一種光伏并網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)功擾動(dòng)孤島檢測(cè)方法

摘要：孤島檢測(cè)是并網(wǎng)光伏逆變器的必備功能。分析了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)無(wú)功擾動(dòng)孤島檢測(cè)的原理以及傳統(tǒng)無(wú)功擾動(dòng)孤島檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)方法，并在此基礎(chǔ)上提出一種單雙向混合無(wú)功功率擾動(dòng)(Mixed Unidirectional and Bidirectional Reactive Power Variation，簡(jiǎn)稱MUBRPV)的孤島檢測(cè)方法。該方法在光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)逆變器向電網(wǎng)施以小幅度正負(fù)雙向無(wú)功電流擾動(dòng)，期間檢測(cè)到網(wǎng)壓頻率偏差后，快速確定電流正饋擾動(dòng)方向，并開始無(wú)功電流單向正饋擾動(dòng)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明該方法不僅能及時(shí)檢測(cè)出孤島狀態(tài)，無(wú)盲區(qū)，而且能將孤島檢測(cè)對(duì)電網(wǎng)的不良影響降到最低。
關(guān)鍵詞：逆變器；孤島檢測(cè)；光伏并網(wǎng)

1 引言
    光伏發(fā)電系統(tǒng)在公共電網(wǎng)發(fā)生故障斷電時(shí)，仍孤立向本地負(fù)載供電的運(yùn)行現(xiàn)象稱為孤島?，F(xiàn)有孤島檢測(cè)方法主要有被動(dòng)檢測(cè)法和主動(dòng)檢測(cè)法。其中，主動(dòng)檢測(cè)法從實(shí)施的可靠性和可操作性來看，主要有移頻控制法和功率擾動(dòng)法兩種。移頻控制造成了并網(wǎng)電流波形畸變，對(duì)電能質(zhì)量影響大；功率擾動(dòng)法分為有功擾動(dòng)法、無(wú)功擾動(dòng)法及兩者結(jié)合法。這里在分析光伏網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)無(wú)功擾動(dòng)孤島檢測(cè)原理及傳統(tǒng)無(wú)功擾動(dòng)孤島檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上，提出一種MUBRPV孤島檢測(cè)方法。并最終用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)功擾動(dòng)孤島檢測(cè)原理
    圖1示出正常并網(wǎng)和孤島運(yùn)行時(shí)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率流圖，斷路器模擬孤島現(xiàn)象的發(fā)生，系統(tǒng)負(fù)載采用RLC并聯(lián)形式。正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)同時(shí)向負(fù)載供電。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障，即網(wǎng)側(cè)斷路器斷開后，光伏系統(tǒng)獨(dú)立向負(fù)載供電。若光伏系統(tǒng)輸出功率與負(fù)載功率近似匹配，則公共耦合點(diǎn)電壓uPCC幅值和頻率仍將維持在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，光伏系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)到電網(wǎng)斷開故障，從而形成孤島運(yùn)行。

    正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，uPCC等于電網(wǎng)電壓uG，角頻率為電網(wǎng)角頻率ω。孤島運(yùn)行時(shí)，uPCC等于逆變器輸出電流與本地負(fù)載阻抗的乘積。當(dāng)孤島發(fā)生時(shí)，LC并聯(lián)阻抗ZLC為光伏系統(tǒng)角頻率ω1的函數(shù)：

    由式(4)可知，當(dāng)孤島發(fā)生時(shí)，ω1與P1，Q1及負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。若Q1為負(fù)，表明負(fù)載為容性負(fù)載，孤島效應(yīng)發(fā)生時(shí)ω1將下降，反之ω1將上升。由于負(fù)載無(wú)功需求在一定的電壓幅值和頻率條件下不變，通過對(duì)逆變器輸出的無(wú)功進(jìn)行擾動(dòng)，破壞光伏系統(tǒng)與負(fù)載間的無(wú)功功率平衡，使頻率發(fā)生變化，直至超出逆變器正常頻率運(yùn)行范圍進(jìn)行保護(hù)，達(dá)到孤島檢測(cè)的目的，這是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)功擾動(dòng)孤島檢測(cè)法基本原理。

3 傳統(tǒng)無(wú)功擾動(dòng)孤島檢測(cè)方法
    傳統(tǒng)的無(wú)功擾動(dòng)孤島檢測(cè)方法分為單向無(wú)功擾動(dòng)檢測(cè)法和雙向無(wú)功擾動(dòng)檢測(cè)法，擾動(dòng)形式如圖2所示。

    單向無(wú)功擾動(dòng)法是控制逆變器輸出無(wú)功電流擾動(dòng)在0和Iq1(Iq1>0)兩個(gè)值中變化，雙向無(wú)功擾動(dòng)方法是控制逆變器輸出無(wú)功電流擾動(dòng)在Iq+(Iq+>0)和-Iq+兩個(gè)值中變化。如前所述，在光伏系統(tǒng)發(fā)生孤島時(shí)，系統(tǒng)頻率與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。采用單向無(wú)功擾動(dòng)將會(huì)因?yàn)樨?fù)載性質(zhì)影響系統(tǒng)孤島檢測(cè)速度。采用雙向無(wú)功擾動(dòng)在一定程度上可提高孤島檢測(cè)速度，但為了減少無(wú)功擾動(dòng)對(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)電能質(zhì)量的影響，常將無(wú)功擾動(dòng)的幅值降低，這會(huì)影響孤島檢測(cè)速度，并且由式(4)可知，當(dāng)q較大時(shí)，較小的無(wú)功擾動(dòng)量對(duì)系統(tǒng)頻率的影響很小，系統(tǒng)在較短時(shí)間內(nèi)不能判斷出孤島狀態(tài)，導(dǎo)致孤島檢測(cè)失敗，存在孤島檢測(cè)盲區(qū)。

4 MUBRPV孤島檢測(cè)原理
    這里提出了MUBRPV孤島檢測(cè)方法，擾動(dòng)形式如圖3所示。該方法在光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)逆變器向電網(wǎng)輸入小幅度正負(fù)雙向的無(wú)功電流擾動(dòng)△Iqd1和△Iqd2，為減少無(wú)功擾動(dòng)對(duì)電能質(zhì)量的影響，在正負(fù)向擾動(dòng)間加入零擾動(dòng)區(qū)間，在加入擾動(dòng)后，實(shí)時(shí)檢測(cè)加入正負(fù)向擾動(dòng)與零擾動(dòng)之間的網(wǎng)壓頻率偏差，迅速確定電流正饋擾動(dòng)方向，并開始無(wú)功電流單向正饋?zhàn)兯贁_動(dòng)，最終使系統(tǒng)頻率上升或下降到逆變器的過欠頻保護(hù)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的孤島檢測(cè)。

    MUBRPV孤島檢測(cè)方法流程如圖4所示。以RLC負(fù)載呈現(xiàn)阻感性為例說明該方法的具體實(shí)現(xiàn)過程。正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，對(duì)逆變器施加幅值相同方向相反的△Iqd1和△Iqd2，即：△Iqd1=△Iqd2。孤島發(fā)生后，由式(4)可知，無(wú)功電流擾動(dòng)將改變系統(tǒng)運(yùn)行頻率，系統(tǒng)正向和負(fù)向無(wú)功電流擾動(dòng)與不進(jìn)行無(wú)功擾動(dòng)間的頻率偏差絕對(duì)值分別為|△fqd1|和|△fqd2|，若|△fqd1|或|△fqd2|連續(xù)m次大于設(shè)定頻率偏差絕對(duì)值|△fqd|則比較|△fqd1|與|△fqd2|大小，否則，繼續(xù)進(jìn)行雙向無(wú)功擾動(dòng)。若|△fqd1|≥|△fqd2|，則說明RLC負(fù)載呈現(xiàn)阻感性，系統(tǒng)進(jìn)入單向無(wú)功電流正饋擾動(dòng)，此時(shí)，單向無(wú)功擾動(dòng)電流給定為：
    Iqs1(k+1)=Iqd1(k)+Kq1(k)△Iqs1                (5)
    式中：△Iqd1為單向無(wú)功電流擾動(dòng)量；Kq1(k)為單向無(wú)功電流正饋擾動(dòng)系數(shù)；Iqs1(k)為上一周期單向無(wú)功電流擾動(dòng)給定量；Iqs1(k+1)
為當(dāng)前周期無(wú)功電流擾動(dòng)給定量。

    通過Kq1(k)，可改變單向無(wú)功電流擾動(dòng)給定，有助于提高孤島檢測(cè)速度。在單向無(wú)功擾動(dòng)時(shí)，實(shí)時(shí)比較雙向擾動(dòng)頻率偏差△fqd1和單向擾動(dòng)頻率偏差△fqd1(k)的符號(hào)，如果連續(xù)n次不一致，表明從雙向擾動(dòng)轉(zhuǎn)到單向擾動(dòng)方向不正確，可能是由電網(wǎng)本身擾動(dòng)造成的，而不是發(fā)生孤島現(xiàn)象，系統(tǒng)重新進(jìn)入雙向擾動(dòng)過程，如果一致，那么則判定系統(tǒng)當(dāng)前頻率fq1是否進(jìn)入逆變器保護(hù)范圍。整個(gè)擾動(dòng)方法中，m，n，△f q1和Kq1(k)是根據(jù)算法實(shí)際執(zhí)行情況進(jìn)行選取的。

    此處所提的MUBRPV孤島檢測(cè)方法在雙向無(wú)功擾動(dòng)時(shí)，為減少對(duì)電能質(zhì)量的影響，無(wú)功擾動(dòng)量很小，但進(jìn)入單向擾動(dòng)后，根據(jù)式(4)，即使負(fù)載品質(zhì)因數(shù)q很大，系統(tǒng)的擾動(dòng)量通過快速的正反饋也能達(dá)到擾動(dòng)系統(tǒng)頻率需要的擾動(dòng)幅值，因此這里所提方法將很容易做到孤島檢測(cè)的無(wú)盲區(qū)。帶MUBRPV孤島檢測(cè)功能的光伏系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制框圖如圖5所示，為光伏系統(tǒng)加入的無(wú)功擾動(dòng)。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    為驗(yàn)證所提出光伏系統(tǒng)MUBRPV孤島檢測(cè)方法的正確性，利用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)500 kW光伏逆變器進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)按文獻(xiàn)中定義的情況進(jìn)
行，在逆變器有功、無(wú)功與負(fù)載完全匹配時(shí)(q=1)，實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示，逆變器在檢測(cè)到孤島發(fā)生612 ms后，實(shí)現(xiàn)孤島保護(hù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(逆變器在孤島發(fā)生后的2 s內(nèi)停止向電網(wǎng)供電)。采用這里提出的MUBRPV孤島檢測(cè)方法的500 kW光伏逆變器已順利通過CQC金太陽(yáng)工程認(rèn)證。

6 結(jié)論
    此處分析了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)頻率與無(wú)功功率和負(fù)載特性的關(guān)系，并在對(duì)傳統(tǒng)無(wú)功擾動(dòng)孤島檢測(cè)法缺陷分析的基礎(chǔ)上，提出一種單雙向混合的無(wú)功擾動(dòng)孤島檢測(cè)法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法能及時(shí)檢測(cè)出孤島狀態(tài)，并且無(wú)盲區(qū)，而且能將孤島檢測(cè)對(duì)電網(wǎng)的不良影響降到最小。