基于有功电压正反馈防孤岛技术研究＊

吴建明，魏毅立，张继红

（内蒙古科技大学监察审计处，内蒙古包头014010）

基于有功电压正反馈防孤岛技术研究＊

吴建明，魏毅立，张继红

（内蒙古科技大学监察审计处，内蒙古包头014010）

在新能源电力系统中，并网变流器必须具有防孤岛能力，否则，电网失电后会造成电网事故。孤岛效应检测方法有主动式孤岛检测方法和被动式孤岛检测方法。被动式孤岛检测方法在电网失电后，负载有功功率和并网变流器功率匹配会失效，进而造成电网不安全。本文通过有功电压正反馈解决了这一问题，防止了被动式检测盲区的存在，仿真结果也验证了该方法的有效性和可行性，具有良好的应用前景。

并网变流器；孤岛效应；孤岛检测；有功电压正反馈

1 引言

新能源发电系统最大的挑战之一是所谓的“孤岛效应”，即当并网变流器在电网断路器跳脱之后的规定时间内没有停止输出功率，而是继续为本地负载供电。并网变流器和本地负载形成一个供电闭环，如图1所示。“孤岛”产生后如果并网变流器继续工作，这不仅会使相连的设备由于失步合闸而受到损坏，还可能威胁到在“孤岛”期间维护电网的工人的生命安全。为了避免发生这些严重后果，并网变流器必需满足一些技术要求以确保供电的安全性和可靠性。本文提出了有功电压正反馈的方法很好地解决了这一问题［1］。

图1 孤岛结构图

2 原理

孤岛效应检测方法有主动式和被动式两类检测方法。被动式检测方法有过／欠电压孤岛检测法、过／欠频率孤岛检测法、谐波孤岛检测法、相角突变电压检测法等。当并网变流器功率与负载功率匹配时，被动式检测方法就失效。其仿真实验结果如图2所示。

当变流器的有功功率基本等于RLC负载的功率时，其输出电压和电流不变。设变流器的功率为269kW，RLC负载的有功功率为269kW，L的无功功率为 189.6kVar，C 的无功功率为 189.6kVar，Udc＝550V，idc＝210A。功率匹配时出现孤岛现象，变流器与电网接点处的频率波形如图2（a）所示，只会小幅波动后就回到50Hz。交流侧电压ea和电流ia基本不变，如图 2（b）所示。

图2 负载功率和变流器功率匹配时仿真图

3 控制策略

3.1 孤岛效应检测控制方法

主动式孤岛效应检测法有：阻抗测量法、有源频率偏移法、带有正反馈的有源频率偏移法、滑模频率偏移法、输出功率扰动法。

所有被动的防孤岛方法都有探测死区［2］。在完全功率匹配试验条件下，任何被动的防孤岛方法将会失效。此外，此方法也易被干扰引发频繁的跳闸，不利于电网的安全。通过增加正反馈能很好地解决了这一问题。正反馈主动控制方法的基本理念是一旦出现孤岛现象会立刻切断并网接触器。

3.2 基于dq坐标的有功电压正反馈控制

在孤岛状态下，负载所需功率全部由并网变流器提供。为研究方便，假定在电网失电后，失电电网存在等效负载，用RLC并联负载表示。RLC负载的有功功率 P、无功功率 Q 和电压 U、频率 f（ω＝2πf）之间的关系为：

可知系统处于孤岛运行状态时，逆变器输出与负载的有功功率的不匹配程度将决定负载端电压的变化，逆变器输出与负载的无功功率将决定频率的变化［3］。其作用原理就是在逆变器的控制信号中加入很小的电压、电流或相位扰动信号，然后检测并网变流器的输出响应。当并网变流器与电网相连时，受电网钳制，扰动信号作用很小。当孤岛发生时，扰动信号就会显现出来，当输出响应的变化超过规定的阈值时，孤岛现象就能被检测出来［4］。

图3 电压正反馈防孤岛控制结构图

电压正反馈防孤岛控制结构图如图3所示，粗实线所表示的正反馈回路属d轴电压正反馈方法。当逆变器检测和计算得知d轴电压增加时，防孤岛反馈将使逆变器d轴的给定电流增加，这将导致更多的有功功率输出。由于在公式（1）中负荷的特性，电压会不断增强，以平衡有功功率。由于防孤岛正反馈的存在，被增加的d轴电压将进一步推动逆变器有功功率的输出，其结果使电压最终超出正常范围，使孤岛被检测出来。反之，其值应低于正常值。

图3中粗实线表示的正反馈从ed到id＊，称为电压结构防孤岛正反馈。该结构实施的路径为：ed通过带通滤波器、增益和限幅器，变换成电流变化量Δi，再加到id＊上［5］。由于使用了带通滤波器，不但避免了高频干扰，还去掉了直流偏移量。因此，在电网正常时，不会改变控制回路中有功电流的给定值，这比直接将ed放大有许多优势。

当变流器功率与负载有功功率都为147kW、负载品质因数Qload＝1.5时，仿真结果如图4所示。

图4 电网电压频率防孤岛增益为60时的仿真结果

对有功电压模值正反馈结构的变流器进行仿真。从仿真图4可发现，随着正反馈放大倍数的升高，变流器对孤岛的反应越来越快。图中正反馈增益为60，当k＞5就可满足在2秒内，被检测的参数电压、电流、频率因正反馈的作用而超出了设定的保护范围，并看到交流侧出现了震荡现象。

在相同条件下，减小电压正反馈的增益，仿真增益减少为2，防孤岛的控制变得无效，如图5所示。这是由于带通滤波器对干扰具有很大的抑制作用。虽然防孤岛反馈回路有变化注入，但注入信号没有被充分放大。因此，正反馈没有足够驱动电压和频率偏移，未能使系统进入大幅震荡，系统只是小幅震荡，系统的电流、电压和频率信号都无法超出故障检测的范围［6］。

图5 电网电压频率防孤岛增益为2时的仿真结果

4 实验结果

图6 有功电压主动防孤岛系统仿真图

本文搭建的d轴有功电压仿真模型如图6所示。通过设定不同的增益，验证了带通滤波器对干扰信号的抑制作用和有功电压正反馈在并网变流器功率和负载功率匹配时防孤岛产生的效果。结果表明，在并网变流器功率和负载功率匹配时，被动式检测方法会失效，通过主动式有功电压检测方法能很好地解决这一问题。主动式有功电压模型能很好地解决孤岛的发生，也能防止干扰信号对系统扰动而造成电网的不安全。

5 结束语

并网变流器在电网失电后，被动式检测孤岛效应的方法会失效。本文通过主动式有功电压正反馈方法很好地解决了这一缺点。为了验证此方法的有效性与正确性，搭建了Matlab／Simulink仿真实验平台，仿真验证了该方法正确有效，为该技术在并网变流器中的推广应用奠定了坚实的基础。

［1］殷桂梁，孙美玲.基于逆变器的正反馈孤岛检测方法［J］.电子测量技术，2007，（8）：59－62.

［2］刘芙蓉，康 勇，段善旭，王志峰，王 辉.主动移频式孤岛检测方法的参数优化［J］.中国电机工程学报，2008，（1）：95－99.

［3］王兆安，黄 俊.电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社，2001.

［4］Wu R，Dewan S B，Slemon G R.Analysis of an AC to DC voltage source converter using PWM with phase and amplitude control［J］.IEEE Trans.on Industry Application，1991，（27）：355－364.

［5］Nishida Y，Miyashita ，et al.A predictive instantaneouscurrent PWM controlled rectifier with AC－side harmonic current reduction［J］.IEEE Trans.on Industry Electronics，1997，44（6）：337－343.

［6］Draou A，Sato Y，Kataoka T.A new state feedback based on transientcontrolofPWMAC to DC voltage type converters［J］.IEEETrans.on Power Electronics，1998，10（6）：716－724.

Research on active－voltage positive－feedback anti－islanding technology

WU Jian－ming，WEI Yi－li，ZHANG Ji－hong
（Monitoring Audit Office，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China）

In the new energy power systems，the grid converter must have anti－islanding capacity.Otherwise，it will cause power grid failure.There are two methods of the active island detection and the passive island detection for islanding effect.As regard to the passive island detection，when the grid power failure happens，the power matching of the load active power and the grid－connected converter power will become invalid，which will lead to the grid insecurity.The active－voltage positive－feedback method is used to solve this problem，and it can prevent the blind spot existence in the passive detection.The simulation results verify the effectiveness and feasibility of this method，

and which has good application prospect.

grid－connected converter；island effect；island detection；active－voltage positive feedback

TM732；TM762

A

吴建明（1984－），男，内蒙古包头人，硕士，工程师，主要研究方向为电力电子与运动控制。

2016－09－21

1005—7277（2017）02—0051—03

内蒙古自治区自然科学基金项目（2016MS0515）；内蒙古教育厅科技计划项目（NJZY14170）