摘要：針對(duì)并網(wǎng)型光伏逆變器孤島檢測(cè)，提出了一種基于DQ變換的自適應(yīng)主動(dòng)頻率偏移孤島檢測(cè)方法，該算法通過(guò)控制無(wú)功電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)電流頻率偏移，從而實(shí)現(xiàn)孤島狀態(tài)下接入點(diǎn)電壓頻率的正反饋，進(jìn)而檢測(cè)出孤島。可有效防止偽孤島并減小對(duì)電網(wǎng)的干擾，避免孤島保護(hù)誤動(dòng)作。為了減小無(wú)功電流對(duì)電力系統(tǒng)的污染，需將該主動(dòng)頻率偏移算法與傳統(tǒng)的被動(dòng)孤島檢測(cè)算法結(jié)合起來(lái)使用。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該孤島檢測(cè)算法不僅消除了被動(dòng)孤o0k島檢測(cè)算法在負(fù)載功率和逆變器功率匹配時(shí)存在的檢測(cè)盲區(qū)，而且克服了傳統(tǒng)主動(dòng)頻率偏移算法有功電流波動(dòng)的缺點(diǎn)，提高了直流母線電壓的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；自適應(yīng)主動(dòng)頻率偏移；孤島檢測(cè)

1引言

目前越來(lái)越多的光伏并網(wǎng)逆變器作為分布式電源被投入使用，當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障或自然因素等原因停止供電后，光伏發(fā)電系統(tǒng)作為孤立電源繼續(xù)向本地負(fù)載繼續(xù)供電，會(huì)形成“孤島效應(yīng)”。

孤島效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障或自然因素等原因停止供電后，光伏發(fā)電系統(tǒng)作為孤立電源繼續(xù)向本地負(fù)載繼續(xù)供電，會(huì)形成“孤島效應(yīng)”。由于孤島效應(yīng)會(huì)威脅到設(shè)備及人身安全，因此準(zhǔn)確及時(shí)地檢測(cè)出孤島效應(yīng)是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。孤島效應(yīng)檢測(cè)方法有被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種，被動(dòng)式利用電網(wǎng)斷電時(shí)逆變器輸出端電壓頻率相位或諧波的變化進(jìn)行孤島效應(yīng)檢測(cè)該方法在光伏系統(tǒng)輸出功率與局部負(fù)載功率平衡時(shí)將失去孤島效應(yīng)檢測(cè)能力；主動(dòng)式是指通過(guò)控制逆變器，使其輸出功率頻率或相位存在一定的擾動(dòng)電網(wǎng)正常工作時(shí)，由于電網(wǎng)的平衡作用，檢測(cè)不到這些擾動(dòng)，一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，逆變器輸出的擾動(dòng)將快速累積并超出允許范圍，從而觸發(fā)孤島效應(yīng)檢測(cè)電路有源頻率偏移法在主動(dòng)檢測(cè)法中應(yīng)用較多該方法檢測(cè)精度高，檢測(cè)盲區(qū)小，但其基準(zhǔn)電流控制復(fù)雜，而且在不同負(fù)載性質(zhì)下，結(jié)果存在較大差異，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)孤島效應(yīng)檢測(cè)速度變慢甚至失效。

針對(duì)以上孤島檢測(cè)方法的缺點(diǎn)，本文提出了一種新穎主動(dòng)移頻式孤島檢測(cè)方法該方法簡(jiǎn)化了系統(tǒng)控制檢測(cè)算法，分析基于DQ變換的自適應(yīng)頻率偏移法檢測(cè)孤島的原理，建立仿真模型，應(yīng)用MATLAB進(jìn)行時(shí)間域的仿真。該算法通過(guò)控制無(wú)功電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)電流頻率偏移，從而實(shí)現(xiàn)孤島狀態(tài)下接入點(diǎn)電壓頻率的正反饋，進(jìn)而檢測(cè)出孤島。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該算法的有效性。

2自適應(yīng)頻率偏移孤島檢測(cè)算法

自適應(yīng)頻率偏移法是指在不同的公共節(jié)點(diǎn)電壓頻率情況下，以不同的方式改變逆變器輸出電流的頻率。給定公共節(jié)點(diǎn)電壓頻率一定的閥值范圍，在閥值范圍內(nèi)，以正反饋形式進(jìn)行頻率擾動(dòng)，而當(dāng)超出閥值范圍時(shí)，則加大頻率正反饋，從而加速頻率的變化來(lái)快速使節(jié)點(diǎn)電壓頻率超出頻率保護(hù)閥值，以便能夠快速檢測(cè)到孤島狀態(tài)，進(jìn)行孤島保護(hù)。算法流程圖見(jiàn)圖4-1。

式中，為控制的逆變器輸出電流的頻率；為公共節(jié)點(diǎn)電壓；的頻率；K為比例系數(shù)；為控制增大頻率正反饋的系數(shù)；為添加周期性頻率擾動(dòng)和加大頻率擾動(dòng)的頻率閥值。

當(dāng)在滿足頻率條件的時(shí)候，每隔一個(gè)周期增加2，實(shí)現(xiàn)增大頻率擾動(dòng)，以便快速超出被動(dòng)孤島檢測(cè)法過(guò)/欠頻頻率保護(hù)的范圍，從而實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)出孤島狀態(tài)。而如果一旦發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓頻率在頻率閥值范圍內(nèi)的時(shí)候，，變?yōu)榱悖@樣便可以防止由于并網(wǎng)時(shí)電網(wǎng)電壓頻率的波動(dòng)而引起孤島保護(hù)誤動(dòng)作，保證了并網(wǎng)系統(tǒng)工作的正常，減小了對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)正常工作的影響。

在并網(wǎng)開(kāi)關(guān)閉合的時(shí)候，由于電網(wǎng)頻率的箝位作用使得節(jié)點(diǎn)電壓頻率跟隨電網(wǎng)電壓頻率，雖然在部分周期存在電流頻率的擾動(dòng)，而逆變器輸出的電流每次在電網(wǎng)電壓過(guò)零點(diǎn)復(fù)位，從另一個(gè)新的正弦開(kāi)始。但是如果當(dāng)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的時(shí)候，沒(méi)有電網(wǎng)電壓頻率的箝位作用，那么公共節(jié)點(diǎn)電壓將跟隨逆變器輸出電流的變化而變化，由于當(dāng)?shù)刎?fù)載的影響，會(huì)相應(yīng)引起節(jié)點(diǎn)電壓頻率的上升或者下降，超出被動(dòng)孤島檢測(cè)法頻率保護(hù)的閥值，從而檢測(cè)出孤島。

自適應(yīng)頻率偏移孤島檢測(cè)方法是基于對(duì)頻率偏移孤島檢測(cè)法進(jìn)行的改進(jìn)，本質(zhì)上也是屬于通過(guò)反饋結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行孤島檢測(cè)控制的。對(duì)于三相并網(wǎng)逆變器來(lái)說(shuō)，反饋量采用ABC相電壓和電流值或應(yīng)用DQ變換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換都可以實(shí)現(xiàn)，然而就當(dāng)今現(xiàn)代化數(shù)字控制的逆變器來(lái)說(shuō)，DQ變換更為適用。

基于DQ變換的自適應(yīng)頻率偏移法，是將單相并網(wǎng)系統(tǒng)下對(duì)逆變器輸出電流的頻率擾動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗖⒕W(wǎng)系統(tǒng)中，對(duì)經(jīng)過(guò)DQ變換后得到的角頻率ω以正反饋形式進(jìn)行頻率擾動(dòng)，從而進(jìn)行對(duì)三相輸出電流的頻率擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)頻率偏移法對(duì)三相逆變系統(tǒng)并網(wǎng)的孤島檢測(cè)。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1基于DQ變換的自適應(yīng)頻率偏移法

3仿真結(jié)果

仿真條件為：交流側(cè)濾波電感，線電壓，輸出功率；直流側(cè)電容，負(fù)載，母線電壓。圖2為用主動(dòng)頻率偏移法進(jìn)行孤島檢測(cè)的結(jié)果，0.3s之前逆變器不工作，負(fù)載功率由電網(wǎng)提供，0.3s逆變器開(kāi)始工作，此時(shí)由于逆變器輸出功率與負(fù)載匹配，由電網(wǎng)電流波形可以看出此時(shí)電網(wǎng)提供有功、無(wú)功功率可近似為零，網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)0.4s斷開(kāi)，系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行。由圖2.a鎖相環(huán)輸出可以看到，當(dāng)孤島形成后由于頻率正反饋的作用接入點(diǎn)電壓頻率升高，在0.45s左右超出正常頻率范圍（49.5Hz，50.5Hz），此時(shí)逆變器停止工作，系統(tǒng)反孤島功能得以實(shí)現(xiàn)。

a接入點(diǎn)電壓鎖相環(huán)輸出

b接入點(diǎn)電壓

c電網(wǎng)電流

d逆變器電流

圖2主動(dòng)頻率偏移發(fā)生孤島情況

自適應(yīng)頻率偏移法的仿真波形如下圖3所示。由仿真圖可知，由于為平衡負(fù)載，在t=0.05s斷網(wǎng)后，逆變器輸出電壓電流變化幅值很小，由于在孤島檢測(cè)方法中添加了基于DQ變換的自適應(yīng)頻率偏移法，使得頻率向下偏移，頻率減小超出保護(hù)閥值范圍，檢測(cè)精度更一步提高，防孤島現(xiàn)象更明顯從而檢測(cè)到孤島現(xiàn)象的發(fā)生。

圖3A相電壓、并網(wǎng)電流仿真波形(t=0.05s，斷網(wǎng))

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4給出了實(shí)驗(yàn)接線圖，其中三相開(kāi)關(guān)S1、S2分別為逆變器的電網(wǎng)分離開(kāi)關(guān)和負(fù)載分離開(kāi)關(guān)，其中三相負(fù)載應(yīng)為可變RLC負(fù)載，諧振頻率為電網(wǎng)頻率。

圖4孤島檢測(cè)實(shí)驗(yàn)接線圖

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的功率模塊采用英飛凌公司的FF600R12ME4型兩單元IGBT模塊，母線采用母排設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電路采用英飛凌公司的2SP320V智能驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊通過(guò)光纖與控制電路連接對(duì)IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

為了完成孤島檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，利用臺(tái)灣群菱的孤島檢測(cè)裝置ACLT-3803M作為三相RLC負(fù)載。實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)設(shè)定開(kāi)關(guān)方便調(diào)節(jié)負(fù)載有功功率、諧振頻率及品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)，以便進(jìn)行孤島檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

為了降低對(duì)電力系統(tǒng)的無(wú)功電流污染，實(shí)驗(yàn)中采用被動(dòng)和主動(dòng)孤島檢測(cè)相結(jié)合的方法，周期性地加入電流畸變。其中被動(dòng)檢測(cè)算法采用引言中提到的過(guò)欠壓、過(guò)欠頻檢測(cè)法。

首先對(duì)負(fù)載功率與逆變器功率不匹配情況下進(jìn)行孤島檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件為：逆變器交流進(jìn)線電壓270V，逆變器三相功率4kW，負(fù)載三相有功功率8kW，此時(shí)實(shí)驗(yàn)，孤島形成后接入點(diǎn)電壓幅值將減小，5ms后系統(tǒng)檢測(cè)出異常，逆變器停止工作，孤島檢測(cè)成功。

然后對(duì)負(fù)載功率與逆變器功率匹配情況下進(jìn)行孤島檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件為：逆變器交流進(jìn)線電壓270V，逆變器三相功率分別為1.5kW、3kW和6kW，負(fù)載三相有功功率分別為1.5kW、3kW和6kW，同時(shí)根據(jù)國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于諧振頻率及品質(zhì)因數(shù)的要求，這里取諧振頻率50Hz，品質(zhì)因數(shù)為1。圖5、圖6和圖7給出功率匹配情況下自適應(yīng)頻率偏移法算法的檢測(cè)效果，從波形看出在自適應(yīng)頻率偏移法算法啟動(dòng)前，由于被動(dòng)檢測(cè)法檢測(cè)盲區(qū)的存在，逆變器在孤島情況下繼續(xù)發(fā)電，主動(dòng)孤島算法啟動(dòng)后，由于電流波形畸變使得接入點(diǎn)處電壓形成正反饋，在50m內(nèi)可以系統(tǒng)頻率超出正常值，逆變器停止工作，孤島檢測(cè)取得成功。

圖5功率1.5kW時(shí)，防孤島動(dòng)作時(shí)間為44ms

圖6功率3kW時(shí)，防孤島動(dòng)作時(shí)間為8ms

圖7功率6kW時(shí)，防孤島動(dòng)作時(shí)間為14ms

7結(jié)論

本文提出了一種自適應(yīng)頻率偏移孤島檢測(cè)算法，該算法通過(guò)控制無(wú)功電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)電流頻率偏移，從而實(shí)現(xiàn)孤島狀態(tài)下接入點(diǎn)電壓頻率的正反饋，進(jìn)而檢測(cè)出孤島。將該算法與傳統(tǒng)的被動(dòng)檢測(cè)算法相結(jié)合，不僅對(duì)電力系統(tǒng)的污染較小，消除了傳統(tǒng)孤島檢測(cè)算法存在的檢測(cè)盲區(qū)，而且克服了傳統(tǒng)AFD算法有功電流波動(dòng)的缺點(diǎn)，提高了直流母線電壓的穩(wěn)定性。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的工程使用價(jià)值，不僅適用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，也適用于其它采用三相逆變器并網(wǎng)的分布式發(fā)電系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]趙清林,郭小強(qiáng),鄔偉揚(yáng).單相逆變器并網(wǎng)控制技術(shù)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(16):60-64.

[2]ProcceedingsoftheCSEE,2007,27（16）:60-64(inChinese).

[3]吳春華,陳國(guó)呈,丁海洋,等.一種新型光伏并網(wǎng)逆變器控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27（33）：103-107.

[4]郭小強(qiáng),趙清林,鄔偉揚(yáng).光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測(cè)技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007,22(4):157-161.

[5]劉芙蓉,康勇,段善旭,等．主動(dòng)移頻式孤島檢測(cè)方法的參數(shù)優(yōu)化[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(1)：95-99．