基于电流扰动-频率偏差的孤岛检测方法

基于电流扰动-频率偏差的孤岛检测方法
孙皓;王鲁杨;柏扬;李丽;黄思源
【摘要】Islanding detection is an essential function of photovoltaic grid connected generation system.In order to reduce the detection blind area and its influence on power quality,a new islanding detection method based on reactive power current disturbance and frequency deviation was proposed.In this method,the frequency of the common coupling point was changed by injecting low frequency sinusoidal reactive current. Based on analysis of the relationship between the disturbance frequency and PCC voltage frequency fluctuation quantity by quantitative,a new evaluation index,namely the average absolute frequency deviation index,for islanding detection was definited,to determine that if PV system was in the island. Through theoretical analysis and simulation of photovoltaic power generation system,this method can detect the islanding state accurately,and has no detection blind area.%孤岛检测是光伏并网发电系统的必备功能,为了减小孤岛检测装置检测盲区及其对电能质量的影响,提出一种基于无功电流扰动-频率偏差的孤岛检测新方法.该方法通过注入低频正弦无功电流扰动,迫使公共耦合点频率发生波动.通过定量分析扰动频率与PCC点电压频率波动量的关系,定义一种用于新的孤岛检测评价指标,即平均绝对频率偏差指标,判别光伏系统是否处于孤岛状态.经理论分析和光伏发电系统仿真研究,该方法能够准确检测出孤岛状态,且无检测盲区.
【期刊名称】《电气传动》
【年(卷),期】2018(048)003
【总页数】6页(P75-80)
【关键词】无功电流扰动-频率偏差;孤岛检测;光伏发电系统
【作者】孙皓;王鲁杨;柏扬;李丽;黄思源
【作者单位】上海电力学院电气工程学院,上海200090;上海电力学院电气工程学院,上海200090;国网上海市电力公司经济技术研究院,上海200120;上海电力学院电气工程学院,上海200090;上海电力学院电气工程学院,上海200090
【正文语种】中文
【中图分类】TM615
近几年，光伏发电（photovoltaic，PV）技术迅速发展，光伏发电不仅资源充足、清洁环保，而且具有绝对的安全性。

在光伏发电技术中，既可以实现单独给本地负载供电，又可以与电网相连实现并网模式供电［1］。

孤岛是指光伏并网发电系统因电网故障导致光伏发电系统自给供电的离网状态。

孤岛状态会影响光伏发电系统的稳定性，造成用电设备的损害以及威胁电力设备维修人员的人身安全［2-3］，因此当孤岛发生时，需及时准确地检测出孤岛状态。

目前，应用在光伏并网发电系统的孤岛检测有被动式和主动式2种［4］。

被动式孤岛检测包括相位突变法、过压/欠压检测法、电压谐波检测法［5-8］等。

主动
式孤岛检测包括主动电流扰动法、正反馈频率偏移法、低频相位扰动法、滑模频率漂移法、模糊控制频移法［9-11］等。

被动式孤岛检测主要是对公共耦合点（point of common coupling，PCC）的电
压和幅值进行检测以判断是否有孤岛的发生，原理较为简单，容易实现，但是其检测盲区过大。

主动式孤岛检测主要是在控制系统中加入扰动信号，当出现孤岛时，由于正反馈的控制方式放大扰动量，使PCC处的电压和幅值发生明显变化从而检
测出孤岛。

主动孤岛检测法虽然减少了检测盲区，但是对逆变器输出电能质量会产生很大的负面影响，降低了系统稳定性［12］。

基于两类孤岛检测的缺点，提出了以无功电流扰动-频率偏差为基础的无盲区孤岛
检测方法。

该方法给予q轴参考电流1个正弦扰动，加速改变PCC处的电压频率，用检测绝对平均频率偏差代替检测频率偏差。

理论及仿真验证结果表明，所提孤岛检测方法不仅比传统检测方案产生的谐波低，对电能质量的影响很小，还可以实现无盲区孤岛检测，可以准确检测出孤岛状态。

1 孤岛检测原理
典型光伏并网发电系统如图1所示，其中Ra，La分别为滤波装置和线路的电阻、电感，根据IEEE Standard 929 and IEEE Standard 1547.1要求，孤岛检测技术需在负载谐振频率为电网频率情况下进行验证。

本文采用RLC并联电路作为本地
负载。

正常情况下开关K闭合，光伏发电系统和电网同时向本地负载供电；当电
网出现故障时，光伏发电系统独自向负载供电，若光伏系统输出功率和负载功率近似匹配，PCC处电压和频率将维持在正常范围内，很难检测出离网状态，造成孤
岛［13］。

图1 孤岛运行结构Fig.1 Islanding operation structure diagram
1.1 传统无功电流-频率扰动法
无功电流-频率扰动法以瞬时无功理论为基础，把静止坐标系下的三相交流电压、
电流分量变换到d-q旋转坐标系下的直流电压、电流分量，再通过无功电流与有
功或频率的关系，达到检测光伏系统是否处于孤岛状态的目的。

本文光伏系统中，逆变器采用前馈解耦控制策略，假设三相电网电压平衡［14］，基于基尔霍夫电
压定律和abc/dq坐标变换，可得图1所示系统在d-q参考系下的电压方程：
式中：ivd，ivq分别为d-q参考坐标系下逆变器交轴和直轴电流；upd，upq为
d-q参考坐标系下PCC处的电压；ω0为电网频率；uvd，uvq为d-q参考坐标
系下的逆变器电压分量；La为滤波电感；Ra为滤波电阻。

根据文献［5］可知，经典锁相环通过使并网点电压交轴分量upq≈0，达到提取
电网电压频率和相位的目的。

因此，将upq=0代入式（2）可得：
q轴电流控制框图如图2所示。

图2 逆变器q轴电流控制器的框图Fig.2 Block diagram of inverter′s q-axis current controller
由图2可得：
式中：为ivq的参考值。

由式（4）和式（5）可知，通过控制，可以实现ivq的独立控制。

若令，可使
ivq=0，达到光伏系统输出功率的功率因数为1。

传统的无功电流扰动法对逆变器输出电流注入无功电流扰动，使频率超出预设阈值。

传统的无功电流扰动主要有以下几种：基于无功电流-频率正反馈的孤岛检测，利
用无功电流和频率的正反馈关系，使PCC处的电压频率朝一个方向变化来检测孤
岛［15］；基于间歇性无功扰动的孤岛检测，通过间歇性无功扰动使PCC处电压频率超出正常范围，判断系统是否处于孤岛状态［16］；基于无功-频率下垂特性的无功扰动，引入的无功扰动为与负载无功-频率特性相关的线性函数，检测PCC 处频率偏差，引入无功扰动的函数，形成正反馈，加速频率的偏移，检测孤岛［17］；基于周期性无功电流扰动的孤岛检测，该检测方法通过注入周期性无功
电流扰动，使PCC处电压频率出现相对应周期性波动，达到孤岛检测目的［18］。

无功电流扰动算法，通过对PCC处电压幅值进行实时采样，确定q轴参考电流引入的扰动量（分段函数），使PCC处的电压频率发生偏移，从而实现孤岛检测［4］。

1.2 传统检测标准
光伏系统发生孤岛时，若太阳辐照度保持不变，其输出电流恒定。

当负载完全匹配时，PCC处电压频率 f=fo（fo为电网频率）保持不变，此时光伏系统输出功率Po；重载时，光伏系统输出功率 Po＜I2R，根据文献［19］可知，PCC处电压频率 f＜fo；轻载时 Po＞I2R ，f＞fo。

负载完全匹配、轻载以及重载情况下频率 f
随时间t变化关系如图3所示。

当孤岛发生且负载完全匹配时，PCC处电压频率49.5～50.5 Hz在国标GB/T 19964—2012规定并网系统正常频率范围内波动，
很难判断光伏系统是否处于孤岛状态。

重载时，频率f＜49.5 Hz，超出正常范围，可以检测出孤岛状态；同理，轻载时，也可以检测出孤岛状态。

为了解决负载完全匹配时，通过检测频率偏差Δf无法检测出孤岛的问题，提出一种无功电流扰动-频率偏差的检测方法。

图3 孤岛前后PCC点频率变化趋势Fig.3 Frequency trend at PCC during pre and post islanding
2 基于无功电流扰动-频率偏差的孤岛检测方法
2.1 无功电流扰动对PCC点电压频率的影响
由1.1可知，传统无功电流扰动法一般设定q轴参考电流为某一定值［20］或分
段函数来引入扰动，从而影响并网点电压或频率，达到孤岛检测的目的。

稳态时，在d-q旋转坐标系下，d,q轴电流分别随d,q轴参考电流变化而变化［21］。

因此，逆变器输出电流可表示为
式（6）经逆Park变换，可得三相静止坐标系下逆变器输出电流，即
若在q轴参考电流加入一个幅值很小的正弦扰动，即
式中：ωq为q轴角速度。

虽然q轴参考电流由0变为正弦扰动，但Iq仅为PV额定电流的1%，这种情况下，参考电流幅值很小，可使光伏系统功率因数几乎不变，因此，引入的扰动量对电网电能质量的影响较小。

将式（8）代入式（7）可知，光伏发电系统中，逆变器输出的a相电流为
经积化和差，式（9）可化简为
式中：f0为基波频率；fq为q轴参考电流加入扰动的频率。

孤岛发生后，频率为ω1和ω2的电流分量流过负载时，在PCC处产生相应频率的电压，因此，a相电压可分解成频率为ω0，ω1，ω2的分量。

a相电压的表达式可表示为
由式（11）可知，若在q轴参考电流施加1个周期变化且频率不同于基波频率的小扰动时，PCC点电压频率将发生偏移。

图4为q轴扰动电流频率为20 Hz和30 Hz时，PCC处电压频率 f随时间t的变化曲线。

由图4可知，扰动电流频率越低，电网电压频率的偏移量越大，但是，电网电压频率 f仍在49.5～50.5 Hz之间波动，用传统的检测标准仍无法检测出光伏系统是否处于孤岛状态。

图4 孤岛前后扰动频率为20 Hz和30 Hz时频率偏移曲线Fig.4 The curves of pre and post islanding frequency deviation when the disturbance
frequency is 20 Hz and 30 Hz
2.2 一种新的频率检测方法
针对上述问题，提出一种更加行之有效的频率检测方法，即运用一段时间内瞬时频率偏差绝对值的平均值而不是传统瞬时频率偏差Δf作为光伏系统是否处于孤岛状态的检测指标。

该指标的计算方法如下式：
式中：Ts为系统采样时间；FD为瞬时频率偏差；Mw为孤岛检测滑动窗口宽度；N为滑动窗口内采样点数。

当Mw=50 ms时，孤岛检测系统一次检测时间可以包含至少2.5个周期的50 Hz 正弦信号，若系统采样时间为50 μs，则AΔf为1 000个瞬时频率偏差绝对值的平均值。

由图3可知，负载不匹配时，AΔf可以近似看成一条直线，如图5所示。

图5 负载不完全匹配时AΔf近似曲线Fig.5 Approximate curveAΔfduring the incompletely load matching
AΔf可表示为
式中：m为每个点的纵坐标与横坐标的比值。

由于频率偏差超过±0.5 Hz可以检测出孤岛状态，由式（19）可知，将频率偏差Δf转化为频率偏差绝对值的平均值AΔf，超过±0.25 Hz时可以检测出光伏系统是否处于孤岛状态。

当负载完全匹配时，给予q轴1个扰动频率为 fq的参考电流，则检测指标AΔf 可表示为
式中：(Fm-50)为频率的最大值与电网频率的差值。

经多次仿真分析，扰动频率
fq为20 Hz和30 Hz时检测结果最好。

当扰动电流幅值一定时，电压频率幅值Fm由扰动电流频率 fq决定，Fm发生变化，AΔf也相应地发生变化。

当负载的品质因数Qf=2.5时，fq，Fm，AΔf及阈
值（0.95× AΔf）如表1所示。

表1 Qf=2.5时的阈值Tab.1 Threshold approximations for Qf=2.5标号fqAΔf 1 2 30 20 Fm-50 0.003 6 0.008 2 0.026 0.057阈值（0.95× AΔf）0.024 7
0.054 1
基于平均绝对频率偏差算法的控制流程如图6所示。

图6 孤岛检测流程图Fig.6 Flow chart of island detection
系统开始运行时，向扰动模块注入幅值为0.014 Hz，频率为30 Hz的正弦扰动，孤岛发生时，若负载不匹配，PCC处电压频率 f随时间t近似成1条直线，当检
测到指标AΔf大于±0.25时，断开开关，光伏发电系统脱离电网；若负载匹配，
电压频率 f随时间t按近似正弦曲线波动，但频率偏差Δf仍在正常范围内，不能
作为检测指标，而此时AΔf=0.024 4 Hz，为了安全考虑，扰动频率fq=30 Hz时，取阈值threshold1为AΔf的0.95倍，即0.023 2 Hz；当AΔf小于threshold1时，说明光伏系统没有发生孤岛；当AΔf大于等于threshold1时，为了消除误检，设定扰动频率 fq=20 Hz，此时检测指标AΔf为0.0507Hz，阈值threshold2为0.0482Hz，若PCC点电压频率大于等于threshold1和threshold2，判定系统处于孤岛状态，应断开图1所示开关，使光伏系统脱离电网，以免造成严重的损失。

3 仿真结果
本文采用经典锁相环、功率扰动、最大功率追踪、前馈解耦控制［22］等模块组
成的单级光伏发电系统，对上文提出的理论及算法进行研究。

光伏板输出的直流电经三相逆变器和变压器并入220 V的电网。

最大功率追踪采用P&O算法［23］，使光伏阵列始终运行在最大功率状态。

三相锁相环通过提取PCC点电压的相位来
实现逆变器输出电流与电网电压同向。

功率扰动模块施加扰动信号，使孤岛检测系统能快速准确地检测出孤岛状态。

无盲区孤岛检测模块，将检测指标由频率偏差Δf转化为检测AΔf是否大于设定阈值，若AΔf大于设定阈值则判定光伏发电系统处于孤岛状态，使光伏发电系统停止工作。

传统孤岛检测最恶劣的情况：1）光伏发电系统输出功率与负载消耗功率相匹配；2）RLC负载谐振频率与电网频率相同；3）品质因数Qf=2.5。

为了验证该算法的正确性，本文在上述恶劣情况下对光伏系统进行仿真，在Matlab/Simulink中搭建光伏发电系统及孤岛检测算法仿真模型，如图7所示。

图7 光伏发电系统及其控制框图示意图Fig.7 Topology of PV generation system and the proposed control blocks
参数设置如下：光伏发电系统额定功率为250 kW，直流母线电压480 V，电网电压有效值为220 V/50 Hz。

t=1 s时，断开并网开关S，光伏发电系统进入孤岛状态。

当q轴参考电流设为0时，光伏发电系统输出功率与负载消耗功率完全匹配时，PCC点的电压、电流、频率波形如图8所示。

图8 负载完全匹配时孤岛仿真结果Fig.8 Results of isolated island simulation when the load is fully matched
由图8可知，当负载完全匹配时，PCC点电压、电流基本不发生变化，频率 f也基本稳定在50 Hz，无法检测出孤岛状态，为孤岛检测盲区。

根据本文提出的基于绝对平均频率偏差算法的理论分析，当负载完全匹配时，q轴参考电流分别加入20 Hz和30 Hz的正弦扰动信号后，AΔf波形如图9所示。

图9 负载完全匹配时，fq为20 Hz和30 Hz的AΔf变化曲线Fig.9 AΔfchange curves whenfqis 30 Hz and 20 Hz during the perfectly matched load condition
加入本文提出的绝对平均频率偏差为基础的孤岛检测模块之后，仿真结果如图10
所示。

图10 负载完全匹配时系统仿真结果Fig.10 Simulation results of load matching
图10中，t=1 s时，光伏发电系统离网，系统进入孤岛状态，t在1.2 s左右时，AΔf超过阈值1和阈值2，在本文提出的控制策略中，t=1.26 s时检测出孤岛状态，逆变器停止工作。

从孤岛发生到系统检测出孤岛状态用时0.26 s低于2 s。

（IEEE standard规定的最长检测时间），满足标准要求。

为了能更清晰地表示出该算法的有效性，将本文所提出的算法在DSP应用环境下仿真效果如图11所示。

图11 DSP应用环境下仿真结果Fig.11 The simulation results of DSP application environments
实验表明，逆变器的输出电流和PCC电压同频同相，证明所采用控制策略的合理性。

为了分析该检测方法对系统电能质量的影响，将PCC处的电压、电流做傅里叶变换分析（FFT），电压畸变率为0.29%，电流畸变率为0.93%，低于IEEE Std.929—2000对并网THD限值为5%的要求。

4 结论
本文提出了一种基于绝对平均频率偏差为基础的无盲区孤岛检测方法，通过仿真验证了其可行性。

该检测方法扰动量很少，对正常运行的光伏系统的性能几乎不会产生影响；相对于传统检测频率偏差，本文采用检测绝对平均频率偏差，解决了逆变器输出功率与负载功率完全匹配时的检测盲区问题；分别设定20 Hz和30 Hz扰动频率的不同阈值，避免了假性孤岛，可消除误检。

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