遼寧工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 張 玉 孟麗囡

0 引言

隨著人類社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，能源需求也與日俱增。但由于煤炭、石油等傳統(tǒng)能源面臨著過度開采而枯竭和污染環(huán)境的問題，越來越多的光伏發(fā)電設(shè)備作為分布式電源被投入使用[1]。但隨之而來的，在光伏并網(wǎng)發(fā)電過程中也會(huì)產(chǎn)生一些問題，孤島現(xiàn)象便是其中之一。一旦發(fā)生孤島現(xiàn)象，說明電網(wǎng)不能安全穩(wěn)定運(yùn)行，而光伏系統(tǒng)也處在非正常工作狀態(tài)。同時(shí)，檢修人員正在進(jìn)行作業(yè)，會(huì)對(duì)其人身安全造成威脅等等。因此，如何避免和解決孤島仍是我們需要研究的課題。

1 孤島效應(yīng)

1.1 孤島產(chǎn)生機(jī)理

孤島檢測(cè)電路如圖1所示，其中，P+jQ代表光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，Pload+jQload代表本地負(fù)載所需的功率，Pg+jQg代表電網(wǎng)功率，PCC為公共耦合點(diǎn)。

圖1 孤島檢測(cè)電路

（1）S閉合，電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)：

同時(shí)：

VPCC為公共耦合點(diǎn)處的電壓，w為電壓角頻率。

（2）S斷開，電網(wǎng)停止工作，本地負(fù)載需要的有功、無功功率均來自光伏系統(tǒng)，則：

由公式(1)～(3)知，電網(wǎng)斷開后，供電模式由電網(wǎng)和光伏系統(tǒng)共同給負(fù)載供電變?yōu)楣夥到y(tǒng)單獨(dú)向負(fù)載供電，此時(shí)光伏系統(tǒng)和負(fù)載就形成了孤島。同時(shí)由于供電方式的轉(zhuǎn)變，負(fù)載所需功率和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)所提供的功率之間差異會(huì)造成并網(wǎng)點(diǎn)處電壓和頻率的突變，此時(shí)可以根據(jù)PCC處電壓或頻率是否超出閾值范圍來判斷孤島；然而當(dāng)PCC處電壓或頻率變化較小時(shí)，會(huì)給檢測(cè)帶來困難。此時(shí)就需要采取一定的措施來快速檢測(cè)孤島，以保證光伏并網(wǎng)系統(tǒng)能安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 常見的孤島檢測(cè)方法

文獻(xiàn)[2]對(duì)孤島檢測(cè)方法進(jìn)行了概括，目前常用的大致分為兩種：主動(dòng)式和被動(dòng)式。被動(dòng)式檢測(cè)方法是根據(jù)PCC處的電壓、頻率等是否在正常運(yùn)行范圍內(nèi)來判斷電網(wǎng)是否脫離運(yùn)行。該方法操作簡(jiǎn)單，不引入其他干擾，對(duì)電網(wǎng)的影響較小。但其主要不足在于不可檢測(cè)區(qū)域較大，且易發(fā)生誤檢。常用的被動(dòng)式檢測(cè)方法有：過/欠頻率和過/欠電壓檢測(cè)法、相角跳變檢測(cè)法、電壓諧波檢測(cè)法等。

主動(dòng)式孤島檢測(cè)法不同于被動(dòng)式檢測(cè)法，其不可檢測(cè)區(qū)域相對(duì)更小，其操作更加穩(wěn)定不易誤檢。主動(dòng)檢測(cè)法的原理是：通過對(duì)逆變器輸出的電流在幅值、相位或者頻率等參數(shù)上實(shí)加小的擾動(dòng)，然后觀察各量的變化是否超限，以此判斷是否發(fā)生孤島。其中，比較常用的方法有：阻抗測(cè)量法、主動(dòng)頻率偏移法、 Sandia頻率偏移法、滑模頻率偏移法等。

本文所研究的方法屬于主動(dòng)式孤島檢測(cè)法，通過在Simulink中建立仿真模型，驗(yàn)證其有效性。

2 帶正反饋的自適應(yīng)相位偏移孤島檢測(cè)法

為了解決被動(dòng)式檢測(cè)法具有的檢測(cè)盲區(qū)大及檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)的問題，本文研究了帶正反饋的自適應(yīng)相位偏移的主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法。該方法是對(duì)逆變器輸出電流的相位添加一個(gè)小的擾動(dòng)并加入正反饋，通過相位的自動(dòng)偏移最終使電壓的頻率發(fā)生變化，然后根據(jù)該變化是否越限來判斷孤島是否發(fā)生。

逆變器輸出電流表達(dá)式為：

其中θAPS為自適應(yīng)相位偏移量，表達(dá)式如下：

θ0是人為加入的小擾動(dòng)，使負(fù)載和光伏系統(tǒng)的功率產(chǎn)生差額不至于相等。sign(f-fg)為符號(hào)函數(shù)：當(dāng)f≥fg時(shí)sign(f-fg)=1，當(dāng)f＜fg時(shí)sign(f-fg)=-1。k是自適應(yīng)相位偏移系數(shù)，fg為工頻50HZ。

當(dāng)電網(wǎng)未脫離系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，PCC處的電壓等同于電網(wǎng)電壓，此時(shí)由θ0產(chǎn)生的變化被電網(wǎng)吸收，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。一旦電網(wǎng)斷電，PCC處電壓將變?yōu)樨?fù)載兩端的電壓，若其頻率略微增大，在θ0的作用下，系統(tǒng)平衡被打破。在電壓電流相位差到達(dá)新平衡點(diǎn)的過程中，由于負(fù)載相位角與電壓頻率呈正比[3]，逆變器的輸出電流為了跟隨給定信號(hào)，會(huì)使頻率f變大，這樣使得f-fg的差值變大，從而增大了下一個(gè)電流控制時(shí)刻的相位漂移值θAPS，這又進(jìn)一步使頻率變大，從而形成一個(gè)正反饋，PCC處的電壓頻率很快就會(huì)超出正常運(yùn)行時(shí)的頻率范圍，從而檢測(cè)出孤島。反之，由于過低頻而判斷孤島發(fā)生。

電網(wǎng)斷電時(shí)，PCC處的電壓電流相位差不僅與θAPS有關(guān)，還與本地負(fù)載的電壓電流相位角θload有關(guān)。

并聯(lián)RLC負(fù)載電壓電流相位角如下：

結(jié)合并聯(lián)RLC負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)Q和諧振頻率f0可得：

當(dāng)RLC負(fù)載的諧振頻率為50HZ且負(fù)載所需有功與逆變器所輸出的功率匹配時(shí)，電網(wǎng)斷電后本地系統(tǒng)的電壓幅值和頻率不發(fā)生變化是最難檢測(cè)孤島的情況。故取f0=50HZ。則由式(7)得負(fù)載相位角隨頻率的變化曲線如圖2所示。

由圖2可知，f為50HZ時(shí)θload為0，當(dāng)f>50HZ時(shí)θload隨f增大而增大，f＜50HZ時(shí)θload隨f的減小反向增大。因此，為了能準(zhǔn)確檢測(cè)出孤島，避免θAPS被θload抵消，需滿足逆變器輸出電流的相角變化率大于負(fù)載的相角變化率，即：

求解上式后可得，自適應(yīng)相位偏移系數(shù)k需滿足：

3 仿真及分析

在MATLAB平臺(tái)上搭建模型。參數(shù)設(shè)置為：直流側(cè)電壓400V，電網(wǎng)電壓為155V/50HZ，并聯(lián)RLC負(fù)載為6Ω、7.65mH、1300μF，仿真總時(shí)長(zhǎng)0.4s，電網(wǎng)在0.1s時(shí)斷開，模擬孤島的發(fā)生。計(jì)算可得：k＞0.1。取k=0.11，θ0=0.02，PCC處斷網(wǎng)前后電壓波形，逆變器輸出電流波形及PCC處電壓頻率分別如圖3-4所示。

在0.1s后電網(wǎng)停止工作，圖3可以觀察到，電網(wǎng)斷電后后PCC處電壓有所降低，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)和負(fù)載暫時(shí)達(dá)到平衡，電壓電流不會(huì)立即降為0，在頻率正反饋的作用下會(huì)使頻率偏移量增大直至超出閾值范圍，從而檢測(cè)出孤島。通過圖4可以看到，PCC處電壓頻率在0.16s時(shí)超過50.5HZ，逆變器輸出電流變?yōu)?，光伏系統(tǒng)斷開連接。系統(tǒng)做出保護(hù)動(dòng)作總用時(shí)0.06s，遠(yuǎn)小于2s。能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成檢測(cè)，說明該方法有效。

圖2 負(fù)載相位角與頻率的關(guān)系曲線圖

圖3 公共連接點(diǎn)處電壓和電流波形

圖4 公共連接點(diǎn)處電壓頻率的波形

4 結(jié)論

本文對(duì)孤島發(fā)生的原理進(jìn)行了分析，說明了孤島檢測(cè)的重要性，并對(duì)主/被動(dòng)式檢測(cè)方法的原理及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了闡述。研究了帶正反饋的自適應(yīng)相位偏移檢測(cè)法，對(duì)其原理進(jìn)行了分析，并在MATLAB中建立了模型對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明該方法符合孤島檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)并且能夠快速檢測(cè)出孤島現(xiàn)象。

[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].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(16)：60-64.

[2]楊彥會(huì).分布式發(fā)電反孤島保護(hù)檢測(cè)方法[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,2017,39(01)：34-43.

[3]P O Kane,B Fox.Loss of mains detection for embedded generation by system impedance monitoring[C].In Proc.Sixth International Conference on Developments in Power System Protection,March 1997：95-98.