基于三相光伏并網(wǎng)逆變器的新型孤島檢測方法研究

章勇高，蔡少華

（華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,江西 南昌330013）

基于三相光伏并網(wǎng)逆變器的新型孤島檢測方法研究

章勇高，蔡少華

（華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,江西 南昌330013）

孤島效應(yīng)是指一個或多個光伏系統(tǒng)在沒有電網(wǎng)支撐的情況下給本地負載供電的現(xiàn)象是光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)過程中的主要問題之一。非計劃的孤島效應(yīng)必須在最短的時間內(nèi)被監(jiān)測出來并采取措施來保證工作人員的安全和設(shè)備不被損壞。反孤島的檢測方法主要分為主動式、被動式檢測法和通迅檢測法，被動檢測法具有響應(yīng)快和對輸出電能質(zhì)量不產(chǎn)生影響的優(yōu)點，該方法的缺點是具有較大的檢測盲區(qū)（NDZ），另一方面，主動檢測法擁有相對較小的NDZ，并且同樣迅速。但是傳統(tǒng)的主動孤島檢測方法一般是通過注入擾動分量，這樣不利于電網(wǎng)的電能質(zhì)量。提出一種注入三次諧波的孤島檢測法，不僅能夠有效的檢測出孤島發(fā)生，還能夠在一定程度上改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。并對該方法進行仿真和試驗驗證。仿真和實驗結(jié)果證明了該方法的可行性和有效性。

逆變器；孤島檢測；三次諧波注入

光伏發(fā)電作為一種新型能源，在一次發(fā)電系統(tǒng)中占的比例越來越大[1]，光伏發(fā)電對電網(wǎng)帶來的影響也受到越來越多研究者的關(guān)注。在三相逆變器的基礎(chǔ)上進行研究的原因是大電網(wǎng)的三相是平衡的，光伏系統(tǒng)進行三相發(fā)電的優(yōu)勢是能夠直接滿足三相平衡的需求。三相發(fā)電同單相發(fā)電一樣也面臨著孤島問題。不論是有計劃還是非計劃的孤島，作為可能的安全隱患，逆變器都必須具備孤島檢測功能來檢測孤島是否發(fā)生。所以，在三相光伏發(fā)電系統(tǒng)中對孤島檢測進行研究具有一定的必要性[2]。

現(xiàn)有的孤島檢測方法主要分為三類[3－5]，即被動檢測，主動檢測和通訊監(jiān)測。被動檢測[6]優(yōu)勢在于，不需要增加任何設(shè)備，而是基于對幅值，相位，頻率等數(shù)值大小根據(jù)電網(wǎng)的參數(shù)限制來設(shè)定閾值。但是這種方法的缺點是由于電網(wǎng)所有繼電器無法做到一致動作，就有可能導(dǎo)致局部電網(wǎng)完全或者不完全匹配本地負載。導(dǎo)致上邊所給參數(shù)無法超過檢測的閾值，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)異常的情況下無法及時脫離電網(wǎng)。主動檢測[7－8]同樣具有不需要增加設(shè)備的優(yōu)點，該類檢測法主要是通過對控制算法中輸入關(guān)于幅值，相位，頻率的持續(xù)不間斷帶方向的擾動。使得孤島運行時其中部分參數(shù)能夠快速有效的偏移出正常允許范圍，從而觸發(fā)被動檢測。但是由于該類方法往往朝電網(wǎng)中持續(xù)注入擾動分量，給電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來影響，隨著這部分發(fā)電在電網(wǎng)中的份額逐步增加，輸入擾動信號帶來的電能質(zhì)量問題將會越來越明顯，會給電力系統(tǒng)的運行與維護增加成本。基于通訊監(jiān)測的方法[9－10]是其中最有效，且不存在孤島檢測盲區(qū)與電能質(zhì)量的問題，是一種很重要的發(fā)展方向，缺點是要增加額外的檢測設(shè)備，比較昂貴，而隨著設(shè)備成本的降低，以及智能電網(wǎng)的發(fā)展，這種方法將會起到越來越重要的作用[11]。

快速準確兩個指標是個矛盾體，不能單獨追求其中某一項而忽略另一項，如何做到快速與準確巧妙的平衡也是一個研究課題。通過在前人提出的方法基礎(chǔ)上對其進行改進，通過理論推導(dǎo)，Matlab仿真與現(xiàn)場實驗來進行研究。仿真與實驗結(jié)果表明，該方法不僅能夠做到快速與準確的檢測出孤島，而且能夠在電網(wǎng)正常運行時，能夠部分提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

1 注入三次諧波原理分析

1.1 注入三次諧波原理

在分析三次諧波孤島檢測法之前，首先分析注入三次諧波對供電電網(wǎng)的影響，假設(shè)對三相逆變器輸出電流ia，ib，ic中注入幅值K，角頻率為3ω0的三相對稱電流，如

1.2 運行模式

三次諧波注入工作在兩種模式下，分別為運行模式Ⅰ和運行模式Ⅱ。

1）運行模式Ⅰ，為孤島檢測模式，該模式的工作原理為：孤島發(fā)生時候，無三次諧波或少量三次諧波，控制逆變器輸入三次諧波量，經(jīng)由正反饋之后，三次諧波越來越大從而設(shè)置閾值來判斷孤島發(fā)生。

傳統(tǒng)的孤島檢測方法在某些特別情況下，可能會因為產(chǎn)生的擾動量被抵消，從而導(dǎo)致孤島檢測的失敗。運行模式Ⅰ為了避免特定的取值可能導(dǎo)致的檢測失敗，采用的是根據(jù)三次諧波分量的大小來進行正反饋從而在孤島情況下能夠放大三次諧波分量，最終超出正常范圍。

2）運行模式Ⅱ，為正常并網(wǎng)模式，經(jīng)過電網(wǎng)三次諧波檢測，經(jīng)由控制器控制注入三次諧波電流，在負載上產(chǎn)生反向三次諧波電壓從而部分抵消電網(wǎng)中的三次諧波，改善電網(wǎng)本身的電能質(zhì)量。

運行模式Ⅱ是基于逆變器輸出的三次諧波并不足以影響到整個電網(wǎng)的三次諧波總的分量的情況下，通過采取與與電網(wǎng)三次諧波分量反向的方式來達到部分降低電網(wǎng)三次諧波的目的。

2 三次諧波注入法實現(xiàn)的控制策略

2.1 濾波器原理

準確的檢測電壓三次諧波是控制注入三次電流的基礎(chǔ)。在檢測三次諧波的方式上選擇算法，該算法可視作一個數(shù)字濾波器，傳遞函數(shù)表達式為

式中：N為輸入信號采樣點數(shù)；m取值為0，1，…，N-1，本文選擇的值為注入諧波的次數(shù)。假設(shè)注入諧波的頻率為fdist、采樣信號采集的頻率為fsam和電網(wǎng)工作頻率即工頻為fg，那么N、m要滿足

傳遞函數(shù)的功能可由圖1的框圖來實現(xiàn)。其中：vm為m次諧波電壓；vPCC為耦合點處電壓。

圖1 滑動濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of sliding Goertzel filter

從圖1可推出關(guān)系式（12），式（13）

由式（12），式（13）可得

wm（n）的幅值可以通過式（15）來計算

通過式（14），式（15）能夠計算出三次諧波的電壓幅值與相位。通過跟蹤v（3）能夠控制輸入三次諧波電流的相位與取值。

2.2 注入三次諧波設(shè)計

注入三次諧波的大小可以定義為

工程實踐表明當(dāng)k取0.10時即在三次諧波分量在電流中所占的百分比達到4.7%的時候，總的諧波含量（THD）將會達到5%，電網(wǎng)的規(guī)定總諧波諧波畸變率不能超過5%，所以0.10為檢測孤島發(fā)生與否的臨界值。

式（17）中a取接近于1的數(shù)值，工程實踐可根據(jù)需求取相應(yīng)要求的大小，這里選取為0.99。其中a的取值可正可負，當(dāng)電網(wǎng)電壓三次諧波過量，可以控制逆變器輸出一部分反向的三次諧波，起到調(diào)節(jié)電網(wǎng)電能質(zhì)量的作用，也可以通過控制k的取值起到孤島檢測的作用。

2.3 控制實現(xiàn)與功能實現(xiàn)流程

本文所采用的三次諧波注入控制策略的控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。在圖中，逆變器采用的dq坐標下直接電流控制策略。耦合點（PCC）處電壓vPCC經(jīng)過dq變換后，經(jīng)過鎖相環(huán)PLL得到基準相位角θg，通過采用注入擾動相位的方式來實現(xiàn)三次諧波注入產(chǎn)生新的相位角θinv*，在經(jīng)由電流電壓內(nèi)外環(huán)產(chǎn)生的信號，經(jīng)過dq轉(zhuǎn)αβ變換之后產(chǎn)生SVPWM的輸入信號，最終通過控制開關(guān)管Si來產(chǎn)生注入三次諧波的電流。

式中：iinv為逆變器電流；θg為基準相位角。系數(shù)k不宜過大或過小。過小將無法在逆變側(cè)體現(xiàn)出來3次分量；過大容易產(chǎn)生畸變，反而會增大諧波畸變率。那么系數(shù)k的取值變得很關(guān)鍵，首先定義系數(shù)的取值

圖2 實現(xiàn)三次諧波注入的控制框圖Fig.2 Control block diagram of the third harmonic injection

圖3為實現(xiàn)孤島檢測算法的軟件流程圖。如圖，注入三次諧波首先要測量PCC點三次諧波電壓v3，首先判斷三次諧波量是否正常，如果正常那么三次諧波注入的幅值k取與v3相反，并輸入擾動值。繼續(xù)測量PCC點的v3。如果變化不正常，那么繼續(xù)判斷，是否超出允許范圍。超出允許范圍的情況下則檢測出孤島發(fā)生，控制逆變器脫離電網(wǎng)。假如未超出，則控制三次諧波注入的幅值k與v3同向，加入擾動信號，繼續(xù)測量PCC點電壓v3。達到實現(xiàn)既能檢測孤島，兼具改善電能質(zhì)量的目的。

圖3 注入三次諧波流程圖Fig.3 Flow chart of the third harmonic injection

3 仿真與實驗驗證

對孤島策略的仿真參數(shù)如下：母線電容電壓設(shè)置為800 V，電網(wǎng)電壓為220 V，頻率50 Hz。電網(wǎng)等效電抗為1.8 mH，LC濾波器中電感取5 mH，電容取47 uF。逆變器開關(guān)管開關(guān)頻率取20 kHz，電壓電流采集頻率為1 kHz。本地等效RLC諧振負載的諧振頻率取50 Hz，負載品質(zhì)因數(shù)Q取2.5，R=174.8 Ω，L=220 mH，C=45 μF。

仿真結(jié)果如圖4所示，在圖中能夠看出，控制等效電網(wǎng)于1.06 s的時候發(fā)生故障，逆變器在經(jīng)過孤島檢測控制，于1.1 s的時候停止加大幅值檢測，實際檢測時間為0.04 s，由于電網(wǎng)自身并不是理想的電源，為了防止，逆變器在電網(wǎng)正常供電的，但有擾動的情況下，頻繁的開關(guān)機?？刂颇孀兤鬏敵龆穗妷旱涞揭欢ㄖ禃r，保持這個大小繼續(xù)運行一設(shè)定時間（根據(jù)具體要求給定，本文給定為500 ms），測出電網(wǎng)電壓仍然異常的情況下，控制逆變器脫離電網(wǎng)。

圖4 孤島檢測圖Fig.4 Islanding detection

在4.8 kW三相逆變器進行三次諧波注入孤島檢測實驗驗證。實驗參數(shù)與仿真參數(shù)基本相同。本地負載則有孤島發(fā)生模擬裝置代替。圖5所示波形為注入三次諧波擾動檢測實驗效果圖，從圖中可以看出，該方法使用了27.8 ms檢測出孤島發(fā)生。

圖6所示波形為本文所使用的控制策略的實驗效果圖，從圖中我們能夠看出，檢測出孤島發(fā)生之后，該控制方法繼續(xù)控制逆變器運行500 ms。在此期間內(nèi)，逆變器并未檢測到電網(wǎng)恢復(fù)正常范圍。檢測出孤島發(fā)生，控制逆變器脫離電網(wǎng)。

圖5 三次諧波注入檢測波形圖Fig.5 Detection waveform of the third harmonic injection

圖6 孤島實驗檢測圖Fig.6 Islanding test and detection

圖7所示的為電網(wǎng)正常運行的情況下，功率分析儀所測得的該孤島控制策略對電網(wǎng)各次諧波的大小的影響。從圖中我們能夠看出，三次諧波的含量控制了在2.724%，總得電流諧波畸變率（THD）為2.924%符合電網(wǎng)5%的要求，功率因數(shù)能夠λ能夠達到0.99。我們能夠該方法能夠很好的實現(xiàn)逆變器高電能質(zhì)量注入電網(wǎng)中。

圖7 逆變器正常并網(wǎng)運行的諧波分析Fig.7 Harmonic analysis on three-phase inverter in normal grid work

4 結(jié)論

提出了三相逆變器注入三次諧波孤島檢測方法，分析了注入三次諧波的原理，及該方法的運行模式，提出相應(yīng)的控制策略。并通過仿真和實驗驗證該方法的可行性與有效性。該方法具有以下優(yōu)勢：

1）能夠做到快速有效的檢測出孤島發(fā)生，并且能夠做到零盲區(qū)。

2）不僅能夠做到對電網(wǎng)不產(chǎn)生新的污染，還能夠做到改善電網(wǎng)正常供電情況下的電能質(zhì)量。

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Research on New Islanding Detection Based on Three-Phase Photovoltaic Grid-Connected Inverter

Zhang Yonggao，Cai Shaohua
（School of Electrical and Automation Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China）

Islanding is one of the major problems in photovoltaic（PV）power generation systems.Islanding occurs when one or more PVs supply local loads without connection of grid utility.This unplanned condition must be detected in the shortest possible time and countermeasures should be taken to prevent hazardous effects on staff and equipment.The three main methods of anti-islanding are passive method,active method and communications test method.The passive method is favorable in the speed of detection and power quality,but it has rela tively large non-detection zone（NDZ）.On the other hand,the active method has relatively smaller NDZ with quick detection speeds.However,the traditional active islanding detection method is injecting the disturbance component，which affects grid power quality.In this paper,a third harmonic injection islanding detection method is proposed,which can not only effectively detect islanding but also improve power quality to a certain extent.Simulation and experimental verification are carried out,whose results verify the feasibility and effectiveness of the new method.

inverter;islanding detection;third harmonic injection

TM46

A

1005-0523（2016）06-0124-07

（責(zé)任編輯 姜紅貴）

2016－04－25

國家自然科學(xué)基金（51467006）；江西省科技廳項目（20151BBE50118，20161BBH80032）

章勇高（1975—），男，副教授，博士，研究方向為電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。