基于OVR/OUR与电流扰动结合的并网孤岛检测

申书霞，于少娟，刘立群，胡伟

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024）

基于OVR/OUR与电流扰动结合的并网孤岛检测

申书霞，于少娟，刘立群，胡伟

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024）

孤岛检测是目前在分布式并网发电系统研究中的难点之一。大电网要求分布式并网系统必须拥有良好的反孤岛能力，从而保证整个系统的良好稳定运行。本文提出了加入电流扰动的主动检测用以消除常用的OVR/OUR检测方法存在的检测盲区。该方法不会对电网的频率产生影响，也不会向电网注入谐波，尤其克服了常用的OVR/OUR检测方法在逆变器输出功率和负载功率相匹配时检测失效的缺陷，可达到无盲区检测，并用仿真验证了其正确性。

孤岛检测;OVR/OUR;主动电流扰动;分布式发电

在广泛应用的分布式发电系统中，光伏、风能和燃料电池等新型能源，经过电力电子变换装置后并入大电网。这其中并网逆变器是新能源和大电网之间的接口，其主要的作用是进行电能的变换和电能质量的控制［1-2］。

孤岛检测是在并网逆变器的各项技术指标中必不可少的功能。因为孤岛的发生会影响电力系统运行的稳定性，造成设备的损坏，重合闸的失败，严重时危害检修人员的人身安全，所以系统必须快速的检测出孤岛，在限定时间内从电网切除并停止供电。

本文在分析了经常使用的OVR/OUR检测方法的基础上结合主动电流扰动法来检测孤岛，从而使得逆变器输出电流幅值周期性的发生改变，此方法在单台逆变器运行时无检测盲区，而且不对电网注入谐波污染。

1 孤岛检测

孤岛由国际IEEE Std.929-2000的标准可定义为:当大电网由于电气故障或自然因素等其他原因使供电中断时，并网发电系统依然向周围所带的负载提供电能，因而形成电力公司无法控制的自给供电的孤岛现象。针对孤岛效应的检测，并网要求规定并网逆变器在大电网断电后需要在2 s内检测出来。

1.1 孤岛检测分析

孤岛检测分为远程和本地两大类［3-4］。远程检测方法主要是基于通信检测，因其投资较大所以应用较少。本地检测方法又分为被动检测方法和主动检测方法，被动检测方法都存在一定的缺点，如基本的过/欠电压(OVR/OUR)，过/欠频检测方法存在较大的检测盲区，电压谐波检测法的阈值难以选取，相位突变检测法在负载为纯阻性或功率因数为1时检测失效［5-6］。

针对解决被动检测功率平衡时检测失效的缺点，主动检测应运而生［7］。此方法是需要应用加入的干扰打破孤岛运行时电网和负载之间的功率平衡，以检测出孤岛［8］。常用的方法有文献［9］提出的主动频率偏移法，文献［10］提出的基于谐波畸变率正反馈的孤岛检测法，文献［11］提出的基于谐波畸变率正反馈的孤岛检测法和文献［12］提出的主动移相式孤岛检测法等。这些方法在一定程度上都给电网注入了谐波，而本文采用的OVR/OUR和主动电流扰动结合的方法不对电网注入谐波。

1.2 孤岛检测建模

孤岛检测的电路如图1所示，正常情况下，分布式并网系统和电网同时向负载提供电能。当电网出现故障断开后，光伏并网系统将独立向负载提供电能，此时如果输出的功率和负载需求的功率近似匹配，则公共节点PCC的电压幅值Um和频率f仍将会维持在正常运行范围内(0.88＜Um＜1.1(标幺值，下同)，49.5 Hz＜f＜50.5 Hz)，从而形成电网不可控制的孤岛。

图1 孤岛检测原理图Fig.1 Schematic diagram of island detection

网络连接开关CB合上后，设P+jQ为并网逆变器发出的功率，PL+jQL为负载所需要消耗的功率，△P=PL-P和△Q=QL-Q为电网需要提供的功率，然后检测公共节点PCC处的电压幅值和相位的变化情况，判断其值是否超出设定的阈值范围。

2 OVR/OUR与主动电流扰动

工程上应用较多的OVR/OUR方法虽然较为简单、经济，但是存在较大的检测盲区。因此结合主动电流法减小盲区，实现无盲区检测。

2.1 OVR/OUR检测

常用的OVR/OUR检测原理是检测PCC点处的电压的幅值U是否超出设定范围。一般设定电压最小值为U1=88%U0、电压最大值U2=110%U0，其中U0为标准点的电压值。

在理想运行条件下，孤岛现象出现时可认为逆变器的输出电流不会因为孤岛的出现而发生变化。同样由于锁相环的作用使PCC点的电压与逆变器输出的电流之间存在的相位差φ也不会发生变化，可得下式:

其中，I0、φ0分别是在孤岛效应运行时I、φ的值。并网逆变器正常运行时一般要求其相位差为0，则有下式:

在正常运行时，逆变器的电流如下式:

逆变器侧的负载值R如下:

其中，U0是正常工作时PCC点处的电压。当孤岛效应发生并逐步形成稳态后，PCC点的电压U可表示为下式:

联立以上式子可得:

由以上式子能够得出，只要在孤岛效应发生之前有功功率变化量△P的值不为0，则公共点处电压的幅值就会随△P的值发生变化，从而可检测出孤岛，仿真波形如图2所示。

可见在负载功率大于或者小于逆变器输出波形的情况下OVR/OUR都可根据电压的幅值是否越限检测出孤岛。但是当等于0时，公共点处的电压幅值将不会发生变化。此时OVR/OUR检测失效，系统的自我检测机制失去效用。仿真结果如图3所示。

因此当△P等于0时，逆变器输出功率和负载功率匹配OVR/OUR检测失效，形成了不可检测的盲区。对此加入主动电流扰动以消除其检测的盲区。

图2 功率不平衡时OVR/OUR检测仿真波形Fig.2 OVR/OUR simulation waveform under power unbalance

图3 功率平衡时OVR/OUR检测仿真波形Fig.3 OVR/OUR simulation waveform under power balance

2.2 主动电流扰动检测方法原理分析

对逆变器加入电流干扰的控制过程如图4所示:

图4 主动电流扰动法孤岛检测系统图Fig.4 System diagram of active electric current perturbation method

并网逆变器在工作时对电流控制参考信号的选取通常使用电网电压信号或与其同频同相的正弦信号，则有:

式中，ωiL、φiL和ωvg、φvg分为逆变器输出电流和电网电压的角频率和相位。

采用电流干扰即在参考电流的基础上加入干扰信号，则参考信号为:

式中，ig为加入干扰前的参考信号，igi为加入的干扰信号，igd为加入干扰后的参考信号。

在正常运行时，PCC处的电压vPCC是电网的电压。如逆变器输出与负载消耗的功率相等，电网断电后，则PCC点处的电压幅值将不变，此时会导致孤岛发生。而在注入电流干扰后，电网断电时，PCC点处的电压幅值将由逆变器的输出电流igd和本地负载Z共同决定:

vPCC的值在原来基础上增加了igiZ的压降，将超出欠电压保护设定的阈值范围，从而即使在功率匹配的情况下也可以将孤岛检测出来。

3 仿真分析

为了弥补OVR/OUR检测方法在功率平衡时检测失效的缺陷，验证主动电流扰动法的有效性。在参考电流ig中加入电流扰动igi后控制逆变器的电流输出，Matlab/Simulink中建立的仿真模型如图5所示。

在0.4 s内以每次2个工频周期的时间对逆变器的电流波形进行干扰，扰动后的波形如图6所示，可见此扰动使得其波形输出为正常时幅值的一半。

设置电网0.5 s时断电，这时电网为刚过干扰，从而可测试出所需检出孤岛的最长时间。在不同负载条件下的仿真如图7所示。

由图7(a)可看出当负载功率大时，电网断电后因为逆变器输出功率小使得点的电压幅值降低，进而检测出孤岛。由图7(b)可看出当负载功率小时，电网断电后因为逆变器输出功率大使得点的电压幅值升高，可检测出孤岛。由图7(c)可看出当负载功率等于逆变器输出功率时，电网断电后由于负载功率和逆变器输出功率相等，点的电压由原来的不会发生变化导致系统发生孤岛运行，变为由于注入电流的缘故使系统在扰动到来的0.7 s时检测出孤岛。

图5 电流干扰法仿真图Fig.5 Simulation diagram of current interference method

图6 逆变器电流波形Fig.6 Current waveform of inverter

从仿真结果图7(c)可以看出在功率平衡情况下，电网0.5 s断电后逆变器可在0.7 s检测到孤岛方法，从而弥补了如图3在OVR/OUR方法下检测失败的缺点。故两者结合后，在负载功率与输出功率不匹配时，采用OVR/OUR被动方法检测，在负载功率与输出功率匹配时，通过引入电流扰动打破平衡状态实现检测。以被动检测与主动检测相结合的设计，实现在不对电网注入谐波的情况下完成不同功率的快速孤岛检测。

4 结论

图7 主动电流扰动法仿真波形Fig.7 Simulation waveform of active electric current perturbation method

OVR/OUR孤岛检测方法因为其简易性便、经济性在实际工程中得到了广泛的应用。分析了OVR/OUR检测方法的检测原理及其具体的检测盲区，之后提出了结合主动电流扰动法，使得逆变器的输出电流在每个0.4 s的周期里有两个工频周期的电流减少一半，这样可以在各种情况下快速地检测出孤岛。为了验证主动电流扰动法，本文采用Matlab做了仿真实验。从仿真结果中可以看出在负载功率和逆变器输出功率平衡的最坏情况下，也可以检测出孤岛，最长在时间为0.7 s，完全符合我国孤岛检测标准所规定的2 s的检测时间。同时也不向电网注入谐波污染，不会影响电网的频率，从而达到无盲区检测。

［1］杨秋霞，赵清林，郭小强.三相光伏并网逆变器电流扰动孤岛检测建模及分析［J］.电力系统自动化，2012(4):45-49.

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［11］马静，米超，王增平.基于谐波畸变率正反馈的孤岛检测新方法［J］.电力系统自动化，2012，36(1):47-50.

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Island Detection Based on OVR/OUR and Current Disturbing Combination of Grid-Connected System

SHEN Shu-xia，YU Shao-juan，LIU Li-qun，HU Wei
(School of Electronic Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

Island detection is one of the difficult problems in distributed generation research.Power grid requires that a distributed grid system must have a good ability of anti-island to ensure the stable operation of the whole system.In this study，the current amplitude disturbing was used to eliminate the blind area by OVR/OUR island detection method.This method would not affect the frequency of grid or have harmonic injection to grid，and could overcome the shortcoming that OVR/OUR island detection fails to work when the output of inverter matches load power.This method can reach non-blind detection.Simulation has proved the correctness of this method.

islanding detection，OVR/OUR，current disturbing，distributed generation

TM464

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.03.010

1673-2057(2015)03-0208-05

2014-11-24

太原科技大学校博科技研究启动资金(20122033);山西省高校教改项目(J2011130，J2013064);同洲电子科技创新基金(TZ201323)

申书霞(1987-)，女，硕士研究生，主要研究方向为双模式逆变器控制及孤岛检测;通讯作者:于少娟，教授，E-mail:yushao71@yeah.net