基于电压相角正反馈法的主动式光伏并网孤岛检测



基于电压相角正反馈法的主动式光伏并网孤岛检测

房俊龙1，杨平平1，傅瑜1，王晓峰1，刘国亮1，王冠男2

（1.东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨150030；2.国家电网大庆供电公司，黑龙江大庆163000）

摘要：针对分布式并网发电系统孤岛效应问题，研究一种基于逆变器端的光伏发电系统的主动式孤岛检测方法。将公共连接点（PCC）处的电压相角变化作为试验检测方法中的反馈量。在孤岛发生时，有效打破逆变器输出和负载之间的功率平衡，通过检测逆变器输出电压、频率变化，快速判断孤岛的发生。根据UL 1741标准中的技术规范，通过MATLAB软件对仿真模型进行分析，并与传统被动式孤岛检测方法比较，验证此方法的有效性和适用性。

关键词：孤岛检测；并网逆变器；电压相角；光伏发电

网络出版时间2015-3-13 15:20:00

[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150313.1520.001.html

房俊龙,杨平平,傅瑜,等.基于电压相角正反馈法的主动式光伏并网孤岛检测[J].东北农业大学学报, 2015, 46(3): 103-108.

Fang Junlong, Yang Pingping, Fu Yu, et al. Active islanding detection method for photovoltaic grid-connected inverters based on voltage phase angle with positive feedback[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2015, 46(3): 103-108. (in Chinese with English abstract)

Active islanding detection method for photovoltaic grid-connected

inverters based on voltage phase angle with positive feedback

/FANG

Junlong1, YANG Pingping1, FU Yu1, WANG Xiaofeng1, LIU Guoliang1, WANG Guannan2

（1. School of Electrical and Information, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 2. Daqing Power Supply Company of State Grid, Daqing Heilongjiang 163000,China)

Abstract:The islanding effect of distributed grid-connected generation was picked as the research topic. A new method was studied for the active islanding detection of an inverter based in PV system. The variation of voltage phase angle at PCC was used as a feedback in the proposed method. It could break the balance of the output power match between inverters and loads. It identified the islands fast through detecting the changes of inverter output voltage and frequency. The simulating module was analyzed as the technique standards in the UL 1741 by MATLAB, and compared with traditional passive islanding detection method. The validity and practicability was confirmed through the emulated model.

Key words:islanding detection; grid-connected converter; voltage phase angle; photovoltaic power

随着光伏并网发电系统发展，产生一系列问题，孤岛效应就是其中之一。所谓孤岛现象是指当电网因故障或停电维修而停止供电时，用户端的并网逆变器仍处于工作状态，使并网逆变器和周围的负载形成一个电力公司无法控制的自供电网络。在孤岛情况下造成损害设备，影响电能质量等。因此，研究孤岛检测方法及保护措施，把孤岛产生的危害降至最低具有重要现实意义[1-2]。

现有的基于逆变器端的孤岛检测方法主要有被动检测法和主动检测法[3-4]，被动检测法有过压/欠压保护（OVP/UVP），过/欠频保护（OFP/UFP）电压谐波检测，相位跳变检测（PJD）等，主要检测逆变器输出端一个或多个参数的变化进行孤岛检测，该方法无需添加额外设备，实现简单成本低，不影响输出电能质量，但检测盲区较大。主动检测法[5-7]需要对逆变器中的某个参数注入干扰信号，通过检测相关参数变化判断孤岛是否发生，典型方法有：主动频率偏移法、阻抗测量法、sandiad电压偏移法、滑膜频率偏移法等，主动检测法虽然检测盲区较小，但实现方法复杂，对电能质量影响较大[8]。

本文提出在孤岛发生后有功功率和无功功率将随光伏发电系统电压相角（σ）变化而立即改变的新主动检测法。已有学者运用有功和无功功率扰动，破坏系统参数稳定的检测方法。而在本文中提出的方法使用基于光伏并网逆变器的电压相角作为反馈信号改变功率参考值，在光伏并网逆变器与电网相连的模式下，产生的有功和无功功率不变，电压相角变化极小，可忽略不计。用该方法注入功率的干扰不大，在非孤岛情况下，如负载开关、电压变化和网络中的其他变化也不会引起错误检测。因此，这种方法对电能质量不利影响可忽略不计，且该方法实现简单。在孤岛发生情况下，电压和频率会有所不同，该方法能在足够时间内，以在电压相角改变促使特征参数偏移，检测到孤岛发生。

1　孤岛检测系统建模及其控制方案

光伏并网发电系统结构如图1所示，由光伏阵列和逆变器组成，通过断路器连接到电网。通常情况下光伏阵列可以等效为一个直流电源经并网逆变器与电网相连，公共连接点为PCC，电源系统的建模等效为一个电压源与一个阻抗简单模型，负载选取RLC并联方式，能模拟孤岛检测过程中大多数问题。

图1　光伏并网发电系统结构Fig. 1　Grid-connected PV system

根据UL 1741相关标准[9]，负载谐振频率接近约50 Hz，因此，RLC负载消耗的实际功率在单位功率因数。

负载功率和并网发电系统输出功率之间无显著功率失配。也就是IEEE Std929—2000规定[10]的最严重孤岛状况，在孤岛发生时，基于IEEE 1547，负载参数计算为：

本文光伏并网发电系统采用电流和功率控制器[11-13]。控制方案如图2所示。

并网逆变器控制是在d-q同步旋转坐标系下完成的，设逆变器侧电流转换到d-q坐标系下的d-q轴分量分别为id和iq，那么输出到电网的瞬时有功功率和无功功率分别表示为：

图2　并网逆变器控制策略Fig. 2　Control strategy for grid-connected inverter

电网电压为理想的正弦波，如果将电网电压合成矢量的幅值与d-q坐标中d轴重合，则逆变器输入到电网的有功功率和无功功率表示为：

由式（5）可知，并网系统输出的有功可由d-q轴电流进行调节，无功可由q轴电流调节。因此，参考功率在同步旋转坐标系下通过对d-q轴电流分别控制即可实现光伏并网系统输送到电网的有功和无功的解耦控制。功率控制回路计算出d-q轴参考电流idref和iqref。由电网电压经Clark变换得到电网等效合成矢量旋转角θ，再由进网电流与该旋转角得到id和iq，将这两个量分别作为d轴电流闭环和q轴电流闭环的反馈量，分别经各自的PI调节器得到逆变器输出电压d-q轴的电压基准，再经空间矢量调制法得到并网逆变器相应的开关驱动信号。

2　电压相角正反馈法主动式孤岛检测

如图1所示，当大电网因故障或停电维修导致断路器QF停止供电时，光伏并网发电系统没检测到而仍然处于工作状态，那么并网逆变器和周围的负载形成自供电的孤岛。

在公共连接点PCC处，负载、光伏发电系统和电网之间的功率平衡由下式表示：

ΔP和ΔQ为负载从电网获得的有功功率差和无功功率差，根据（7）式在孤岛发生后，在PCC处的电压和频率的偏差受Pload和Qload影响。若RLC负载为阻性，那么它的谐振频率（8）将等于该系统的额定频率。光伏发电系统工作在单位功率因数，从而孤岛频率改变不足以检测出来。

当电网断开后，ΔP和ΔQ微小波动将引起电压和频率的偏差，换言之，系统参数偏差取决于ΔP 和ΔQ。本文提出的检测方法即基于这两个交流系统之间功率的流动。

根据该相量图3可知，孤岛发生前后PCC处（VPCC的电压向量为基准。VPCC，VDG的相位角为σ）。根据VPCC，VDG和IDG的关系可知。

图3　系统相量图Fig. 3　Phasor diagram

从光伏发电系统流向PPC处有功功率和无功功率如公式（9）所示。为Xf所消耗的无功功率。将（7）和（9）分别带入（6）得到：

整理得到：若RLC为纯阻性负载，那么方程（11）化简得到：

由公式（12）可知，电网与孤岛区域没有功率交换，孤岛发生后σ将随有功和无功功率变化。由于电源不匹配概率非常小，所以该变化非常显著。对σ的变化引入反馈，在正常运行时σ无显著变化。因此，这种反馈对电能质量无明显不良影响。

在孤岛发生后，有功和无功功率引入的反馈如公式（13）所示：

图4为检测方法中以cosσ和sinσ为偏差的附加模块，将输出乘以一个增益K，K为公式（13）的最大值，输出信号与光伏系统的有功和无功功率进行比较。孤岛发生后，其都将因σ的变化而改变。这将导致频率和电压的跟随变化，从而被检测出来。

图4　该方法的附加模块Fig. 4　Additional blocks of the proposed method

3　仿真验证

为验证本文提出的基于电压相角的孤岛检测方法的有效性，用MATLAB/Simulink软件对图1光伏发电系统，搭建2.1 kW、220 V单相光伏并网发电系统仿真模型，并对其孤岛检测性能进行仿真。电网频率为50 Hz，光伏发电系统工作在接近单位功率因数。调节RLC负载，实现负载和光伏系统之间为最小功率失配。设置控制系统在t=3 s时发生孤岛现象。

该仿真将被动式孤岛检测方法与本文方法进行比较验证，电压和频率仿真结果如图5所示。该方法能在2 s内完成检测，符合我国检测标准。在此基础上，本文对仿真参数进行调整，对孤岛检测方法通用性进行研究。

图5　电压和频率变化情况Fig. 5　Voltage and frequency deviations of system

3.1检测标准UL 1741的验证测试

根据相关标准UL 1741反孤岛测试电路及测试步骤，调节负载比例如表1所示，建立逆变器输出5种不同功率下的模拟情况，图6、图7（a）所示本文孤岛检测法与图6、图7（b）所示的被动式孤岛检测法电压和频率变化对比仿真结果如下。

表1　UL 1741检测负载参数Table 1　Load parameters for UL 1741 testing

图6　频率变化对比Fig. 6　Comparison chart of frequency deviation

图7　电压变化对比Fig. 7　Comparison chart of voltage deviation

图6为功率不平衡条件下频率变化比较的结果，图7为功率不平衡条件下电压变化比较的结果。由于被动式孤岛检测法为避免不必要的跳闸，OFP /UFP阈值大于频率的变化，导致检测极易失败。而本文孤岛检测方法，在孤岛发生时可以很容易在各种功率失配情况下检测成功。

3.2负载品质因数的影响

负载品质因数Qf被定义为最大存储能量的2倍圆周率与每次循环在谐振频率处消耗的能量的比率。高的品质因数使电路有朝着并保持于谐振点工作的趋势，若RLC负载谐振在系统额定频率附近，那么使用频率扰动反孤岛检测时，频率偏移困难越大。

UL 1741提出品质因数≤2.5，相关文献表明品质因数合理值在0.5~2.5，本文通过调节电感电容值，使负载品质因数为Qf=0.5，Qf=1，Qf= 1.77，Qf=2.5，Qf=3，5种情况验证本文孤岛检测方法符合不同品质因数负荷的测试，结果如图8所示。

图8　不同品质因数下电压和频率变化情况Fig. 8　Voltage and frequency deviation fordifferent values of quality factor

4　结论

本文为基于d-q同步旋转坐标系下的孤岛检测方法，以光伏并网逆变器端电压相角变化作为反馈量，在孤岛发生后，将该信号变化应用到光伏发电系统来改变有功和无功功率参考值，促使系统中电压和频率发生显著变动而实现检测。同时该方法在光伏发电系统正常运行模式下对电能质量没有明显不良影响。文章针对负载不同情况进行测试验证，仿真结果表明，该方法可有效检测孤岛现象发生。

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作者简介：房俊龙（1971-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为地方电力系统自动化。E-mail: junlongfang@126.com

基金项目：黑龙江省留学归国基金项目（LC201003）

收稿日期：2014-09-04

文章编号：1005-9369（2015）03-0103-06

文献标志码：A

中图分类号：TM464