一種改進的孤島檢測策略在光伏系統中的應用*

李 菲，舒欣梅，何建平，苗 淼

（西華大學 電氣信息學院，四川 成都610039）

一種改進的孤島檢測策略在光伏系統中的應用*

李 菲，舒欣梅，何建平，苗 淼

（西華大學 電氣信息學院，四川 成都610039）

在現代電力系統中，可能產生的孤島效應一定程度上限制了光伏并網發電系統(photovoltaic grid connected power system，PV)的應用和發展，孤島檢測是光伏系統必須具備的功能。傳統的滑模頻率偏移法有檢測效率較低、對系統發電質量影響較大等缺點，提出了一種將傳統滑模頻率偏移法和電壓正反饋機制相結合的孤島檢測策略。分析了改進方法的工作原理，基于dq變換實現了有功電壓、無功電壓以及有功電流、無功電流的分離，通過與參考量做差作為反饋量，達到破壞功率平衡從而檢測出孤島的目的。仿真實驗結果驗證了該方法的可行性和有效性，對工程應用有一定的參考價值。

光伏并網發電系統；孤島效應；孤島檢測；滑模頻率偏移法；dq變換；反饋機制

0 引言

光伏并網技術得以發展遭遇的最大挑戰之一是所謂的“孤島效應”，即當光伏并網逆變器在電網斷路器跳脫之后的規定時間內沒有停止輸出功率，而是繼續為本地負載供電。文獻[1]分析了孤島效應的發生機理，其產生的必要條件是：逆變器輸出有功功率、無功功率和負載的有功功率、無功功率相匹配。

“孤島”產生后如果光伏并網逆變器繼續工作，不僅可能會使相連的設備由于失步合閘受到破壞，還可能威脅在“孤島”期間維護電網工人的生命安全。為了避免這些嚴重后果，光伏發電系統的并網需要滿足一系列要求以確保供電的安全性和可靠性，并網發電裝置必須具備孤島保護的功能，保證能夠及時檢測到孤島效應并與電網切離。

目前常見的孤島檢測方法主要分為被動式檢測法和主動式檢測法，前者通過檢測公共點電壓幅值、相位或頻率、功率、諧波等參數變化判斷孤島發生，檢測形式基本固定，主要有過欠壓/過欠頻檢測法(Over/Under Voltage and Over/Under Frequency method，OUV/OUF)、相位突變檢測、電壓諧波檢測等；后者通過有意的給系統注入擾動信號破壞功率平衡，使處于孤島狀態下的PCC (Point of Common Coupling)點電壓參數(幅值、頻率或諧波含量等)超出正常范圍，來確定電網的存在與否以達到檢測出孤島的目的，主要有阻抗測量法、有源頻率偏移法、正反饋有源頻率偏移法、滑模頻率偏移法（Slip-Mode Frequency Shift,SMS）、Sandia電壓偏移法等。由于傳統的檢測方法存在一定的缺點，文獻[2]研究了基于無功電流和頻率反饋的方法；文獻[3]研究了帶電壓頻率正反饋的主動頻移法；文獻[4]研究了一種復合式孤島檢測方法；文獻[5]研究了基于正切的滑模頻移法，本文受上述文章的的啟發提出了一種改進的滑模頻移法。

1 原理分析

研究孤島檢測方法的目的是為了尋找一種能在任何性質負載下檢測出孤島狀態的技術，如圖1所示在具體的反孤島測試中，通常用當并聯諧振負載代表局部負載，從而模擬一種最嚴重的孤島狀況。本文基于該測試電路研究了電壓正反饋和滑模頻率偏移法相結合的反孤島策略并搭建了模型進行仿真驗證和結果分析，下文分別進行原理闡述。

圖1 含并聯諧振RLC負載的反孤島測試電路

1.1 滑模頻率偏移法

定義逆變器的相位為一個以頻率為變量的函數，使逆變器的相位比單位功率因數的負載相位在電網頻率附近增加更快。并網運行時，逆變器輸出頻率為50 Hz，輸出電流電壓相位差為零，如果電網跳閘公共點電壓的頻率發生畸變，逆變器輸出電流跟隨給定的電壓相位按SMS曲線偏移，只有在圖中A、B兩點時系統才會到達新的平衡。在到達A或B點之前的過程中，由于負載相角與頻率成正比，系統輸出電流為了保持與電壓的相角差需要不斷增大頻率，直至頻率偏移到觸發保護動作。

滑模頻率偏移法屬于主動式孤島檢測方法[6]，它是一種較早的移相式檢測法，實質是通過移相達到移頻，對相位施加擾動使逆變器輸出電壓頻率在短時間內變得不穩定，從而判別孤島發生與否。原理示意如圖2所示，將輸出電流的參考電壓的相位平移一個角度 θSMS，逆變器給定電流的起始時刻為公共電壓過零點上升沿，未加入算法前逆變器輸出電流與公共點電壓同頻同相，加入SMS算法后，電流頻率不變但相位發生變化，大小由移相角決定。應用SMS進行孤島檢測時，對并網逆變器輸出電流引入相位偏移，電流 i0和移相角 θSMS分別如式(1)和式(2)所示。

式中，f為公共點電壓頻率，fg為電網頻率，θm為最大相位角，fm為最大相位θm出現時的最大頻率。

圖2 滑模頻率偏移法原理示意圖

1.2 基于dq變換的正反饋

由負載特性：

可知系統處于孤島運行狀態時，逆變器輸出與負載的有功功率不匹配程度將決定負載端電壓的變化，逆變器輸出與負載的無功功率將決定頻率變化的大小。利用正反饋原理增加逆變器輸出功率和負載需求頻率的不匹配程度，迅速超出所設定的電壓或頻率的閾值，避免進入非檢測區(None Detection Zone，NDZ)，使孤島檢測更有效。將a-b坐標系中的各參數變換到d-q軸后，有功功率和d軸成比例，無功功率和q軸成比例。電流或電壓等矢量都是d軸和q軸的合成量，其中任意一個軸的值改變不僅能引起矢量幅值的變化，兩軸之間的角度也會改變，從而角度又促使頻率發生變化[7]。

運行機制如圖3所示，令逆變器輸出三相電流和電壓分別通過 abc-dq0變換器，當逆變器輸出端d軸電壓增加時，反饋促使逆變器輸出d軸參考電流增大，從而使有功功率增大帶動電壓增大，d軸電壓再次升高。依次循環，電壓增大到超過所設定的閾值斷開逆變器，孤島被檢測出來。

圖3 dq變換下的電壓反饋機制

1.3 SMS算法與電壓正反饋相結合的反孤島策略

本文利用電壓正反饋與滑模頻率偏移法相結合的策略：電壓反饋模塊通過dq變換實現了對電壓和電壓的分離以及有功電流和無功電流的分離；通過與電流參考量做差值后進入dq0-abc轉換器作為反饋量；再利用過欠壓、過欠頻檢測來判斷孤島是否發生。如果沒有進入SMS檢測模塊，計算負載相位角與滑模頻率偏移角的相位偏差 θSMS+∠G(jw)，孤島發生時微小的偏移量會導致電壓頻率的不斷地增大或減小，與額定頻率的偏差會越來越大直至超出所設置的閾值[8]。本文設計的孤島檢測結構如圖4所示。

圖4 孤島檢測結構設計圖

2 基于MATLAB的建模及仿真分析

通過模塊 MATLAB/Simulink和 power system blockset建立仿真模型對光伏并網系統搭建基于三相逆變器的孤島檢測模型[9]。光伏并網發電系統產生的電能通過逆變器整流，使輸出電壓、頻率、相角符合并網要求，由于逆變器為電流控制模式，再經過濾波后輸出給負載和電網。鎖相環實現逆變器輸出電流對公共點電壓的同頻同相控制，檢測電壓的過零上升沿獲得電壓的頻率和相位。公共點三相電壓和電流分別通過SMS算法和電壓反饋子系統產生逆變器控制信號。直流電源模擬為光伏電池，三相可編程電壓源模擬為電網，三相并聯RLC作為本地負載，初始時刻發電系統處于并網狀態，三相開關閉合，0.1 s時三相開關斷開，發電系統處于孤島狀態，通過示波器監視電網斷開前后逆變器及公共點電壓、電流、頻率以及孤島檢測信號的變化。具體的系統參數設置如表1所示。

表1 仿真系統具體參數設置

3 仿真結果分析

圖5、圖6分別給出了傳統SMS檢測算法和本文檢測策略下的逆變器電流、公共點電壓、頻率及孤島檢測信號。當電網0.1 s斷開后，失去了電網的鉗制作用，產生的微小偏差通過算法和正反饋作用使公共點頻率迅速減小，直到欠頻保護逆變器斷開，孤島效應被高效的檢測出來。分別對比圖（a）和圖（b），傳統SMS算法下到0.32 s經過約 0.22 s，頻率超出下限 49.5 Hz，孤島效應檢測出來，而本文檢測策略下僅用了約 0.128 s，可見大大提高了檢測效率。并且對比斷網后的電流和電壓波形，本文策略下的畸變很小，一定程度上提高了發電質量，降低電網的諧波污染。由于加入了電壓反饋機制使有功電流增加，增大了逆變器與本地負載的不匹配程度，更有利于孤島檢測，能夠有效減小孤島非檢測區。

圖5 PCC點電流、電壓波形圖

圖6 公共點頻率、孤島信號標志

4 結論

本文研究了傳統滑模頻率偏移法和電壓反饋相結合的針對光伏并網發電系統的孤島效應檢測策略，對各模塊的基本原理進行了扼要分析，通過搭建的仿真模型對檢測方法進行了仿真驗證。結果表明，本文所提出的檢測方法相比于傳統的SMS算法能夠快速有效地檢測出孤島，產生的諧波污染、對電能質量的影響以及檢測盲區都較小，符合IEEEstd.2000-929/UL1741的孤島檢測標準，有檢測快速、諧波小、對電能質量影響小的優點。另外，對于多臺逆變器同步運行下的孤島檢測方法以及檢測盲區的定量分析將會做進一步的研究。

[1]張有兵，穆淼婕，翁國慶.分布式發電系統的孤島檢測方法研究[J].電力系統保護與控制，2011，39(1)：139-146.

[2]楊滔，王鹿軍，張沖，等.基于無功電流-頻率正反饋的孤島檢測方法[J].電力系統自動化，2012，36（14）：193-199.

[3]蔣翠，祁新梅，鄭壽森.帶電壓頻率正反饋的主動移頻式孤島檢測方法[J].電力系統保護與控制，2014，42（8）：95-100.

[4]高金輝，程靜，楊海波.光伏并網逆變器復合式孤島檢測方法[J].電力系統保護與控制，2012，40(11)：122-126.

[5]張凱航，袁越，傅質馨，等.基于正切滑模頻移法的孤島檢測方法[J].電力自動化設備，2013，33（12）：66-72.

[6]劉芙蓉.并網型戶用光伏系統的孤島檢測技術研究[D].武漢：華中科技大學，2008.

[7]吳貹益，黃輝，黃玉水，等.基于dq變換的自適應主動頻移式孤島檢測研究[J].電力電子技術，2014，48（1）：18-20.

[8]肖龍，楊國華，鮑麗芳，等.基于改進滑模頻率偏移法的光伏孤島檢測研究[J].電測與儀表，2012，49（558）：52-56.

[9]鄭昕昕，肖嵐，田洋天，等.SVPWM控制三相并網逆變器AFD孤島檢測方法[J].中國電機工程學報，2013，33(18)：11-17.

The application of an improved islanding detection strategy in photovoltaic grid connected power system

Li Fei，Shu Xinmei，He Jianping，Miao Miao
(College of Electrical and Information，Xihua University，Chengdu 610039，China)

In modern power system,the application and development of photovoltaic grid connected power system(PV)may be limited by islanding effect to a certain degree,so islanding detection is a necessary function of photovoltaic system.The traditional method of slip-mode frequency shift(SMS)has shortcomings of low detection efficiency,poor power quality and so on,therefore a islanding detection strategy is presented in this paper which is combined with traditional SMS and voltage positive feedback mechanism.The working principle of the improved method is analyzed,and the separation of the active voltage,reactive voltage,and active current,reactive current can be realized by using dq transformation.The difference value with reference can be a feedback to destroy the balance of power,then the islanding can be detected rapidly.The simulation and experimental results verify the feasibility and effectiveness of the method,and it also has certain reference value for engineering application.

photovoltaic grid connected power system;islanding effect;islanding detection;slip-mode frequency shift;dq transform;feedback mechanism

TM615

：A

：0258-7998(2015)03-0058-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.03.014

2014-10-11)

李菲（1989-），女，碩士研究生，主要研究方向：光伏并網發電系統孤島檢測技術。

四川省教育廳重點項目基金資助（09ZA112）

舒欣梅(1973-)，女，碩士，副教授，主要研究方向：電能質量的檢測與應用智能控制。

何建平（1957-），男，碩士，教授，主要研究方向：電機及控制方面。