一种改进的无功电流—频率正反馈孤岛检测方法

2016-10-21王炜煜陈阿莲

电源学报 2016年5期

关键词：盲区孤岛扰动

王炜煜，陈阿莲

（山东大学控制科学与工程学院，济南250061）

一种改进的无功电流—频率正反馈孤岛检测方法

王炜煜，陈阿莲

（山东大学控制科学与工程学院，济南250061）

孤岛检测是光伏并网发电系统必备的功能。针对三相光伏并网逆变器，分析了系统无功电流与公共点电压频率的关系，在此基础上提出一种改进的无功电流—频率正反馈孤岛检测方法，并且，分析了其参数选择与检测盲区问题。该方法通过扰动无功电流影响公共点电压频率，在电网正常时几乎不施加扰动，减小了对系统功率因数的影响；而在电网断开时，可以使频率持续向单一方向偏移，从而有效地检测出孤岛现象，相对于传统的正反馈方法具有更小的检测盲区。仿真与实验结果证明了该方法的有效性。

孤岛检测；正反馈；无功电流；检测盲区

引言

在光伏并网发电系统中，需要考虑一种特殊故障状态下的应对方案，这种特殊故障状态就是所谓的孤岛现象。按照IEEE Std.929-2000的定义：孤岛现象是指当电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时，光伏并网发电系统仍然向周围的负载供电，从而形成一个电力公司无法控制的自给供电孤岛［1］，对电力装置和检修人员造成潜在的危害。因此，光伏并网发电系统必须具备防止孤岛现象发生的功能［2］。

常用的孤岛检测方法分为被动法和主动法［3］。被动法主要通过检测公共点的电压幅值、频率、相位、谐波等参数来判断孤岛，易于实现且不会影响输出电能质量，但是存在较大的检测盲区［4］；主动法包括主动移频法［5］、带正反馈的主动移频法［6］、滑模移相法［7］、自动移相法［8］、功率扰动法［9-10］等，可以在一定程度上减小检测盲区，但持续施加扰动会导致电能质量下降。

在三相并网发电系统中，主要采用扰动有功电流分量或无功电流分量的方法进行孤岛检测。文献［11］提出一种无功电流—频率正反馈孤岛检测方法。但是该方法没有考虑负载参数未知的情况，没有对检测盲区［12］进行分析。本文在此基础上提出了一种改进的无功电流—频率正反馈孤岛检测方法，并对该方法的参数设定、检测盲区等问题进行了量化分析。结果表明所提方法较文献［11］方法具有更快的检测速度，且减小了检测盲区。仿真与实验证明该方法能有效地实现孤岛检测功能。

1　孤岛检测原理

逆变器并网系统示意如图1所示。

图1　逆变器并网系统示意Fig.1 Schematic diagram of grid-connected inverter system

电网正常运行时，满足：

式中：Pload、Qload分别为负载吸收的有功功率、无功功率；P、Q分别为逆变器输出的有功、无功功率；ΔP、ΔQ分别为电网向负载提供的有功、无功功率。若电网断开时逆变器提供的功率与负载功率相匹配，则电网断开后公共点的电压幅值与频率不会发生变化，无法通过对系统电压和频率的检测来判断孤岛的发生，从而形成孤岛现象［13］。

在三相系统中，通过控制有功电流分量与无功电流分量来控制逆变器发出的有功功率与无功功率。控制方案如图2所示。

公共点三相电压为

图2　三相并网逆变器控制框图Fig.2 Control block diagram of three-phase gridconnected inverter

式中：Vm为三相电压合成矢量幅值，与恒定角速度度旋转；θv为Vm与α轴的夹角；Im为三相电流合成矢量幅值；θi为Im与α轴的夹角。将同步旋转坐标系的d轴定向在电压旋转矢量的方向，且与电压空间矢量同步旋转。由式（2）和式（3）可得基于电网电压矢量定向的矢量控制，如图3所示。

由图3可得逆变器每相的输出功率为

图3　基于电网电压矢量定向的控制原理Fig.3 Principle of grid voltage vector oriented control system

式中：Id为有功电流分量；Iq为无功电流分量。由式（4）知，无功电流与系统无功功率成线性关系。扰动无功电流将会引起逆变器输出的无功功率波动，若逆变器输出的无功与负载无功不匹配，电网断开时公共点电压频率将会发生偏移。因此，可以通过扰动系统无功电流进行孤岛检测［14］。

2　改进的无功电流—频率正反馈扰动法

2.1改进算法

考虑本地负载为RLC并联负载，负载消耗的有功与无功功率分别为

式中：V为公共点电压有效值；ω为系统角频率。电网断开后，负载消耗的功率由逆变器的输出功率决定，达到稳态时满足条件为

式中，f为公共点电压频率。由式（9）可知，当Id为定值而扰动Iq时，将会导致公共点电压频率改变，若能使频率始终向单一方向偏移，则会触发过/欠频保护从而检测出孤岛现象。

文献［11］提出了一种无功电流—频率正反馈扰动方法，即：

式中：Iq*为逆变器给定无功电流；K为正反馈系数；fg为电网额定频率。一旦发生孤岛现象，无功电流和频率之间的正反馈关系会让频率迅速朝一个方向变化，直到触发孤岛保护。

本文在此方法基础上提出一种改进的无功电流—频率正反馈孤岛检测方法，利用正切函数实现频率与给定无功电流之间的正反馈，即

2.2工作原理与参数确定

图4为本文改进方法成功检测出孤岛现象的示意，由式（9）可得曲线Iq1、Iq2、Iq3分别为并网时呈容性、阻性、感性的负载的无功电流/频率特性曲线，由式（11）可得曲线Iq*为逆变器给定无功电流/频率特性曲线。由于逆变器的无功电流采用闭环控制策略，Iq将跟随给定Iq*发生变化，当Iq=Iq*时系统达到稳态。电网断开的瞬间系统频率为50 Hz。

图4　无功电流与频率的关系Fig.4 Relationship between reactive current and system frequency

（1）对于感性负载（曲线Iq3），电网断开瞬间即f=50 Hz处，Iq*=0，Iq3＜0，系统频率将增大以使Iq3增大从而跟踪给定Iq*。由于引入了正反馈，随着频率的增大，Iq*也会增大，则系统会进一步增加频率以使Iq3增大。当频率超过过/欠频保护的阈值时便可以检测出孤岛。为了使频率始终增大，应避免达到稳态，即应始终满足条件

（2）对于容性负载（曲线Iq1），电网断开瞬间即f=50 Hz处，Iq*=0，Iq1＞0，系统频率将减小以使Iq1减小从而跟踪给定Iq*，同理，为了使频率始终减小，应避免系统达到稳态，即应始终满足条件

（3）对于阻性负载（曲线Iq2），电网断开瞬间理论上Iq*=Iq2，频率不发生偏移，但实际上电网断开的瞬间频率将有微小的波动，因此可以转化为以上两种情况分析。

综上所述，无论负载性质如何，为使频率始终向同一方向偏移，应满足

将式（9）、式（11）代入式（14）可得

当K满足式（15）时，本文中的方法可以成功检测出孤岛现象。

2.3改进算法的优势

传统的无功电流扰动方法如周期性无功电流扰动法，每隔一段时间对无功电流进行扰动［15］，在正常并网时将影响系统的功率因数。本文提出的方法在电网正常运行时，公共点电压频率稳定在50 Hz或有很小的波动，施加的无功电流扰动很小，对系统的功率因数影响较小。

与文献［11］提出的无功电流—频率正反馈扰动方法相比，本文中的改进方法具有更快的检测速度和更小的检测盲区。取相同的K时，两种方法的给定无功电流与频率的关系如图5所示，图中、分别为本文方法、文献［11］方法决定的给定无功电流/频率特性曲线，Iq为某特殊负载无功电流/频率特性曲线。

由图5可知，本文所提改进方法具有如下优越：

图5　两种方法无功电流与频率的关系Fig.5 Relationship between reactive current and system frequency of two methods

（2）检测盲区更小。由分析可知反馈系数K满足式（15）便可以保证算法成功检测出孤岛，但负载参数未知时无法根据负载确定K值，当K不满足要求时，系统频率有可能在触发过/欠频保护之前达到稳定，导致检测失败。因此两种方法都存在检测盲区。

两种方法取相同的K值时，对于某些特殊负载，如图5中曲线Iq，在作用下，为使Iq跟踪，系统频率逐渐增加，在A点Iq=，系统达到稳态，频率不再改变，由于稳态频率小于50.5 Hz，孤岛检测失败。而采用本文的改进方法时，如图5中所示，Iq始终无法跟踪上，即无法达到稳态，导致频率持续偏移从而检测出孤岛。因此改进方法相对于文献［11］的方法缩小了检测盲区。

对两种方法的检测盲区进行定量分析。系统达到稳定时，满足

将式（9）代入式（16）可得

图6　两种方法的检测盲区Fig.6 Non-detection zones of two methods

式中：f为系统达到稳态时的频率；Id*为无功电流给定值；Id为有功电流值，取Id=20，将孤岛保护的临界频率（50±0.5）Hz代入式（17）可以得到基于Qff0坐标系［16］的检测盲区，两种方法的检测盲区如图6所示。由图可见在相同参数下，本文的方法具有更小的检测盲区。

3　仿真与实验验证

本文采用Matlab/Simulink对提出的方法进行了仿真。仿真模型的参数如下：三相逆变器额定功率10 kW，开关频率10 kHz，电网电压220 V/50 Hz，直流母线电压700 V，每相负载中R=15.55 Ω，L=19.7 mH，C=510.7 μF，负载品质因数为2.5，谐振频率为50.1 Hz。有功电流给定Id*=20 A，无功电流给定采用本文提出的算法。由式（14）可知，K≥2时可以检测出孤岛，设置电网在0.2 s断开。

图7为K=2时系统频率与无功电流的波形。由图可见，Iq*持续偏移导致频率始终向单一方向偏移，可以在0.1 s内成功检测出孤岛。

图7　K=2时的系统频率与无功电流波形Fig.7 Waveforms of system frequency and reactive current with K=2

图8为K=1.2时系统频率与无功电流波形，由图可见，随着频率的增大，Iq*与Iq的差距逐渐减小，二者相等时达到稳定状态，导致频率不再偏移，孤岛检测失败。

图8　K=1.2时的系统频率与无功电流波形Fig.8 Waveforms of system frequency and reactive current with K=1.2

为了验证本文方法相对于文献［11］的方法可以减小检测盲区，选取另外一组负载：R=15.55 Ω，L=14.97 mH，C=674.17 μF，负载品质因数为3.3，谐振频率为50.1 Hz，两种方法取相同的参数K=2，设置电网在0.2 s断开。图9为传统方法系统频率波形。由图可见，系统频率最终稳定在50.42 Hz，孤岛检测失败。图10为本文改进方法系统频率波形。由图可见，系统频率持续偏移，可以成功检测出孤岛。仿真结果与图6中的理论分析结果相一致。

图9　传统方法的系统频率波形Fig.9 Waveform of system frequency of the traditional method

图10　改进方法的系统频率波形Fig.10 Waveform of system frequency of the improved method

图11　孤岛检测实验波形Fig.11 Experimental results of islanding detection

为进一步验证本文算法的正确性，在三相并网逆变器上进行了实验验证，逆变器输出有功功率与负载有功功率匹配，逆变器给定无功电流采用本文提出的算法，实验结果如图11所示，在电网断开后0.2 s检测出孤岛现象。由实验结果可知，本文提出的改进算法可以满足孤岛检测的时间要求。

4　结语

本文提出一种改进的无功电流—频率正反馈孤岛检测方法并对算法的参数设置进行了分析。孤岛发生时利用无功电流与系统频率的关系引入正反馈扰动无功电流，使频率向单一方向偏移，从而检测出孤岛。该方法在正常并网时不施加扰动，对系统功率因数影响较小。与传统的正反馈方法相比减小了检测盲区。仿真结果证明了本方法可以有效检测出孤岛现象。

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An Improved Reactive Current Disturbance Islanding Detection Method with Frequency Positive Feedback

WANG Weiyu，CHEN Alian
（School of Control Science and Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

Islanding detection is a fundamental function for photovoltaic（PV）grid-connected inverters.In this paper the relationship between reactive current and system frequency is analyzed based on the three-phase inverter.An improved reactive current disturbance method with frequency positive feedback is proposed and the parameter selection and non-detection zone are also discussed.When the grid is connected，it doesn't inject disturbance to the current which has less impact on power quality.When the grid is disconnected，the disturbance will drive the voltage frequency out of limit until the protection is triggered.It also has a smaller non-detection zone compared to traditional method.The validity of this method is verified by simulation and experimental results.

islanding detection；positive feedback；reactive current；non-detection zone