基于自適應(yīng)有功電流擾動(dòng)的孤島檢測(cè)

丁 浩 魏艷君 漆漢宏 何 宇 郭小強(qiáng)

（燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院 秦皇島 066004）

1 引言

隨著可再生能源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)和利用，越來(lái)越多的綠色能源通過(guò)并網(wǎng)逆變器傳輸?shù)诫娋W(wǎng)上，對(duì)電網(wǎng)和逆變器的安全運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障或因其他原因需停止供電時(shí)，就導(dǎo)致了孤島現(xiàn)象的產(chǎn)生。

所謂孤島現(xiàn)象是指大電網(wǎng)停電后，各個(gè)接入電網(wǎng)的分布式發(fā)電單元未能檢測(cè)到停電現(xiàn)象而仍然持續(xù)向負(fù)載供電，從而與負(fù)載形成一個(gè)公共電網(wǎng)無(wú)法控制的獨(dú)立供電系統(tǒng)[1,2]。孤島發(fā)生后電力公司失去對(duì)公共耦合點(diǎn)電壓和頻率的控制，會(huì)帶來(lái)危害人身安全和造成設(shè)備損害等一系列的安全隱患[3,4]。因此分布式發(fā)電系統(tǒng)在斷網(wǎng)后必須要能及時(shí)檢測(cè)到孤島現(xiàn)象并作出相應(yīng)的孤島保護(hù)[5]。

孤島檢測(cè)方法按照是否對(duì)逆變器的輸出進(jìn)行擾動(dòng)分為被動(dòng)法和主動(dòng)法兩種。一般的被動(dòng)式檢測(cè)法工作原理簡(jiǎn)單、對(duì)電能質(zhì)量無(wú)影響，但存在較大的檢測(cè)盲區(qū)而不單獨(dú)使用，通常作為輔助手段與主動(dòng)法配合應(yīng)用。文獻(xiàn)[6]利用小波法解決了被動(dòng)法存在盲區(qū)的缺點(diǎn)，但算法所用原理復(fù)雜、占控制芯片內(nèi)存較大，難以得到推廣。常用的主動(dòng)式檢測(cè)法有主動(dòng)頻率偏移法（AFD）[7,8]、滑模頻率偏移法（SMS）[9,10]、Sandia 頻率偏移法（SFS）[11,12]、有功功率/有功電流擾動(dòng)法[13-15]和無(wú)功功率/無(wú)功電流擾動(dòng)法[16,17]等。主動(dòng)法由于能減小或消除檢測(cè)盲區(qū)而廣泛應(yīng)用，但人為在逆變器的輸出中加入擾動(dòng)會(huì)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響[18,19]。因此，在無(wú)盲區(qū)的前提下，如何降低主動(dòng)檢測(cè)法對(duì)電網(wǎng)的污染值得深入研究。

主動(dòng)式檢測(cè)方法中，主動(dòng)頻移法[20]和滑模頻移法[10]被廣泛采用。但此類方法存在引入額外的諧波、降低輸出功率因數(shù)的缺點(diǎn)，且其檢測(cè)盲區(qū)是否存在與負(fù)載品質(zhì)因數(shù)有關(guān)。為了克服此類缺點(diǎn)，本文基于有功電流擾動(dòng)對(duì)孤島檢測(cè)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[14]介紹了恒值有功電流擾動(dòng)法，但該方法存在兩個(gè)問(wèn)題:一是只對(duì)負(fù)載匹配時(shí)的情況進(jìn)行了討論，沒(méi)有對(duì)不匹配負(fù)載的情形予以分析，沒(méi)有涉及檢測(cè)盲區(qū)這一方面的問(wèn)題；二是有功擾動(dòng)電流持續(xù)注入，使得逆變器一直處于過(guò)載或欠載運(yùn)行，影響逆變器的壽命或效率。文獻(xiàn)[15]給出了周期性有功電流擾動(dòng)法，即每隔一段時(shí)間擾動(dòng)一次電流，但該方法未對(duì)擾動(dòng)值作量化限制，電流值在擾動(dòng)期間降低了一半，導(dǎo)致采用的擾動(dòng)值過(guò)大，使得逆變器輸出功率的波動(dòng)較大。

本文在已有的有功電流擾動(dòng)的孤島檢測(cè)方法上作了改進(jìn)，提出了自適應(yīng)有功電流擾動(dòng)法。理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)研究表明，所提自適應(yīng)有功電流擾動(dòng)算法正確有效，不存在檢測(cè)盲區(qū)，對(duì)擾動(dòng)時(shí)間和輸出功率的波動(dòng)均有較大程度的減少。

2 自適應(yīng)有功電流擾動(dòng)孤島檢測(cè)方法的原理

并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測(cè)原理如圖1 所示。當(dāng)逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)（相當(dāng)于圖1 的開(kāi)關(guān)S 閉合），PCC 電壓Uabc為電網(wǎng)電壓Ug，其幅值為

圖1 孤島檢測(cè)原理圖Fig.1 Schematic diagram of islanding detection

Um=Ugm，其中Ugm為電網(wǎng)電壓的幅值。

當(dāng)電網(wǎng)斷電，孤島發(fā)生后（相當(dāng)于圖1 的開(kāi)關(guān)S 打開(kāi)），PCC 電壓Uabc由逆變器的輸出電流Iabc和本地RLC 負(fù)載共同決定，其幅值為[14]:Um=IdR，其中Id為Iabc的d 軸分量，即為有功電流。

IEEE Std.929—2000[20]規(guī)定可觸發(fā)孤島檢測(cè)過(guò)/欠電壓保護(hù)（OVP/UVP）的范圍為

在不注入電流擾動(dòng)的情況下，負(fù)載中的電阻值可在孤島發(fā)生后由PCC 電壓幅值Um0和輸出有功電流Id之比得到，即R=Um0/Id。（為了不致混亂，將不加擾動(dòng)時(shí)的PCC 電壓幅值記作Um0）

（1）若Um0≥1.1Ugm或Um0≤0.88Ugm，則不需注入擾動(dòng)即可由OVP/UVP 檢測(cè)到孤島。

（2）若Ugm≤Um0＜1.1Ugm，要能檢測(cè)到孤島，可使PCC 電壓觸發(fā)OVP，所注入的最小擾動(dòng)電流為

（3）若0.88Ugm＜Um0＜Ugm，要能檢測(cè)到孤島，可使PCC 電壓觸發(fā)UVP，所注入的最小擾動(dòng)電流為

根據(jù)式（2）和式（3）繪出Um0在（0.88Ugm,1.1Ugm）范圍時(shí)能觸發(fā)孤島保護(hù)的最小有功擾動(dòng)電流ΔId和Um0的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 能觸發(fā)孤島保護(hù)的最小ΔId和Um0的關(guān)系Fig.2 The relationship between the the minimum ΔIdwhich can trigger islanding protection and Um0

由圖2 可見(jiàn)，孤島發(fā)生后，Um0偏離Ugm越大，需注入有功擾動(dòng)電流絕對(duì)值越小，當(dāng)Um0為1.1Ugm或0.88Ugm時(shí)，無(wú)需注入擾動(dòng)電流。因此，所提方案可根據(jù)無(wú)擾動(dòng)時(shí)段測(cè)得的PCC 電壓幅值自適應(yīng)地加入有功擾動(dòng)電流的大小，孤島檢測(cè)流程如圖3所示。

圖3 孤島檢測(cè)方法流程圖Fig.3 Flow chart of islanding detection method

以上討論的是孤島發(fā)生后如何加入有功擾動(dòng)電流，當(dāng)逆變器并網(wǎng)時(shí)，顯然Um0=Ugm，由圖2 可知，在擾動(dòng)時(shí)段應(yīng)加入的ΔId=0.1Id。

為了更直觀地看清本文提出的方法，圖4a～圖4c 分別對(duì)R=Rm、R=1.05Rm和R=0.95Rm三種情形應(yīng)用此法予以分析。（圖4 中各參數(shù)的取值詳見(jiàn)第3 節(jié)）

圖4 自適應(yīng)有功電流擾動(dòng)方案Fig.4 Adaptive active current disturbance method

由圖4 可以看到，各負(fù)載情形在并網(wǎng)時(shí)所加的有功擾動(dòng)電流是一致的:以ΔId=0 和ΔId=0.1Id不斷作周期更替。而一旦孤島發(fā)生，便能根據(jù)孤島發(fā)生時(shí)刻所在無(wú)擾動(dòng)時(shí)段檢測(cè)到的PCC 電壓幅值Um0和式（2）、式（3）自動(dòng)地加入不同的有功擾動(dòng)電流，從而檢測(cè)到孤島現(xiàn)象。這里需要說(shuō)明的是，即使孤島發(fā)生時(shí)刻比較接近無(wú)擾動(dòng)時(shí)段的末端以致Um0還未達(dá)到穩(wěn)定便已加入了擾動(dòng)電流，孤島也能在此擾動(dòng)時(shí)段檢測(cè)到。這是因?yàn)楣聧u發(fā)生后Um0是從Ugm開(kāi)始上升或下降的，若Um0未達(dá)穩(wěn)定無(wú)擾動(dòng)時(shí)段就已結(jié)束，則檢測(cè)到的Um0要比穩(wěn)定時(shí)更靠近Ugm，由圖2 可知所加擾動(dòng)電流的絕對(duì)值更大，孤島能更快檢測(cè)到。

由于并網(wǎng)時(shí)只有兩個(gè)時(shí)段，即ΔId=0 時(shí)段和ΔId=0.1Id時(shí)段，故孤島發(fā)生時(shí)刻也只能處于這兩個(gè)時(shí)段。圖4 各情形都只考慮了孤島發(fā)生在ΔId=0 的時(shí)段，若其發(fā)生在ΔId=0.1Id時(shí)段，孤島有可能在此時(shí)段便能檢測(cè)到，倘若在此時(shí)段未能檢測(cè)出，那么等到下一個(gè)無(wú)擾動(dòng)時(shí)段獲得Um0后也能在相應(yīng)的電流擾動(dòng)時(shí)段內(nèi)檢測(cè)到孤島。

綜上所述，無(wú)論孤島發(fā)生在何時(shí)刻，此算法都不存在檢測(cè)盲區(qū)。

3 參數(shù)計(jì)算

本文采用軟件鎖相環(huán)（Software Phase Locked Loop，SPLL）獲得PCC 電壓幅值，其調(diào)節(jié)時(shí)間參照文獻(xiàn)[18]設(shè)計(jì)為0.2s。然而實(shí)驗(yàn)時(shí)還必須加入濾波環(huán)節(jié)，否則檢測(cè)出的幅值會(huì)帶有很大的噪聲，本文采用一階低通濾波器進(jìn)行降噪，由于一階低通濾波器有滯后特性，故實(shí)際測(cè)得幅值的調(diào)節(jié)時(shí)間將大于0.2s，為留有一定裕量，圖4 中時(shí)間參數(shù)ΔT可設(shè)置為:ΔT=0.3s。

當(dāng)R略大于Rm且孤島發(fā)生在ΔId=0.1Id時(shí)段時(shí)，本算法檢測(cè)到孤島所花的時(shí)間最長(zhǎng)，如圖5 所示。檢測(cè)時(shí)間按最大算為

可得:T≤1.7s，為留一定裕量，取T=1.6s。

圖5 自適應(yīng)擾動(dòng)法中最長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間情形Fig.5 The longest detection time case of the adaptive disturbance method

將本文所提算法和文獻(xiàn)[14,15]介紹的方法作對(duì)比，列表如下。

表 三種算法的對(duì)比Tab. The comparison of the three algorithms

由上表可知，本文所提自適應(yīng)擾動(dòng)法在不存在檢測(cè)盲區(qū)的同時(shí)能做到對(duì)逆變器輸出的擾動(dòng)更小。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用Matlab/Simulink 對(duì)自適應(yīng)擾動(dòng)的孤島檢測(cè)算法在三相并網(wǎng)逆變器上進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真參數(shù)設(shè)置為:電網(wǎng)的相電壓峰值311V（即Ugm=311V）、頻率50Hz；直流側(cè)母線電壓800V；輸出電流峰值20A（即Id=20A）；濾波電感6mH；開(kāi)關(guān)頻率20kHz；負(fù)載品質(zhì)因數(shù)IEEE Std.1547.1[21]推薦的Qf測(cè)試值為1）；負(fù)載諧振頻率fo=50Hz。此仿真僅對(duì)R=1.05Rm的情形進(jìn)行驗(yàn)證，其他情形見(jiàn)下一節(jié)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真時(shí)設(shè)置逆變器在1.4s 時(shí)脫離電網(wǎng)，仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6 可以看到，由于1.4s 前逆變器處于并網(wǎng)運(yùn)行，PCC 電壓受電網(wǎng)電壓鉗制，其幅值一直穩(wěn)定在1(pu)，有功擾動(dòng)電流以ΔId=0 和ΔId=2A 作更替。在1.4s 斷網(wǎng)后，PCC 電壓將由逆變器的輸出電流和本地負(fù)載共同決定，由于1.9s 前有功擾動(dòng)電流為0，PCC 電壓幅值穩(wěn)定在Um0=1.05(pu)，不能觸發(fā)OVP；至1.9s 時(shí)，無(wú)擾動(dòng)時(shí)段結(jié)束，根據(jù)無(wú)擾動(dòng)時(shí)段的Um0得到ΔId=0.953A，其后PCC 電壓幅值欲穩(wěn)定在1.1(pu)，至2.06s 達(dá)1.1(pu) 時(shí)觸發(fā)OVP，檢測(cè)到孤島，此時(shí)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(shí)現(xiàn)了孤島保護(hù)。整個(gè)孤島檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)為(2.06-1.4)s=0.66s 小于規(guī)定的2s，符合孤島檢測(cè)要求。

圖6 R=1.05Rm時(shí)的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results with R=1.05Rm

本文將所提算法在三相并網(wǎng)逆變器上進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，其主電路和控制原理如圖7 所示。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:電網(wǎng)的相電壓峰值120V（即Ugm=120V）、頻率50Hz；直流側(cè)母線電壓270V；輸出電流峰值5A（即Id=5A）；濾波電感和開(kāi)關(guān)頻率與仿真時(shí)相同?？刂菩酒捎?TI 公司研發(fā)的 TMS320F2812 DSP；三相并聯(lián)RLC 負(fù)載采用北京群菱公司生產(chǎn)的“防孤島試驗(yàn)檢測(cè)裝置”（ACLT—3803H），以實(shí)現(xiàn)三相阻性、感性和容性負(fù)載的自由組合，從而快速配置出品質(zhì)因數(shù)和諧振頻率。實(shí)驗(yàn)中同樣設(shè)置Qf=1、fo=50Hz。本實(shí)驗(yàn)分別對(duì)R=Rm、R=1.05Rm和R=0.95Rm三種情形進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖7 孤島檢測(cè)主電路及控制策略Fig.7 Main circuit and control strategy for islanding detection

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results

實(shí)驗(yàn)中，為保證在過(guò)電壓/欠電壓檢測(cè)臨界點(diǎn)上的可靠性，所加干擾電流設(shè)置為理論值的1.02 倍。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，各情形所加的有功擾動(dòng)電流與圖4 中相應(yīng)的情形相一致，各電壓幅值曲線也符合前面的理論分析，從而驗(yàn)證了所提算法的正確性和優(yōu)越性。

5 結(jié)論

本文在恒值和周期性電流擾動(dòng)方法的基礎(chǔ)上提出了一種基于自適應(yīng)有功電流擾動(dòng)的孤島檢測(cè)算法，該算法通過(guò)無(wú)擾動(dòng)時(shí)段檢測(cè)到的PCC 電壓幅值能自適應(yīng)地加入觸發(fā)孤島保護(hù)的最小有功擾動(dòng)電流，從而在孤島發(fā)生后檢測(cè)到孤島。所提算法克服了頻率偏移法存在引入額外的諧波、降低輸出功率因數(shù)的缺點(diǎn)；克服了恒值有功電流擾動(dòng)法存在檢測(cè)盲區(qū)和始終注入擾動(dòng)的缺陷；較之周期性有功電流擾動(dòng)法，該算法在擾動(dòng)時(shí)間和并網(wǎng)時(shí)對(duì)輸出功率波動(dòng)上有了進(jìn)一步的降低。最后所做的仿真和模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出算法的正確性和優(yōu)越性。

逆變器并網(wǎng)時(shí)的輸出功率波動(dòng)是基于有功電流擾動(dòng)的孤島檢測(cè)方法不可避免的問(wèn)題，本文算法能夠自適應(yīng)地加入觸發(fā)孤島保護(hù)的最小有功擾動(dòng)電流，將輸出功率的波動(dòng)降到最低；另一方面，針對(duì)不可控微源，額外添加能量管理控制系統(tǒng)，配備蓄電池來(lái)儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)電能是一種合理有效的解決方法[23]。然而額外加入能量管理電路需投入更多的資金，控制算法也會(huì)變得復(fù)雜。

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