一種光伏并網系統(tǒng)無功擾動孤島檢測方法

摘要：孤島檢測是并網光伏逆變器的必備功能。分析了光伏并網發(fā)電系統(tǒng)無功擾動孤島檢測的原理以及傳統(tǒng)無功擾動孤島檢測的實現方法，并在此基礎上提出一種單雙向混合無功功率擾動(Mixed Unidirectional and Bidirectional Reactive Power Variation，簡稱MUBRPV)的孤島檢測方法。該方法在光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運行時逆變器向電網施以小幅度正負雙向無功電流擾動，期間檢測到網壓頻率偏差后，快速確定電流正饋擾動方向，并開始無功電流單向正饋擾動。實驗驗證表明該方法不僅能及時檢測出孤島狀態(tài)，無盲區(qū)，而且能將孤島檢測對電網的不良影響降到最低。
關鍵詞：逆變器；孤島檢測；光伏并網

1 引言
    光伏發(fā)電系統(tǒng)在公共電網發(fā)生故障斷電時，仍孤立向本地負載供電的運行現象稱為孤島?，F有孤島檢測方法主要有被動檢測法和主動檢測法。其中，主動檢測法從實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法兩種。移頻控制造成了并網電流波形畸變，對電能質量影響大；功率擾動法分為有功擾動法、無功擾動法及兩者結合法。這里在分析光伏網發(fā)電系統(tǒng)無功擾動孤島檢測原理及傳統(tǒng)無功擾動孤島檢測實現方法的基礎上，提出一種MUBRPV孤島檢測方法。并最終用實驗驗證了該方法的可行性。

2 光伏并網系統(tǒng)無功擾動孤島檢測原理
    圖1示出正常并網和孤島運行時光伏并網系統(tǒng)的功率流圖，斷路器模擬孤島現象的發(fā)生，系統(tǒng)負載采用RLC并聯(lián)形式。正常并網運行時，光伏系統(tǒng)和電網同時向負載供電。當電網出現故障，即網側斷路器斷開后，光伏系統(tǒng)獨立向負載供電。若光伏系統(tǒng)輸出功率與負載功率近似匹配，則公共耦合點電壓uPCC幅值和頻率仍將維持在正常運行范圍內，光伏系統(tǒng)無法檢測到電網斷開故障，從而形成孤島運行。

    正常并網運行時，uPCC等于電網電壓uG，角頻率為電網角頻率ω。孤島運行時，uPCC等于逆變器輸出電流與本地負載阻抗的乘積。當孤島發(fā)生時，LC并聯(lián)阻抗ZLC為光伏系統(tǒng)角頻率ω1的函數：

    由式(4)可知，當孤島發(fā)生時，ω1與P1，Q1及負載性質有關。若Q1為負，表明負載為容性負載，孤島效應發(fā)生時ω1將下降，反之ω1將上升。由于負載無功需求在一定的電壓幅值和頻率條件下不變，通過對逆變器輸出的無功進行擾動，破壞光伏系統(tǒng)與負載間的無功功率平衡，使頻率發(fā)生變化，直至超出逆變器正常頻率運行范圍進行保護，達到孤島檢測的目的，這是光伏并網系統(tǒng)無功擾動孤島檢測法基本原理。

3 傳統(tǒng)無功擾動孤島檢測方法
    傳統(tǒng)的無功擾動孤島檢測方法分為單向無功擾動檢測法和雙向無功擾動檢測法，擾動形式如圖2所示。

    單向無功擾動法是控制逆變器輸出無功電流擾動在0和Iq1(Iq1>0)兩個值中變化，雙向無功擾動方法是控制逆變器輸出無功電流擾動在Iq+(Iq+>0)和-Iq+兩個值中變化。如前所述，在光伏系統(tǒng)發(fā)生孤島時，系統(tǒng)頻率與負載性質有關。采用單向無功擾動將會因為負載性質影響系統(tǒng)孤島檢測速度。采用雙向無功擾動在一定程度上可提高孤島檢測速度，但為了減少無功擾動對電網正常運行時電能質量的影響，常將無功擾動的幅值降低，這會影響孤島檢測速度，并且由式(4)可知，當q較大時，較小的無功擾動量對系統(tǒng)頻率的影響很小，系統(tǒng)在較短時間內不能判斷出孤島狀態(tài)，導致孤島檢測失敗，存在孤島檢測盲區(qū)。

4 MUBRPV孤島檢測原理
    這里提出了MUBRPV孤島檢測方法，擾動形式如圖3所示。該方法在光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運行時逆變器向電網輸入小幅度正負雙向的無功電流擾動△Iqd1和△Iqd2，為減少無功擾動對電能質量的影響，在正負向擾動間加入零擾動區(qū)間，在加入擾動后，實時檢測加入正負向擾動與零擾動之間的網壓頻率偏差，迅速確定電流正饋擾動方向，并開始無功電流單向正饋變速擾動，最終使系統(tǒng)頻率上升或下降到逆變器的過欠頻保護區(qū)域，實現系統(tǒng)的孤島檢測。

    MUBRPV孤島檢測方法流程如圖4所示。以RLC負載呈現阻感性為例說明該方法的具體實現過程。正常并網運行時，對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，無功電流擾動將改變系統(tǒng)運行頻率，系統(tǒng)正向和負向無功電流擾動與不進行無功擾動間的頻率偏差絕對值分別為|△fqd1|和|△fqd2|，若|△fqd1|或|△fqd2|連續(xù)m次大于設定頻率偏差絕對值|△fqd|則比較|△fqd1|與|△fqd2|大小，否則，繼續(xù)進行雙向無功擾動。若|△fqd1|≥|△fqd2|，則說明RLC負載呈現阻感性，系統(tǒng)進入單向無功電流正饋擾動，此時，單向無功擾動電流給定為：
    Iqs1(k+1)=Iqd1(k)+Kq1(k)△Iqs1                (5)
    式中：△Iqd1為單向無功電流擾動量；Kq1(k)為單向無功電流正饋擾動系數；Iqs1(k)為上一周期單向無功電流擾動給定量；Iqs1(k+1)
為當前周期無功電流擾動給定量。

    通過Kq1(k)，可改變單向無功電流擾動給定，有助于提高孤島檢測速度。在單向無功擾動時，實時比較雙向擾動頻率偏差△fqd1和單向擾動頻率偏差△fqd1(k)的符號，如果連續(xù)n次不一致，表明從雙向擾動轉到單向擾動方向不正確，可能是由電網本身擾動造成的，而不是發(fā)生孤島現象，系統(tǒng)重新進入雙向擾動過程，如果一致，那么則判定系統(tǒng)當前頻率fq1是否進入逆變器保護范圍。整個擾動方法中，m，n，△f q1和Kq1(k)是根據算法實際執(zhí)行情況進行選取的。

    此處所提的MUBRPV孤島檢測方法在雙向無功擾動時，為減少對電能質量的影響，無功擾動量很小，但進入單向擾動后，根據式(4)，即使負載品質因數q很大，系統(tǒng)的擾動量通過快速的正反饋也能達到擾動系統(tǒng)頻率需要的擾動幅值，因此這里所提方法將很容易做到孤島檢測的無盲區(qū)。帶MUBRPV孤島檢測功能的光伏系統(tǒng)拓撲結構和控制框圖如圖5所示，為光伏系統(tǒng)加入的無功擾動。

5 實驗驗證
    為驗證所提出光伏系統(tǒng)MUBRPV孤島檢測方法的正確性，利用實驗室實驗平臺對500 kW光伏逆變器進行驗證。實驗按文獻中定義的情況進
行，在逆變器有功、無功與負載完全匹配時(q=1)，實驗波形如圖6所示，逆變器在檢測到孤島發(fā)生612 ms后，實現孤島保護，遠遠滿足標準要求(逆變器在孤島發(fā)生后的2 s內停止向電網供電)。采用這里提出的MUBRPV孤島檢測方法的500 kW光伏逆變器已順利通過CQC金太陽工程認證。

6 結論
    此處分析了光伏并網系統(tǒng)孤島運行時系統(tǒng)頻率與無功功率和負載特性的關系，并在對傳統(tǒng)無功擾動孤島檢測法缺陷分析的基礎上，提出一種單雙向混合的無功擾動孤島檢測法，實驗驗證了該方法能及時檢測出孤島狀態(tài)，并且無盲區(qū)，而且能將孤島檢測對電網的不良影響降到最小。