光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的孤島檢測(cè)

　　綜上所述，被動(dòng)式檢測(cè)孤島方法原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)電力系統(tǒng)無(wú)諧波影響等優(yōu)點(diǎn)。但主要問(wèn)題就是難以確定閾值，閾值既要大于正常運(yùn)行時(shí)的值，又要小于等于孤島時(shí)的值。由于并網(wǎng)逆變系統(tǒng)本身的輸出也會(huì)有波動(dòng);電網(wǎng)自身也與理想情況有差異;某些用電負(fù)荷的啟停也會(huì)對(duì)頻率、電壓產(chǎn)生影響;當(dāng)用電負(fù)荷和并網(wǎng)系統(tǒng)功率匹配時(shí)，檢測(cè)盲區(qū)較大;多臺(tái)并網(wǎng)逆變系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行時(shí)相互之間也會(huì)產(chǎn)生影響，干擾各自的孤島檢測(cè)。所以被動(dòng)式的孤島檢測(cè)方法一般不單獨(dú)使用，它通常作為輔助性的檢測(cè)手段與主動(dòng)式檢測(cè)方法配合使用。

　　4.2 主動(dòng)式(有源)檢測(cè)方法

　　主動(dòng)式檢測(cè)方法是在逆變器的控制信號(hào)中加入很小的電壓、電流或相位擾動(dòng)信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)公共耦合點(diǎn)(ppc點(diǎn))的響應(yīng)情況判斷是否發(fā)生孤島現(xiàn)象的。正常工作時(shí)，由于電網(wǎng)的作用系統(tǒng)檢測(cè)不到這些擾動(dòng)，一旦電網(wǎng)斷電，加入的擾動(dòng)信號(hào)一般通過(guò)正反饋快速進(jìn)行累積使電壓、頻率或相位超出允許的閾值范圍，從而檢測(cè)出孤島現(xiàn)象的發(fā)生。主動(dòng)式檢測(cè)方法檢測(cè)精度高，檢測(cè)盲區(qū)小，但是由于加入了擾動(dòng)信號(hào)，降低了逆變器的輸出電流質(zhì)量，增加了系統(tǒng)的總諧波失真度(thd)。常見(jiàn)的主動(dòng)式(有源)檢測(cè)方法有有源頻率漂移(fad)檢測(cè)，滑模頻率偏移(sms)檢測(cè)和輸出功率擾動(dòng)檢測(cè)等方法。

　　4.2.1 有源頻率漂移(fad)檢測(cè)

　　有源頻率偏移(afd)是目前一種常見(jiàn)的輸出頻率擾動(dòng)孤島效應(yīng)檢測(cè)方法。圖2顯示出其控制原理。該方法在開(kāi)始時(shí)，通過(guò)控制逆變器提高輸出電流的頻率，在電網(wǎng)周期開(kāi)始時(shí)發(fā)出正弦波電流，這樣輸出電流的頻率和電網(wǎng)電壓的頻率存在一定的誤差f(△f在并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi))，這樣半波后線路上的電壓和逆變器電流過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間就會(huì)存在一個(gè)固定的時(shí)間差tz，系統(tǒng)保持這一時(shí)間差和電網(wǎng)周期的比值△t。當(dāng)電網(wǎng)正常工作時(shí)，由于逆變器電流被鎖相環(huán)鎖相，系統(tǒng)的比值△t保持固定值。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，逆變器輸出端的電壓頻率產(chǎn)生突變，而比值△t保持不變，這樣就將不斷地提高輸出電流頻率，該過(guò)程不斷重復(fù)，直到逆變器輸出電壓頻率超出門限值，從而觸發(fā)孤島效應(yīng)的保護(hù)電路動(dòng)作，切斷逆變器與電網(wǎng)的連接。

　　對(duì)于并聯(lián)的rcl負(fù)載，無(wú)論負(fù)載阻抗角大于或者小于零，在阻抗角和頻率的偏移的相互影響下，其作用相互抵消，且此時(shí)頻率和電壓均未能超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值，那么，系統(tǒng)將無(wú)法檢測(cè)到孤島現(xiàn)象的產(chǎn)生[2]。

　　4.2.2 滑模頻率偏移(sms)檢測(cè)

　　sms方法和afd方法類似，兩者主要區(qū)別在于afd方法引入了誤差△f，而sms方法引入了相角偏移θsms。sms方法下并網(wǎng)pv系統(tǒng)輸出電流為

　　i0=imsin[2πfat+θsms] (5)

　　θsms=θmsin[π/2(fa-f0)/(fm-f0)] (6)

　　式中：

　　fa—a點(diǎn)負(fù)載電壓的頻率;

　　f0—電網(wǎng)頻率;

　　θm—最大相移角;

　　fm—θsms=θm時(shí)對(duì)應(yīng)的最大頻率。

　　孤島發(fā)生后，對(duì)于阻性負(fù)載ψ=0的情況，由于引入了偏移角θsms，使得fa增大;由式(6)可知，fa的增大又使得θsms增加，因此，該正反饋會(huì)使fa頻率不斷增加。當(dāng)fa超出預(yù)設(shè)閾值時(shí)，系統(tǒng)將檢測(cè)到孤島的發(fā)生。

　　但是，對(duì)于并聯(lián)諧振型rlc負(fù)載，sms也存在檢測(cè)盲區(qū)的問(wèn)題。當(dāng)fa滿足ψ=arctan[r(1/ωl-ωc)]=θsms=θmsin[π/2(fa-f0)/(fm-f0)]時(shí)(其中ω=2πf)，且fa和電壓未超出預(yù)設(shè)閾值時(shí)，系統(tǒng)將無(wú)法檢測(cè)到孤島的發(fā)生。

　　由上述分析可知，sms也可以減小無(wú)源孤島檢測(cè)的盲區(qū)，但該方法同樣會(huì)影響pv系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量。此外，在rlc負(fù)載的相位增速快于pv系統(tǒng)，即dθload/df<|dθsms/df|時(shí)，sms方法失效[3]。

　　4.2.3 輸出功率擾動(dòng)檢測(cè)

　　主動(dòng)功率擾動(dòng)法一般是對(duì)并網(wǎng)電流施加擾動(dòng)，使其輸出功率發(fā)生變化。當(dāng)處于孤島狀態(tài)時(shí)，電流的波動(dòng)使公共耦合點(diǎn)(pcc)點(diǎn)的電壓發(fā)生變化，超過(guò)所設(shè)定的閾值就可以判斷孤島現(xiàn)象的發(fā)生。

　　對(duì)于輸出為電流源型的逆變器，每隔一定時(shí)間減小并網(wǎng)電流的給定值(假設(shè)減小一半)，即相當(dāng)于添加了電流的擾動(dòng)信號(hào)，在正常并網(wǎng)過(guò)程中，加入的電流擾動(dòng)并不會(huì)改變pcc點(diǎn)的電壓，它仍為電網(wǎng)電壓。當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，pcc點(diǎn)的電壓大小與并網(wǎng)電流和本地負(fù)載的特性有關(guān)，當(dāng)?shù)竭_(dá)擾動(dòng)時(shí)刻，并網(wǎng)電流的變動(dòng)使得pcc點(diǎn)電壓發(fā)生變動(dòng)，如果擾動(dòng)值設(shè)定恰當(dāng)，即使輸入輸出功率匹配，也能迅速檢測(cè)出孤島現(xiàn)象。

　　綜上所述，主動(dòng)式檢測(cè)孤島方法能夠快速準(zhǔn)確的檢測(cè)孤島現(xiàn)象，并能減小檢測(cè)盲區(qū)的影響，但美中不足的是加入的擾動(dòng)量一般會(huì)降低并網(wǎng)電流的質(zhì)量，并對(duì)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生一定的干擾[4]。

　　5 電流注入式孤島檢測(cè)方法

　　檢驗(yàn)孤島檢測(cè)方法有效性的重要指標(biāo)就是檢測(cè)盲區(qū)(ndz)，即系統(tǒng)中有孤島產(chǎn)生，卻不能實(shí)時(shí)檢測(cè)出來(lái)。原因之一就是孤島現(xiàn)象發(fā)生后系統(tǒng)內(nèi)的電壓、頻率和相位差都在允許的變化范圍內(nèi)，致使孤島產(chǎn)生后，孤島系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，孤島檢測(cè)方法不能有效檢測(cè)出孤島現(xiàn)象。由于孤島檢測(cè)盲區(qū)的存在，所以不管是主動(dòng)式還是被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法都有一定的局限性，且隨著并網(wǎng)系統(tǒng)容量的增大，這種不可檢測(cè)的可能性就越大，危害也越嚴(yán)重。現(xiàn)在的孤島檢測(cè)方法為了減小不可檢測(cè)的概率，一般都是多種檢測(cè)方法一起使用，利用各種方法的互補(bǔ)性縮小檢測(cè)盲區(qū)的范圍，增大孤島檢測(cè)成功的概率。目前最常用的是主、被動(dòng)式相結(jié)合的方法檢測(cè)孤島效應(yīng)，經(jīng)過(guò)綜合分析比較，決定采用被動(dòng)的過(guò)/欠壓、過(guò)/欠頻檢測(cè)和主動(dòng)的電流注入式相結(jié)合的孤島檢測(cè)方法。

　　電流注入式的孤島檢測(cè)方法是通過(guò)向并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的電流控制環(huán)節(jié)注入一個(gè)電流擾動(dòng)信號(hào)，這個(gè)擾動(dòng)信號(hào)可以是非常低頻的且幅值非常小的一個(gè)正弦信號(hào)。在孤島條件下，注入控制器的信號(hào)調(diào)整了pcc點(diǎn)處的電壓幅值，并使得pcc點(diǎn)處的頻率發(fā)生偏移[5]。

　　正常工作情況下，并網(wǎng)電流的基頻成分流入負(fù)載rlc。若一個(gè)頻率為fd(不等于基頻)的正弦擾動(dòng)信號(hào)通過(guò)控制系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器注入到系統(tǒng)內(nèi)，相應(yīng)的擾動(dòng)電流流入有低阻抗特性的公用電網(wǎng)中，當(dāng)主電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)，具有低阻抗特性的電網(wǎng)回路不存在，擾動(dòng)電流被迫流經(jīng)負(fù)載。我們將這種方法用matlab軟件包對(duì)電流注入式的孤島檢測(cè)方法進(jìn)行simulink仿真分析，擾動(dòng)電流是幅值為0.5a，初始相位為00，頻率為5hz的正弦波，孤島測(cè)試負(fù)載是按照品質(zhì)因數(shù)q=1設(shè)計(jì)計(jì)算的并聯(lián)rlc的值，選擇把擾動(dòng)電流注入到q軸電流控制器，電網(wǎng)在0.4s斷開(kāi)，仿真波形如圖3所示，橫軸代表時(shí)間，縱軸代表頻率。可以看出，在0.4s以前，系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定在50hz，0.4s時(shí)電網(wǎng)斷開(kāi)以后，頻率發(fā)生震蕩，在如此小的擾動(dòng)信號(hào)作用下，頻率也能發(fā)生較大的偏移，系統(tǒng)在孤島狀態(tài)下50ms左右就能檢測(cè)出頻率超限，響應(yīng)時(shí)間完全符合國(guó)家要求的0.2s的標(biāo)準(zhǔn)。這種方法非常簡(jiǎn)單方便，在dsp控制系統(tǒng)中很容易實(shí)現(xiàn)，并且如此小的擾動(dòng)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性幾乎不產(chǎn)生影響，是一種非常有效的孤島檢測(cè)方法。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　本文分析了孤島狀態(tài)產(chǎn)生的原理及其帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)，闡述了各種本地孤島檢測(cè)方法的工作原理，并就每種方法的ndz、適用范圍、對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量及暫態(tài)響應(yīng)的影響等進(jìn)行了論述。提出了一種新型有效的電流注入式檢測(cè)方法，該方法運(yùn)行指標(biāo)適應(yīng)中國(guó)電力系統(tǒng)要求，基于仿真結(jié)果表明，此方法加快了檢測(cè)速度，減小了檢測(cè)盲區(qū)，還減少了對(duì)電力系統(tǒng)的諧波污染。