摘要：針對并網(wǎng)型光伏逆變器孤島檢測，提出了一種基于DQ變換的自適應(yīng)主動頻率偏移孤島檢測方法，該算法通過控制無功電流的大小來實現(xiàn)電流頻率偏移，從而實現(xiàn)孤島狀態(tài)下接入點電壓頻率的正反饋，進(jìn)而檢測出孤島?？捎行Х乐箓喂聧u并減小對電網(wǎng)的干擾，避免孤島保護(hù)誤動作。為了減小無功電流對電力系統(tǒng)的污染，需將該主動頻率偏移算法與傳統(tǒng)的被動孤島檢測算法結(jié)合起來使用。仿真和實驗結(jié)果表明該孤島檢測算法不僅消除了被動孤o0k島檢測算法在負(fù)載功率和逆變器功率匹配時存在的檢測盲區(qū)，而且克服了傳統(tǒng)主動頻率偏移算法有功電流波動的缺點，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)主動頻率偏移；孤島檢測

1引言

目前越來越多的光伏并網(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，會形成“孤島效應(yīng)”。由于孤島效應(yīng)會威脅到設(shè)備及人身安全，因此準(zhǔn)確及時地檢測出孤島效應(yīng)是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計中的一個關(guān)鍵性問題。孤島效應(yīng)檢測方法有被動式和主動式兩種，被動式利用電網(wǎng)斷電時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)檢測該方法在光伏系統(tǒng)輸出功率與局部負(fù)載功率平衡時將失去孤島效應(yīng)檢測能力；主動式是指通過控制逆變器，使其輸出功率頻率或相位存在一定的擾動電網(wǎng)正常工作時，由于電網(wǎng)的平衡作用，檢測不到這些擾動，一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，逆變器輸出的擾動將快速累積并超出允許范圍，從而觸發(fā)孤島效應(yīng)檢測電路有源頻率偏移法在主動檢測法中應(yīng)用較多該方法檢測精度高，檢測盲區(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)重時會對孤島效應(yīng)檢測速度變慢甚至失效。

針對以上孤島檢測方法的缺點，本文提出了一種新穎主動移頻式孤島檢測方法該方法簡化了系統(tǒng)控制檢測算法，分析基于DQ變換的自適應(yīng)頻率偏移法檢測孤島的原理，建立仿真模型，應(yīng)用MATLAB進(jìn)行時間域的仿真。該算法通過控制無功電流的大小來實現(xiàn)電流頻率偏移，從而實現(xiàn)孤島狀態(tài)下接入點電壓頻率的正反饋，進(jìn)而檢測出孤島。仿真和實驗結(jié)果驗證了該算法的有效性。

2自適應(yīng)頻率偏移孤島檢測算法

自適應(yīng)頻率偏移法是指在不同的公共節(jié)點電壓頻率情況下，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，而當(dāng)超出閥值范圍時，則加大頻率正反饋，從而加速頻率的變化來快速使節(jié)點電壓頻率超出頻率保護(hù)閥值，以便能夠快速檢測到孤島狀態(tài)，進(jìn)行孤島保護(hù)。算法流程圖見圖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和加大頻率擾動的頻率閥值。

當(dāng)在滿足頻率條件的時候，每隔一個周期增加2，實現(xiàn)增大頻率擾動，以便快速超出被動孤島檢測法過/欠頻頻率保護(hù)的范圍，從而實現(xiàn)快速檢測出孤島狀態(tài)。而如果一旦發(fā)現(xiàn)節(jié)點電壓頻率在頻率閥值范圍內(nèi)的時候，，變?yōu)榱?，這樣便可以防止由于并網(wǎng)時電網(wǎng)電壓頻率的波動而引起孤島保護(hù)誤動作，保證了并網(wǎng)系統(tǒng)工作的正常，減小了對并網(wǎng)系統(tǒng)正常工作的影響。

在并網(wǎng)開關(guān)閉合的時候，由于電網(wǎng)頻率的箝位作用使得節(jié)點電壓頻率跟隨電網(wǎng)電壓頻率，雖然在部分周期存在電流頻率的擾動，而逆變器輸出的電流每次在電網(wǎng)電壓過零點復(fù)位，從另一個新的正弦開始。但是如果當(dāng)并網(wǎng)開關(guān)斷開的時候，沒有電網(wǎng)電壓頻率的箝位作用，那么公共節(jié)點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，會相應(yīng)引起節(jié)點電壓頻率的上升或者下降，超出被動孤島檢測法頻率保護(hù)的閥值，從而檢測出孤島。

自適應(yīng)頻率偏移孤島檢測方法是基于對頻率偏移孤島檢測法進(jìn)行的改進(jìn)，本質(zhì)上也是屬于通過反饋結(jié)構(gòu)來進(jìn)行孤島檢測控制的。對于三相并網(wǎng)逆變器來說，反饋量采用ABC相電壓和電流值或應(yīng)用DQ變換實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換都可以實現(xiàn)，然而就當(dāng)今現(xiàn)代化數(shù)字控制的逆變器來說，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)下對逆變器輸出電流的頻率擾動，轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗖⒕W(wǎng)系統(tǒng)中，對經(jīng)過DQ變換后得到的角頻率ω以正反饋形式進(jìn)行頻率擾動，從而進(jìn)行對三相輸出電流的頻率擾動，實現(xiàn)自適應(yīng)頻率偏移法對三相逆變系統(tǒng)并網(wǎng)的孤島檢測。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為用主動頻率偏移法進(jìn)行孤島檢測的結(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逆變器開始工作，此時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電網(wǎng)提供有功、無功功率可近似為零，網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)開關(guān)0.4s斷開，系統(tǒng)處于孤島運行。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），此時逆變器停止工作，系統(tǒng)反孤島功能得以實現(xiàn)。

a接入點電壓鎖相環(huán)輸出

b接入點電壓

c電網(wǎng)電流

d逆變器電流

圖2主動頻率偏移發(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，檢測精度更一步提高，防孤島現(xiàn)象更明顯從而檢測到孤島現(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實驗結(jié)果

圖4給出了實驗接線圖，其中三相開關(guān)S1、S2分別為逆變器的電網(wǎng)分離開關(guān)和負(fù)載分離開關(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孤島檢測實驗接線圖

實驗平臺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。驅(qū)動電路采用英飛凌公司的2SP320V智能驅(qū)動模塊，該模塊通過光纖與控制電路連接對IGBT進(jìn)行驅(qū)動。

為了完成孤島檢測實驗，利用臺灣群菱的孤島檢測裝置ACLT-3803M作為三相RLC負(fù)載。實驗中可以通過設(shè)定開關(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)行孤島檢測實驗。

為了降低對電力系統(tǒng)的無功電流污染，實驗中采用被動和主動孤島檢測相結(jié)合的方法，周期性地加入電流畸變。其中被動檢測算法采用引言中提到的過欠壓、過欠頻檢測法。

首先對負(fù)載功率與逆變器功率不匹配情況下進(jìn)行孤島檢測實驗，實驗條件為：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，此時實驗，孤島形成后接入點電壓幅值將減小，5ms后系統(tǒng)檢測出異常，逆變器停止工作，孤島檢測成功。

然后對負(fù)載功率與逆變器功率匹配情況下進(jìn)行孤島檢測實驗，實驗條件為：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，同時根據(jù)國家檢測標(biāo)準(zhǔn)對于諧振頻率及品質(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效果，從波形看出在自適應(yīng)頻率偏移法算法啟動前，由于被動檢測法檢測盲區(qū)的存在，逆變器在孤島情況下繼續(xù)發(fā)電，主動孤島算法啟動后，由于電流波形畸變使得接入點處電壓形成正反饋，在50m內(nèi)可以系統(tǒng)頻率超出正常值，逆變器停止工作，孤島檢測取得成功。

圖5功率1.5kW時，防孤島動作時間為44ms

圖6功率3kW時，防孤島動作時間為8ms

圖7功率6kW時，防孤島動作時間為14ms

7結(jié)論

本文提出了一種自適應(yīng)頻率偏移孤島檢測算法，該算法通過控制無功電流的大小來實現(xiàn)電流頻率偏移，從而實現(xiàn)孤島狀態(tài)下接入點電壓頻率的正反饋，進(jìn)而檢測出孤島。將該算法與傳統(tǒng)的被動檢測算法相結(jié)合，不僅對電力系統(tǒng)的污染較小，消除了傳統(tǒng)孤島檢測算法存在的檢測盲區(qū)，而且克服了傳統(tǒng)AFD算法有功電流波動的缺點，提高了直流母線電壓的穩(wěn)定性。該方法實現(xiàn)簡單，具有較強的工程使用價值，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)。

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