基于電壓不平衡度正反饋的孤島檢測(cè)新方法

孫 博，鄭建勇，梅 軍

（東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

0 引言

隨著分布式發(fā)電由獨(dú)立發(fā)電模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒕W(wǎng)發(fā)電模式，孤島問(wèn)題也日益突顯。所謂的孤島效應(yīng)是指當(dāng)出現(xiàn)事故、故障或是維修停電等其他原因而造成供電系統(tǒng)不能進(jìn)行工作時(shí)，分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由于不能有效及時(shí)地檢測(cè)出供電系統(tǒng)的停電狀態(tài)而不能及時(shí)地與電網(wǎng)切斷，從而造成逆變器給周圍的用電設(shè)備不斷地持續(xù)供電的電氣現(xiàn)象。孤島效應(yīng)不僅會(huì)對(duì)整套配電系統(tǒng)以及用戶端的設(shè)備造成很大的危害，同時(shí)也會(huì)對(duì)人自身造成傷害，因此孤島檢測(cè)具有十分重要的意義[1-2]。

傳統(tǒng)的孤島效應(yīng)檢測(cè)技術(shù)根據(jù)檢測(cè)方式的不同可以被劃分為兩大類：被動(dòng)式和主動(dòng)式[3]。被動(dòng)式檢測(cè)技術(shù)通過(guò)監(jiān)測(cè)公共耦合點(diǎn)（PCC）處的電壓、相位、頻率和諧波的變化來(lái)判斷孤島效應(yīng)的發(fā)生，雖然被動(dòng)式方法易于實(shí)現(xiàn)，但這種方法存在較大的檢測(cè)盲區(qū)[4-9]。主動(dòng)式檢測(cè)技術(shù)是指在系統(tǒng)中主動(dòng)地加上一定的擾動(dòng)信號(hào)，如有功／無(wú)功電流、相位、頻率或是有功／無(wú)功功率等。當(dāng)孤島發(fā)生時(shí)，這些擾動(dòng)將會(huì)使PCC處的電壓幅值、頻率或是諧波發(fā)生變化，直至超出正常范圍，從而檢測(cè)出孤島。雖然主動(dòng)式檢測(cè)法的檢測(cè)盲區(qū)很小，但是這些擾動(dòng)信號(hào)會(huì)對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量造成影響[10-14]。同時(shí)在實(shí)際中，電網(wǎng)也會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的暫態(tài)現(xiàn)象，如電網(wǎng)電壓幅值發(fā)生變化，在這種偽孤島的情況下，傳統(tǒng)的孤島檢測(cè)方法有可能會(huì)出現(xiàn)誤操作[15]。既能快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出孤島，又不會(huì)對(duì)電能質(zhì)量造成破壞，是對(duì)孤島檢測(cè)的基本要求[16]。針對(duì)目前被動(dòng)式與主動(dòng)式孤島檢測(cè)法存在的不足，本文提出一種基于有功電流-電壓不平衡度正反饋的孤島檢測(cè)方法。在負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為2.5的情況下以光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，該方法具有非破壞性和無(wú)盲區(qū)檢測(cè)等特點(diǎn)，同時(shí)能夠有效地避免偽孤島情況下的誤操作。

1 孤島檢測(cè)原理

當(dāng)光伏系統(tǒng)單位功率因數(shù)并網(wǎng)時(shí)，PCC處的電壓由電網(wǎng)決定，此時(shí)逆變器工作在輸出電流控制模式。

設(shè)逆變器輸出電流初試參考值為：

其中，Im為輸出電流幅值。

式（1）經(jīng)Park變換可得兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq軸下的分量：

其中，i*d、i*q分別為系統(tǒng)有功電流與無(wú)功電流的參考值。

當(dāng)孤島發(fā)生后，由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)載發(fā)生變化，PCC處電壓將會(huì)產(chǎn)生不平衡，因此引入有功電流-電壓不平衡度正反饋，引入正反饋后，系統(tǒng)的輸出電流可表示為：

其中，K為正反饋系數(shù)；ε為PCC處電壓不平衡度。

電壓不平衡度為負(fù)序電壓幅值與正序電壓幅值的百分比，即：

式（3）經(jīng)Park反變換可得：

由式（5）可以看出，系統(tǒng)正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，引入電壓不平衡度正反饋回路不會(huì)影響輸出電流的頻率，并且GB／T15543—1995規(guī)定正常情況下PCC處的電壓不平衡度允許值為2%，短時(shí)不能超過(guò)4%，因此正反饋回路對(duì)于輸出電流也幾乎沒(méi)有任何影響。

基于有功電流-電壓不平衡度正反饋檢測(cè)方法的逆變器并網(wǎng)控制框圖如圖1所示。

圖1 基于有功電流-電壓不平衡度正反饋檢測(cè)方法的原理框圖Fig.1 Block diagram of islanding detection based on positive feedback between active current and voltage unbalance factor

孤島發(fā)生后，逆變器單獨(dú)為負(fù)載供電，由圖1可知，系統(tǒng)中存在的有功電流-電壓不平衡度正反饋回路將會(huì)導(dǎo)致PCC處電壓不平衡度呈放大趨勢(shì)，因此，可以通過(guò)檢測(cè)PCC處的電壓不平衡度是否超過(guò)預(yù)設(shè)閾值來(lái)判斷孤島的發(fā)生。

對(duì)于三相平衡負(fù)載，孤島發(fā)生后，PCC處電壓為：

由式（6）可以看出，當(dāng)孤島發(fā)生后，系數(shù)K越大，系統(tǒng)正反饋環(huán)路增益越高，電壓不平衡度越容易被放大，而過(guò)大的K值將會(huì)對(duì)正常運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量造成影響，因此在實(shí)際應(yīng)用中K的取值要綜合以上2點(diǎn)進(jìn)行考慮。

在實(shí)際中，電網(wǎng)也會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的電壓暫態(tài)現(xiàn)象，如電網(wǎng)電壓幅值、頻率或者相位發(fā)生變化，在這種偽孤島的情況下，電壓不平衡度會(huì)有一個(gè)短暫的變化，隨后會(huì)變回為規(guī)定值以下，因此不能單一地根據(jù)電壓不平衡度是否超過(guò)預(yù)設(shè)閾值來(lái)判定孤島發(fā)生。所以本方法引入判定時(shí)長(zhǎng)tp，當(dāng)電壓不平衡度超過(guò)預(yù)設(shè)閾值ε*的時(shí)間超過(guò)判定時(shí)長(zhǎng)tp時(shí)，則可確定孤島確實(shí)發(fā)生。過(guò)長(zhǎng)的tp將會(huì)導(dǎo)致孤島發(fā)生時(shí)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在孤島狀態(tài)下，過(guò)短的tp將會(huì)導(dǎo)致不能有效地判斷偽孤島的情況，因此綜合考慮，設(shè)定tp為20 ms。

2 電壓正、負(fù)序分量提取

電壓不平衡度為負(fù)序電壓幅值與正序電壓幅值的百分比，因此本方法的關(guān)鍵是電壓正、負(fù)序分量的提取。

本文采用基于解耦的正負(fù)序分離方法，定義負(fù)序坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)相角θN=-θP=-ωt，從而可得任意矢量U在正負(fù)序坐標(biāo)系下的表達(dá)式：

其中，UPdx、UPqx分別為電壓在正序坐標(biāo)系下的d、q軸分量；UNdx、UNqx分別為電壓在負(fù)序坐標(biāo)系下的d、q軸分量；UPd、UNd分別為d軸上的正、負(fù)序電壓分量；UPq、UNq分別為q軸上的正、負(fù)序電壓分量。

由式（7）可見(jiàn)，三相電壓在正負(fù)序坐標(biāo)系下除了正序的直流量外，還含有幅值為三相電網(wǎng)在正負(fù)序坐標(biāo)系下分量的dq軸2次諧波，因此只要減去耦合項(xiàng)就可以將正序電壓分離出來(lái)。解耦部分計(jì)算如式（8）所示：

其中，UPdm、UNdm分別為正序電壓與負(fù)序電壓幅值。

為了完整地分離出正負(fù)序信息，將解耦計(jì)算輸出結(jié)果經(jīng)過(guò)一階低通濾波器（LPF），這樣既能夠令解耦環(huán)節(jié)穩(wěn)定，同時(shí)又可以在輸入量包含低次諧波時(shí)抑制低次諧波干擾，準(zhǔn)確分離出正、負(fù)序信息。然而低通濾波器的引入勢(shì)必會(huì)造成系統(tǒng)帶寬的損失，降低系統(tǒng)的快速性。為了避免低通濾波器對(duì)系統(tǒng)帶寬的影響，取低通濾波器之前的信息作為系統(tǒng)的反饋?zhàn)兞浚?、?fù)序分離方法控制框圖如圖2所示。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 孤島檢測(cè)

本文在IEEE Std.1547標(biāo)準(zhǔn)中所定義的最惡劣情況下，使用MATLAB軟件對(duì)所提出的孤島檢測(cè)方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真中根據(jù)圖3搭建主電路，具體參數(shù)如下：三相電網(wǎng)電壓為380 V／50 Hz，直流母線電壓為580 V，逆變器額定功率為6 kW，并聯(lián)RLC負(fù)載額定功率為6 kW，負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為2.5，開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz。由于GB／T15543—1995規(guī)定正常情況下PCC處的電壓不平衡度允許值為2%，短時(shí)不能超過(guò)4%，因此仿真中設(shè)定電壓不平衡度閾值ε*為3%，偽孤島判定時(shí)長(zhǎng)tp為20 ms。

圖2 正、負(fù)序分離控制框圖Fig.2 Block diagram of positive and negative sequence separation control

圖3 標(biāo)準(zhǔn)孤島檢測(cè)系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic diagram of islanding detection system

仿真開(kāi)始時(shí)，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，在0.15 s時(shí)，斷開(kāi)三相電網(wǎng)以模擬孤島的發(fā)生，仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，在正常情況下，逆變器輸出基本不受影響，當(dāng)孤島發(fā)生后，電壓不平衡度在正反饋回路的影響下迅速增大，并在0.05 s后超過(guò)預(yù)設(shè)閾值3%，在20 ms的判定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，電壓不平衡度一直超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，因此在0.22 s處判定孤島發(fā)生，整個(gè)孤島檢測(cè)時(shí)間為0.07 s，符合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，在檢測(cè)過(guò)程中，PCC處電壓和頻率均在正常范圍之內(nèi)，電能質(zhì)量未遭到破壞，實(shí)現(xiàn)了非破壞性檢測(cè)。

微網(wǎng)的孤島狀態(tài)還包括單相和兩相斷路的情況，檢測(cè)結(jié)果分別如圖5和圖6所示。在單相斷路和兩相斷路的情況下，由于電網(wǎng)的不平衡狀態(tài)，電壓不平衡度均能在短時(shí)間內(nèi)超出預(yù)設(shè)閾值，并且持續(xù)時(shí)間超過(guò)判定時(shí)長(zhǎng)，孤島檢測(cè)成功。

3.2 偽孤島的防止

仿真開(kāi)始時(shí)，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，在0.15 s時(shí)，將三相電網(wǎng)電壓幅值由311 V降為156 V以模擬偽孤島情況，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖4 孤島檢測(cè)仿真結(jié)果Fig.4 Simulative results of islanding detection

圖5 單相斷路孤島檢測(cè)仿真結(jié)果Fig.5 Simulative results of islanding detection for single-phase open

圖6 兩相斷路孤島檢測(cè)仿真結(jié)果Fig.6 Simulative results of islanding detection for two-phase open

由圖7可以看出，當(dāng)偽孤島發(fā)生時(shí)，電壓不平衡度有一個(gè)明顯的變化，但在極短時(shí)間內(nèi)又恢復(fù)正常，由于在20 ms的判定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，電壓不平衡度沒(méi)有一直超出預(yù)設(shè)閾值，所以系統(tǒng)判定為偽孤島情況。

圖7 偽孤島仿真波形Fig.7 Simulative results of false islanding

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)孤島檢測(cè)方法存在檢測(cè)盲區(qū)和對(duì)電能質(zhì)量造成影響的弊端，本文提出一種基于有功電流-電壓不平衡度正反饋的孤島檢測(cè)方法，通過(guò)對(duì)PCC處電壓不平衡度的檢測(cè)即可判定孤島的發(fā)生。同時(shí)，本方法加入了偽孤島的判定條件，能夠有效地避免偽孤島情況下的誤操作。最后通過(guò)MATLAB仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果證明本方法能夠在IEEE Std.1547標(biāo)準(zhǔn)所定義的最惡劣情況下快速、有效地檢測(cè)出孤島的發(fā)生，并且實(shí)現(xiàn)了非破壞性與無(wú)盲區(qū)檢測(cè)，同時(shí)能夠避免偽孤島情況下的誤操作。