖6 無功電流擾動孤島檢測方法運行狀況

圖7 改進的無功電流擾動孤島檢測方法運行狀況

由圖可知，傳統(tǒng)無功電流擾動法在t=0.12 s時斷開網(wǎng)側(cè)供電，t=0.33 s時，孤島保護動作，逆變器停止工作，孤島檢測時間為0.21 s，改進的無功電流擾動擾動法如圖7所示，同樣在t=0.12 s是斷開網(wǎng)側(cè)供電，t=0.27 s即實現(xiàn)孤島保護動作，改進的無功電流擾動法在檢測速度上實現(xiàn)了提高，檢測時間也滿足IEEE std，仿真結(jié)果驗證了改進的三相并網(wǎng)逆變器孤島檢測方法的可行性和有效性。本文對幾種孤島檢測方法進行對比分析，如表2所示。

表2 不同孤島檢測方法仿真時間對比

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)無功電流擾動方法存在的不足，本文給出了改進的無功電流擾動孤島檢測的原理、實現(xiàn)方法，實驗驗證了該方法能在快速檢測出孤島，實現(xiàn)檢測無盲區(qū)，不影響電能質(zhì)量的穩(wěn)定性，對電流諧波的影響較小，能降低孤島檢測時對電網(wǎng)造成的不良危害。