光伏并网系统中的新型孤岛检测方法

龚会茹， 易灵芝， 沈建飞， 潘元勇

(湘潭大学信息工程学院， 湘潭 411105)

光伏并网系统中的新型孤岛检测方法

龚会茹， 易灵芝， 沈建飞， 潘元勇

(湘潭大学信息工程学院， 湘潭 411105)

光伏并网系统中产生孤岛时，不仅对设备造成破坏，而且危及维修人员的安全。传统的定期电流幅值变化(PCMV)检测方法需要加入备用的主动扰动才能得出相关因子Cf，降低了检测的速度，直接影响了并网电能质量，针对上述问题，提出一种新型的基于电流扰动的孤岛检测方法。此方法通过检测逆变器输出电压Vinv和电流扰动率K计算出相关因子Cf，比较Cf与阈值来判断是否发生了孤岛效应。对3 kW光伏逆变器进行仿真研究和实验，仿真和实验结果验证了该方法的可行性，检测时间短，具有一定的工程应用价值。

光伏； 孤岛检测； 定期电流幅值变化； 电流扰动； 相关因子

孤岛效应是光伏并网发电普遍存在的问题，光伏并网发电系统处于孤岛运行状态时会产生非常严重的后果，如对负载端用户的设备造成损坏；孤岛线路危及检修人员的人身安全；在重新合闸前没有消除孤岛效应也将会导致不同步并网[1～3]。

传统的孤岛检测分为被动式检测和主动式检测，被动式孤岛检测是利用孤岛运行时逆变器输出端电压、频率和相位不稳定而进行的检测主动式检测方法是通过控制逆变器，使其输出功率、频率或相位存在一定的扰动[1，4～6]。

为能快速检测及最大限度地降低检测方法对电能质量的影响，并能判别是孤岛现象与电网电压异常偏离，本文提出一种基于电流扰动的孤岛检测方法，利用当孤岛发生时逆变器输出电压和添加电流扰动的相互关系产生相关因子，比较其相关因子后设定阈值，比较相关因子与阈值大小，高于阈值时判断发生了孤岛，并且电网电压异常偏离时相关因子为负值，由此与孤岛现象区分开。新型电流扰动的有功功率由直流侧电容器缓冲，不会影响光伏发电系统最大功率跟踪的有功功率。针对传统的PCMV孤岛检测方法[7]相比，该检测方法可很容易得到相关因子，并且具有快速孤岛检测能力、高可靠性，能够区分孤岛现象与电网电压的异常偏离，提高了光伏发电系统的安全性和可靠性。

1 光伏并网孤岛效应的分析

孤岛效应的检测和防止一般是通过检测并网系统输出端电压幅值和频率实现的。通常在电网断开时，如果光伏并网系统输出功率和电网需求功率之间不平衡时，会引起光伏系统输出电压幅值或频率发生很大改变，这时通过电网电压的过/欠压保护以及过/欠频率保护来检测电网电压断电，从而防止孤岛效应。然而，当负载消耗的有功功率和无功功率与光伏系统提供的功率相差非常小时，并网系统附近市电电网的电压和频率变动量很小而不足以被检测到的时候，通过被动的方法检测孤岛效应就会变得很难[8～10]。孤岛现象分析结构图如图1所示。

图1 孤岛现象分析结构

图中选用带有普遍性的电阻R、电容C和电感L并联作为该系统的负载，A点为光伏系统和电网的连接点。

此时负载阻抗为

Z=|Z|∠φ

(1)

当断路器闭合，光伏并网系统正常工作时：此时光伏系统向A点提供的功率为P+jQ，负载得到的有功功率和无功功率分别为

Pload=U2/R

(2)

Qload=U2/(1/ωL-ωC)

(3)

由电网向负载提供的有功功率和无功功率分别为

ΔP=P-Pload

(4)

ΔQ=Q-Qload

(5)

式中：U和ω分别为负载电压和角频率；P和Q分别为光伏电池输出的有功功率和无功功率；Pload和Qload分别为负载的有功功率和无功功率；ΔP和ΔQ分别为光伏电源和负载之间的功率偏差。

当孤岛效应发生时，断路器断开，从式(2)可以看出，如果光伏系统产生的有功功率和负载消耗的有功功率不匹配，公共点的电压U将会增加或者减小，直到达到新的平衡状态即P=Pload，从式(3)可以看出，如果负载消耗的无功功率不变，当U发生变化时，频率也会发生变化。一般情况下，光伏系统只输出有功功率，负载消耗的无功功率由电网提供，当孤岛现象发生时Qload=0，则有

1/ωL-ωC=0

(6)

若U或f改变足够大，就可通过电压或频率检测到电网异常情况从而切断与电网的电气连接，否则仅依靠电压或频率检测无法得知电网异常情况，系统继续以并网方式运行，即进入检测盲区。

2 新型电流扰动孤岛检测法

孤岛检测主动式主要集中在扰动逆变器的输出，使其在孤岛状态下相关电参量不断偏移直至触发相应的保护。逆变器输出电流的表达式为

Iinv=Imsin(ωt+φ)

(7)

由此可得可施加扰动的量有：电流幅值Im、电流频率f、电流相位φ，以此产生了基于幅值的扰动、基于频率的扰动、基于相位的扰动。本文采用基于幅值扰动的电流扰动检测方法的方法。

2.1 新型电流扰动孤岛检测法的原理

该方法基于孤岛发生时电流的周期性变化，然后通过计算电流扰动偏差和逆变器输出电压产生的相关因子。利用光伏系统并网时，逆变器输出电压是受电网电源控制的，与电流扰动的相关性很弱，孤岛发生时，逆变器的输出电压与电流扰动有很强的相关性。所以，可以用输出电压与电流扰动产生的相关因子，比较其与阈值的大小，高于阈值时，判断孤岛发生，添加的电流扰动不会影响光伏阵列的最大功率跟踪的有功功率，其扰动产生的有功功率由直流侧的电容器缓冲。所以定义相关因子为

(8)

ΔVinv,rms[t]=Vinv,rms[t]-Vinv,rms[t-1]

ΔK[t]=K[t]-K[t-1]

式中：Cf为相关因子；N为计算相关因子的观测周期；Vinv,rms为逆变器输出电压有效值；ΔVinv,rms为逆变器输出电压有效值偏差；K为额定电流时的扰动率，K=10%Iinv；ΔK为电流扰动率偏差。

新型电流扰动的孤岛检测方法的光伏并网系统框图如图2所示。其中，光伏阵列采用60块组件，输出电压为30 V，经过Boost升压电路和全桥PWM逆变器之后得到220 V/50 Hz的交流电，与电网同频同相时并网。当电网电源因故障断网时引起逆变器端输出电压升高或降低，高于1.1Vinv或低于0.88Vinv时添加电流扰动，在每6个电源周期扰动逆变器输出电流一次，采用K=10%Iinv的扰动率扰动，直流侧电流没有被扰动。

图2 新型电流扰动孤岛检测法的光伏并网系统

电流扰动原理如图3所示，其中Vde_ref为直流侧电压的参考值，为使逆变后得到220 V的交流电压，这里设为390 V，Vdc为直流侧电压，Vinv为逆变器输出电压，Iinv_ref为逆变器输出电流的参考值，Iinv为逆变器输出电流。

图3 电流扰动原理

模块的输入信号为直流侧参考电压、直流侧电压、逆变器输出电压和电流、电流扰动，模块的输出为PWM的触发脉冲信号，控制开关管的开和关的时间，使电压有效值能增加或减小。

根据式(8)，单相光伏逆变系统的主要工作波形见图4。孤岛检测时间应小于0.5 s，当前扰动周期设置为12，它包含模式1和模式2两个阶段。模式1中的6个周期加入具有相同扰动率为K的电流扰动，连贯的扰动使平均输出功率等于逆变器额定功率，模式2中的6个周期没有加入扰动。

图4 单相光伏逆变系统的主要工作波形

在图4中，从上至下依次为：电网电压有效值波形、逆变器输出电压有效值波形、逆变器输出电压有效值偏差波形、扰动率K、扰动率偏差ΔK，逆变器输出电流瞬时值波形、相关因子Cf。从图中可以看出当tlt;t0时，逆变器输出电压被电网电压保持，Cf理想值为0，在电网阻抗非常弱的条件下，由于电网电源和逆变器输出电压计算的相关因子可能超过阈值，在电网电源低阻抗不变情况下t=t0没有电流扰动时在实际负载的平衡作用下逆变器输出电压仍然不发生变化，直到t=t1时刻，于是相关因子Cf仍然是0。孤岛发生在t=t0时刻，孤岛发生时流向电网的功率为0即ΔP=0，ΔQ=0。在t=t1时刻，逆变器的电流开始以扰动率为K被扰动，之后逆变器输出电压随电流扰动使相关因子增加。当相关因子Cf高于阈值时，逆变器证实孤岛产生并在t=tx时跳闸。

2.2 阈值计算

通过计算逆变器输出电压得到相关因子求得适当的阈值。

最能判定孤岛检测能力时，负载配置要求是品质因数为0、1、2.5、3。品质因数为0时，负载R、L、C分别为R=16.13 Ω、L=1.7 H、C=0 μF；品质因数为1时，负载分别为R=16.13 Ω、L=42.8 mH、C=164 μF；品质因数分别为2.5时，负载为R=16.13 Ω、L=17.1 mH、C=411 μF；品质因数为3时，负载分别为R=16.13 Ω、L=15.12 mH、C=523 μF。

R、L、C必须满足

(9)

基于电流节点的原理分析可得

(10)

(11)

式中：Vinv为逆变器输出电压；Iinv为逆变器输出电流，通过式(10)和式(11)，可计算得逆变器输出电压和电流，在模式1下品质因数为0时计算出逆变器输出电压，最大预期相关因子定义Cf为

(12)

在第二种和第三种情况下，孤岛产生后逆变器输出电压可以通过解微分方程(14)得

(13)

(14)

由式(14)得到，相关因子在品质因数为1、2.5和3情况下分别为3.28、0.98和1.56。在仿真研究中阈值设为0.98，取最低点，高于阈值即为孤岛产生。仿真研究中通过多组品质因数和相关因子的数值关系可以验证阈值0.98选取的正确性。

在电网骤升/骤降情况下，相关因子可减小到一定负值，可在仿真研究和实验中得到验证。

2.3 电流扰动对光伏阵列MPPT的影响

直流侧电压的偏差可以反映电流扰动对光伏最大功率输出的影响，依据

(15)

(16)

可以分析一个周期的平均直流电压偏差值，从直流侧电压390 V能计算出的直流侧电压降低为3 V，这对220 V的交流电没有影响，对最大功率输出没有影响。其中，

3 仿真研究和实验验证

3.1 仿真研究

采用Matlab进行仿真研究。光伏逆变器额定功率为3 kW，额定输出电压有效值为220 V，额定输出电流有效值为13.6 A，电网电压为220 V/50 Hz，直流侧电容为4 700 μF。设置电网在0.5 s断电由光伏系统单独向负载供电，发生孤岛现象，分别对品质因数为0、1、2.5、3下进行仿真研究。新型电流扰动的孤岛检测方法仿真模型见图5。

图5 新型电流扰动的孤岛检测仿真模型

新型电流扰动的孤岛检测方法流程见图6，它包括由锁相环过零、定期电流扰动、相关因子计算和决策过程。

该方法工作时，对公共点A点(见图1)电压进行采样后，判断A点电压是否为0，当A点电压为0时，电流扰动对逆变器端输出电流进行扰动，这是逆变器输出的电压和扰动的电流有很强的相关性，产生相关因子，并计算，如果这时的相关因子大于阈值则可以判断孤岛产生。

图6 新型电流扰动的孤岛检测方法流程

图7和图8示出新型电流扰动孤岛检测方法的仿真结果。

(a) 并网时逆变器输出电压

(b) 0.5 s断网后逆变器输出电压

(c) 0.5 s断开电网电压

(a) 品质因数0时的Cf

(b) 品质因数1时的Cf

(c) 品质因数2.5时的Cf

(d) 品质因数3时的Cf

(e) 品质因数与相关因子的关系

仿真结果分析如下。

图7(a)表示光伏并网时逆变器输出电压波形，稳定在220 V，正常稳定运行；图(b)表示在0.5 s时电网断开后逆变器端电压降至192 V，低于0.88Vinv；图(c)中Vgrid为电网侧输出电压，表示在0.5 s时电网断开后电网端的电压为0。

图8(a)～(d)中为新型电流扰动检测方法在品质因数为0、1、2.5、3时的模拟结果，可以看出孤岛发生在0.5 s，在此之前逆变器电流没有被扰动，电压没有偏差，相关因子仍然是0，在0.5 s后电流

扰动开始，相关因子开始增长，孤岛产生后逆变器输出电压由于负载的配置不同，最大的相关因子也是不同的，负载的品质因数较高，孤岛产生后相关因子会得到一个较低的值，在图8 (e)可以看出在不同品质因数下产生的相关因子的关系图，在品质因数2.5附近取多个值，得到的相关因子均大于在2.5时的相关因子，在2.5时得到一个最低点0.98，之后开始增加，仿真结果验证了第2.3节中相关因子阈值取0.98的合理性。

仿真结果表明该孤岛检测方法检测时间为12个周期0.2 s，比PCMV电流检测时间短，并且远低于标准所规定120个周期2.4 s的时间，说明了该方法具有很好的快速性。

当电网电压骤升/降时，可能会造成伪孤岛现象，造成误判，新型电流扰动孤岛检测法可区分这两种现象，图9为电网电压骤升/降时仿真结果。

(a) 电网电压在0.5 s和0.7 s之间骤升

(b) 电网电压在0.5 s和0.7 s之间骤降

(c) 电网电压骤升/降时的Cf

图9(a)(b)表示没有电流扰动时电网电压骤升/降的仿真结果，从中可以看出在0.5 s时电压骤升到242 V或者是骤降到193 V，这时可以通过相关因子为0来判断没有电流扰动。在0.7 s时电压降到或者回升到220 V时电流扰动开始增加，这时相关因子输出是一个为-0.7，从图9(c)中可以看出相关因子的变化。因此，这种方法还能够区分孤岛现象和电网电压的异常偏离以防止启动孤岛保护措施。

3.2 实验验证

本文进一步根据图5进行了实验验证。通过stc单片机采用30 MHz晶振产生50 Hz、220 V工频电压，控制该电压使其幅值可变、频率可变，负载品质因数为0和2.5，使用Gwinstek GDS-2102示波器生成波形如图10所示。

(a) 逆变器端输出的电压波形

(b) 品质因数为0时的Cf

(c) 品质因数为2.5时的Cf

(d) 电网骤升/降时的Cf

图10(a)表示光伏并网系统孤岛发生时逆变器输出的电压波形，由图可知，出现孤岛时，A点的电压明显减小；图10(b)表示负载品质因数为0时的相关因子的变化波形，0.5 s断网时相关因子开始快速累积，0.7 s时达到高峰，图10(c)表示负载品质因数为2.5时的相关因子的变化波形，峰值变小，这时得到阈值从而验证了此时选取阈值的合理性，图10(d)表示电网电压骤升/降的时得到的相关因子实验图波形，可以看出0.7 s时得到的相关因子为-0.7，所以可以区分孤岛现象和电网电压的异常偏离以防止启动孤岛保护措施。

实验结果和仿真研究结果相吻合，从而也验证了该方法的可行性。

4 结论

针对传统的PCMV孤岛检测方法需要加备用的主动扰动产生相互关系以得到相关因子的缺点，提出通过对逆变器输出电压的幅值周期性新型电流扰动，得到相关因子的检测方法，通过比较相关因子得出阈值，高于阈值时判断产生了孤岛。以该方法建立了3 kW光伏逆变器的仿真研究和stc单片机实验研究。算法简单并且检测时间符合国际孤岛检测的时间标准，添加的电流扰动不会影响最大功率跟踪的有功功率，还能够区分孤岛现象和电网电压的异常偏离。

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龚会茹(1986-)，女，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。Email:397318691@qq.com

易灵芝(1966-)，女，教授，研究方向为交流调速与电力电子装置、新能源发电技术等。Email:450337856@qq.com

沈建飞(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为电气工程。Email:739155589@qq.com

NewIslandDetectionMethodofPVGrid-ConnectedSystem

GONG Hui-ru， YI Ling-zhi， SHEN Jian-fei， PAN Yuan-yong

(College of Information Engineering，Xiangtan University， Xiangtan 411105， China)

The island occurrence in photovoltaic (PV) grid-connected system will not only damage the equipments, but also endanger the life safety of people. The traditional periodic current magnitude variation (PCMV) detection method requires adding alternate active disturbance to draw the correlation factor, which reduces the detection speed and has a direct impact on the quality of electric power grid. In order to solve the above problem, a kind of novel islanding detection method is proposed based on the current disturbance. This method detects the output voltage and current disturbance of the inverter, calculates the correlation factor, and then compares the correlation factors with threshold value to judge whether the island effect occurs. In this paper, 3kW photovoltaic inverter is used to both simulation and experiments. The results verify the feasibility of the method, which has the short testing time and a certain application value.

photovoltaic power (PV)； island effect； periodic current magnitude variation (PCMV)； current disturbance； correlation factor

TM615

A

1003-8930(2012)01-0059-07

2011-10-17；

2011-11-29

国家自然科学基金资助项目(50977080)；教育部教育研究课题(2009-ZX-052)；湖南省科技厅项目(2010FJ3116)；湖南省教育厅重点项目(10A114)；湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目“太阳能光伏并网系统中的孤岛监测”资助。