一种改进的频率正反馈无功电流扰动孤岛检测研究*

鲍晓婷，陈永强，张超，张金刚，余飞鸿

(西华大学 电气与电子信息学院，成都 610039)

0 引 言

中国“十三五”以来，国家提出要将绿色发展、节能环保作为未来能源和电力发展的主基调，并着手大力发展清洁可再生能源，而光伏发电是清洁能源的主要来源，在各项光伏政策的支持下，我国光伏发电市场继续保持快速发展。2017年光伏发电市场规模快速扩大，新增装机53.06 GW，同比增加18.52 GW，增速高达53.62%，再次刷新历史高位，遥遥领先于其他可再生能源；预计到2020年底，中国光伏发电累计装机将有望达到250 GW。光伏并网发电系统具备的较高的光伏电能利用率对并网的技术要求也同样高，因此在并网工作时必须确保系统维修人员的安全以及并网系统的可靠运行。

孤岛效应指：在含分布式电源的发电系统中，当电网因故障或停电维修跳闸时，在负荷侧的分布式电源未能及时检测出故障从而将自身从电力系统中切除，因此形成了电力公司无法控制的局部系统。孤岛期间线路仍然带电，孤岛运行将会影响电力系统的稳定运行，危害电力检修人员的安全，在开断电路时可能对电力装置造成损坏[1-2]。因此研究孤岛检测方法，将孤岛产生的危害降到最低十分重要[3]。

针对光伏并网孤岛检测技术，国内外学者进行了丰富的研讨。文献[4-5]提出了孤岛检测的主要方法。文献[6]介绍了被动检测方法，通常该检测盲区较大，通常和主动检测方法结合采用。主动孤岛检测方法更为实用，文献[7-8]提出的主动移频法是通过向并网电流参考值中注入频率扰动量进行检测，文献[9]提出的滑模频移法通过向并网电流参考值中注入相位扰动量进行检测，这些扰动在并网运行期间由于大电网的存在几乎不起作用，而在孤岛运行期间扰动量将逐步增大，进而检测出孤岛。

本文针对目前三相并网发电系统中孤岛检测方法存在的问题，对传统无功电流扰动孤岛检测方法进行了改进。首先对传统无功电流扰动工作原理进行了分析，为验证改进的无功电流扰动孤岛检测控制策略的可行性和有效性，在Matlab/Simulink仿真软件中搭建了无功电流扰动的仿真模型，实现了快速有效地无盲区孤岛检测，对电能质量的输出影响较小，具有一定的孤岛运行保护能力。

1 孤岛检测原理

光伏并网发电系统如图1所示。

图1 系统结构框图

由图1可知：

(1)

由式(1)得，当Pload=P，Qload=Q时，电网侧对负载端的有功功率和无功功率都为0，当电网由于故障断开断路器连接，系统的功率平衡并未因孤岛的发生而改变，其PCC点电压与电流大体不变，将形成只有光伏阵列与负载端构成的孤岛运行的自给型供电。而当电网对本地负载功率不为零时，在断路器断开时，PCC处的电压和频率会根据电网所提供功率的大小发生变化。IEEE std.929-2000规定了孤岛检测时间标准，如表1所示[10]。

2 频率正反馈无功电流扰动法基本原理

三相孤岛检测无功扰动法包含分别针对恒功率控制和恒电流控制的无功功率扰动和无功电流扰动的两种方法[11-12]。本文针对恒电流控制的逆变器只讨论无功电流扰动法。该无功电流扰动方法在dq轴坐标系下，使得公共耦合点(PCC)电压的幅值和频率超出阈值，并判断孤岛效应的发生。本文的并网逆变器在恒电流控制下，输出功率因数为1，则输出的无功和有功功率分别为：

表1 IEEE std. 929-2000规定的孤岛检测时间

(2)

如果电网电压为理想正弦波时，则ugq=0，得:

(3)

本地RLC负载上的有功和无功功率分别为:

(4)

U为公共点电压有效位电网，断开后系统达到稳态时，逆变器输出的功率全部被负载吸收，满足：

(5)

负载的谐振频率fLC和品质因数Qf分别为:

(6)

将式(6)代入式(5)可得：

(7)

由式(7)可知，当id为定值扰动iq时，PCC点电压频率将会发生偏移，超过一定的阈值将触发过/欠频保护，即产生孤岛现象。

由式(2)、式(3)可知，系统无功功率的输出与公共点电压频率的关系是：

(8)

式中f为进入孤岛运行后的PCC点频率；f0为负载的谐振频率。

无功电流的扰动只需使PCC点电压频率变化超过正负0.5 Hz,添加的无功扰动量非常小，因此式(8)中的平方项可忽略不计，则式(9)可改为：

(9)

由(9)可知，不同的Qf值，对应的PCC点电压频率fi、有功电流和无功电流之间的关系如图2所示[13]，由图可知，在49.2至50.6 Hz之间，fi与id/iq的比值呈线性关系。从图中可看出，当id/iq=1%时的孤岛运行，此时Qf越大，系统中的功率平衡越不容易破坏。在孤岛检测方法的研究中，品质因数Q≤2.5，通常考虑品质因数Q=2.5即在RLC负载最差情况下，电能质量及系统稳定性最差。

图2 不同M值下id/iq与频率f的关系

电网正常运行时，负载端的无功功率由电网提供，逆变器的有功功率因数输出为1，无功功率输出为0。电网因故障无法继续工作，负载端的无功功率将跟随系统输出的无功功率的增加而增加，此时PCC电压的频率也发生变化，通过频率正反馈加快无功电流增大的速度，使得频率快速超出孤岛运行范围[14]。

3 三相无功电流扰动-频率正反馈法

3.1 传统孤岛检测方法原理

取PCC电压频率与电网额定频率之差作为无功电流扰动量，在扰动量中引入频率正反馈系数，提高检测速度的同时降低对电网的负面影响。当电网正常运行时，由于电网电压对系统的限制作用，PCC点电压频率不随扰动的加入发生变化，PCC电压频率与电网额定频率之差几乎为零。当发生孤岛运行现象时，在频率正反馈的作用下，PCC点电压频率迅速偏离其阈值，即检测出孤岛。其控制框图如图3所示，表达式为：

(10)

图3 三相无功电流扰动-频率正反馈

3.2 改进的孤岛检测方法原理

本文改进了频率前馈正反馈扰动法。根据负载的情况，可以把扰动量分为以下几种情况：

(1)如果U0≤0.88Ugm或U0≥1.1Ugm，此时不需要加入扰动电流，孤岛发生以后，通过系统内的过/欠压保护即可检测到孤岛。

(2)判定PCC点电压正向过零后，加入无功电流扰动量，该扰动分为周期性扰动量iq1和正反馈扰动量iq2。并网运行时，对系统施加周期性扰动量iq1，此时由于大电网的存在，PCC点电压频率不发生变化；进入孤岛运行后，由于iq1的扰动作用，使PCC点频率偏移到一定的区间范围，当PCC点电压频率与电网额定频率差满足大于等于0.1时，频率正反馈扰动量使无功电流扰动量更大，加速PCC电压频率的偏移，更快地实现孤岛保护。

(3)为防止系统电压频繁波动造成的负面影响，在电网故障以后，随时跟踪检测PCC点电压，PCC点电压的频繁连续的超出范围将会影响孤岛效应的判断，为防止电压不正常波动的误判，计算PCC点电压由于电压不稳定造成的连续越限周期，超过5个周期，需检查系统运行，在一定程度上避免了由于电压非正常波动引起的孤岛保护误动作。

(4)图4为周期性扰动的方法，采用周期性双向扰动，对电能质量及功率因数的负面影响更小。

图4 周期性无功扰动量扰动方法

无功电流扰动函数如下：

(11)

(12)

(13)

式中 sign为符号函数;k0为周期性扰动系数;k1为正反馈扰动系数;n为正反馈扰动次数;h为当前第n次扰动，符号函数sign(f-fg)的引入能够实时改变无功电流扰动的方向，进而克服负载端对单一方向扰动的平衡。

3.3 改进算法的优点

改进的无功电流扰动方法在双向扰动时，为减少对电能质量造成的影响，无功扰动量极小，当进入单向扰动并进行叠加时，根据式(9)，即使负载品质因数Qf很大，系统的扰动量也可通过正反馈加速偏离正常值，达到系统频率所需的扰动幅值，因此改进方法较容易实现无盲区孤岛检测。取前n个周期f-fg的绝对值之和作为频率正反馈量，有效防止因电网误扰动引起的孤岛误判，使扰动量以最初的扰动方向对PCC点频率定向扰动，精准快速实现孤岛保护。改进后的无功电流扰动，孤岛检测的作用时间更短，算法的有效性得到了提高。

4 仿真验证

本文利用Matlab/Simulink仿真软件对改进方法进行了仿真研究。

仿真模型(图5)主要包括主电路、逆变器控制回路和孤岛检测部分。本文通过S-Function函数实现对模块的孤岛检测。仿真情况针对最差情况选取，直流输入电压700 V，电网相电压220 V，额定频率50 Hz；采用RL谐振滤波，滤波电感1 mH；采用并联RLC负载，R=15.55 Ω，L=19.8 mH，C=511.75 μF。逆变器开关采样频率fs=20 Hz，并网逆变器采用

IGBT/Diodes器件。改进算法参数如下：每经过T=0.2 s的周期，向逆变器的输出电流添加Ts=0.02 s的周期性无功扰动电流，由式(8)和图2知，为使在孤岛发生后频率偏移超过0.1 Hz进入正反馈孤岛检测阶段，理论上k1可以取0.01，在运行中根据检测误差和电流输出误差，可适当增大扰动系数，适当增大正反馈扰动参数能有效减小盲区，但是k值过大会导致较大的电流畸变，本文周期性扰动系数k1=0.02，正反馈扰动系数k2=0.6，此时的检测效率高，且对THD的影响小。

设电网在第一个扰动周期结束时刻即t=0.12 s断开网侧供电。图6、图7别给出了采用传统无功电流扰动方法式(10)和改进无功电流扰动方法式(12)的检测算法下的逆变器输出电压、电流及频率。

图5 系统主电路模型

图6 无功电流扰动孤岛检测方法运行状况

图7 改进的无功电流扰动孤岛检测方法运行状况

由图可知，传统无功电流扰动法在t=0.12 s时断开网侧供电，t=0.33 s时，孤岛保护动作，逆变器停止工作，孤岛检测时间为0.21 s，改进的无功电流扰动扰动法如图7所示，同样在t=0.12 s是断开网侧供电，t=0.27 s即实现孤岛保护动作，改进的无功电流扰动法在检测速度上实现了提高，检测时间也满足IEEE std，仿真结果验证了改进的三相并网逆变器孤岛检测方法的可行性和有效性。本文对几种孤岛检测方法进行对比分析，如表2所示。

表2 不同孤岛检测方法仿真时间对比

5 结束语

针对传统无功电流扰动方法存在的不足，本文给出了改进的无功电流扰动孤岛检测的原理、实现方法，实验验证了该方法能在快速检测出孤岛，实现检测无盲区，不影响电能质量的稳定性，对电流谐波的影响较小，能降低孤岛检测时对电网造成的不良危害。