间歇性双边无功功率扰动孤岛检测策略

张 俊，沈国桥，胡长生，徐德鸿

（浙江大学 电气工程学院，杭州 310027）

引言

当公共电网发生故障时，分布式电源与电网脱离，独立向本地负载供电，这种运行状态称为孤岛[1]。孤岛的发生一般是不可预知的，需要及时检测并启动保护，否则后果十分严重，对用电设备、分布式电源和人身安全均构成威胁，因此必须采取一定的措施检测出孤岛状态。相关国际标准和中国国家标准对分布式并网发电系统的孤岛检测也提出了要求[2-4]。

孤岛检测的方法很多，大致可以分为三类：(1)内部被动孤岛检测方法；(2)内部主动孤岛检测方法；(3)外部检测方法。被动孤岛检测方法是最基本的，也是其他检测方法的基础，主要包括过/欠压(OVP/UVP)和超/欠频(OFP/UFP)两种。主动孤岛检测方法通过对逆变器的输出引入扰动，促使孤岛发生时公共耦合点的电压或频率超出限定范围，从而检测出孤岛。其中，无功扰动的主动检测方法可以消除非检测区(NDZ)，实现方便，所以倍受关注。文献[5]介绍了一种持续无功扰动方法，但是没有给出扰动参数的设计方法。文献[6]从孤岛暂态过程的相关计算出发，设计了持续无功扰动方法，但是只适用于特定的锁相环和并网控制方法。

本文分析了并网逆变器输出含无功时的孤岛非检测区，并在此基础上提出一种间歇性双边无功功率扰动的孤岛检测方法。

1 并网逆变器输出无功时孤岛的分析

图1 所示为孤岛检测电路示意图，网侧断路器用来模拟孤岛的发生，本地负载采用并联RLC形式。正常并网运行时，公共耦合点(PCC)电压等于电网电压VG，角频率为电网角频率ω。当逆变器运行于孤岛模式时，PCC电压等于逆变器输出电流与本地负载阻抗的乘积。考察PCC电压幅值和频率，当其超出一定范围时则可以认为孤岛发生。

正常并网运行模式时，PCC电压为VG，角频率为ω，由功率平衡得：

式中：P，Q为逆变器输出有功、无功功率；ΔP，ΔQ为电网提供的有功、无功功率；PLoad，QLoad为负载的有功、无功功率。而由RLC负载特性可以计算给出：

图1 孤岛检测原理示意图

当外电网故障断路器分闸，即发生孤岛时，设PCC电压为V'PCC，角频率为ω'，此时负载的有功、无功功率为：

假定并网逆变器采用恒功率控制模式，孤岛发生前后逆变器输出有功、无功功率保持不变。即

联立以上各式，可以得到孤岛运行时的PCC电压和角频率分别为：

其中，Qf为并联RLC负载的品质因数，定义为

2 间歇性双边无功功率扰动的孤岛检测方法(IB-RPV)

式(6)给出了孤岛运行时的角频率，设国标规定的电网允许角频率范围为[ωmin，ωmax]，于是可以求得OFP/UFP检测的非检测区(NDZ)为：

可见逆变器输出无功功率不同时，OFP/UFP检测的NDZ也不同。如果控制逆变器的输出无功功率为不同大小的无功组合，则最终的NDZ为各输出无功时对应的OFP/UFP检测法NDZ的交集，合理设计输出无功组合可以使该交集为空集，从而消除NDZ，这就是无功功率扰动孤岛检测方法的实现原理。

逆变器输出含无功功率会致使逆变器输出功率因数下降。为了减小无功扰动对功率因数的影响，可以对逆变器输出无功进行间歇性的扰动。图2给出间歇性双边无功功率扰动方法，其中正扰动幅值为 Qdis(Qdis＞0)，负扰动幅值为-Qdis。

图2 间歇性双边无功功率扰动示意图

令Z+为输出无功为Qdis时OFP/UFP检测法的NDZ，Z-为输出无功为-Qdis时OFP/UFP检测法的NDZ，Z0为输出无功为0时OFP/UFP检测法NDZ，则IB-RPV检测方法的最终非检测区为三者的交集，即

根据式(8)，可以分别写出 Z+，Z-，Z0的具体表达式依次为：

为了消除最终的NDZ，希望交集Z为空集，可以求得扰动幅值应该满足

按照国标的要求

计算得到扰动幅值需要满足Qdis≥5%P。图3给出的是扰动幅值Qdis≥5%P时的孤岛NDZ，由式(10)、(11)、(12) 得到的三种不同无功功率 5%P，-5%P，0时OFP/UFP检测法NDZ如图中所示，可以看出三者之间不存在交集，说明应用无功功率扰动孤岛检测法，最终NDZ被消除。但是若扰动幅值Qdis<5%P，则无法消除最终的NDZ，图4表示的是扰动幅值为Qdis≥4%P时的孤岛NDZ。从图中可以看出，三种不同无功功率4%P，-4%P，0时OFP/UFP检测法NDZ对应的区域之间存在交叠区，因为无功功率扰动的幅值太小。

图3 扰动幅值为5%P时的NDZ(NDZ消除)

图4 扰动幅值为4%P时的NDZ(NDZ未消除)

3 实验验证

为了验证提出的孤岛检测方法，搭建了恒功率控制的三相并网逆变器，其主电路及控制原理如图5所示，断路器用来模拟孤岛的发生。

图5 三相并网逆变器电路拓扑及控制方法

主要电路参数为：滤波电感L1A=L1B=L1C=L2A=L2B=L2C=750 μH，滤波电容 CA=CB=CC=20 μH，直流电压Vdc=400 V，采用DQ控制和SVPWM调制策略。本地RLC负载中的电阻和电感采用Y型接法，电容采用Δ型接法。电阻R=5 Ω，并网逆变器输出有功功率为P=5.7 kW，与负载有功功率相匹配。实验选用的L，C如表1所示，RLC负载品质因数固定为Qf=2.55。

表1 实验中选用的L和C数值

图6 所示为L=6.23 mH，C=540 μF时孤岛发生前后的实验波形，逆变器输出无功功率为Q=285 VA，输出有功功率为P=5.7 kW。CH1为PCC电压，由于逆变器输出有功功率与负载功率匹配，所以在孤岛发生后PCC电压不变；CH2为逆变器输出电流；CH3为频率变化，发生孤岛后频率由50 Hz变为50.67 Hz，由式(6)理论计算结果为50.60 Hz，两者相近；CH4为孤岛发生信号，即当t=0.48 s时，断路器分闸，孤岛发生。

图6 孤岛发生前后的实验波形

图7 所示为L=6.23 mH，C=540 μF，无功功率扰动幅值Qdis=5%P=285 VA，正负扰动时间为160 ms，扰动周期为2 s时的孤岛发生和检测实验结果。CH1为PCC电压；CH2为逆变器输出无功功率；CH3为孤岛检测标志信号，2.5 s时检测出孤岛发生，同时关机；CH4为孤岛发生信号，即当t=0.65 s时，断路器分闸，孤岛发生。从实验结果可以看出，检测时间为1.85 s，满足孤岛检测时间要求，测得正常并网运行时功率因数为0.996。按照Qdis=5%P=285 VA的无功功率扰动幅值进行孤岛实验，选用的五组RLC负载情况下孤岛均被成功检测。

图7 孤岛检测实验结果(无功扰动幅值Qdis=5%P)

4 结论

本文分析了孤岛运行模式下的电压和频率与逆变器输出有功功率、无功功率之间的关系式，推导了逆变器输出无功功率时频率检测法的非检测区。针对间歇性双边无功功率扰动孤岛检测方法，分析了消除非检测区的扰动幅值要求。最后进行实验验证，结果表明提出的检测方法满足孤岛检测的要求，对并网功率因数的影响很小。

[1]IEA PVPS.Evaluation of islanding detection methods for photovoltaic utility-interactive power systems[R].Report IEA PVPS T5-09:2002,September 7,2006.

[2]IEEE Recommended Practice forUtility Interface of Photovoltaic (PV)Systems[S].IEEE Standard 929-2000,Apr.2000.

[3]IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems[S].IEEE Standard 1547-2003,Jul.2003.

[4]GB/T 19939-2005.光伏系统并网技术要求 [S].2005年11月.

[5]J B Jeong,H J Kim,K S Ahn,et al.A novel method for anti-islanding using reactive power[C].in Proc.27th INTELEC,2005:101-106.

[6]G H Choe,H S Ki,H G.Kim,et al.The characteristic analysis of grid frequency variation under islanding mode for utility interactive PV system with reactive power variation scheme for anti-islanding[C].in Proc.37th IEEE PESC,2006:1-5.