基于无功电流控制的并网逆变器孤岛检测

2017年8月电工技术学报Vol.32 No. 16 第32卷第16期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Aug. 2017DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.160872基于无功电流控制的并网逆变器孤岛检测沈虹周文飞王怀宝伞国成郭小强（燕山大学电气工程学院秦皇岛 066004）摘要孤岛检测技术是并网逆变器运行所必须具备的关键技术。

传统有源孤岛检测方法注入的扰动影响电能质量。

为了解决该问题，提出一种基于无功电流控制的孤岛检测方法，通过控制无功电流使其产生的频率偏移方向与有功电流产生的频率偏移方向一致，使电网断开后频率迅速超过所设置的阈值而检测出孤岛，并对其进行量化分析，使孤岛算法在无检测盲区的基础上尽可能地减小对电网的影响。

根据IEEE Std.1547测试标准对提出的方法进行仿真和实验验证。

结果表明，提出的孤岛检测方法可以快速有效地检测到孤岛的发生，验证了提出方法的有效性。

关键词：并网逆变器频率偏移正反馈检测盲区中图分类号：TM46Islanding Detection for Grid-Connected InverterBased on Reactive Current ControlShen Hong Zhou Wenfei Wang Hauibao San Guocheng Guo Xiaoqiang （Department of Electrical Engineering Yanshan University Qinhuangdao 066004 China）Abstract The islanding detection technology is necessary for grid connected inverter. The conventional active islanding detection methods have negative impacts on power quality due to the disturbance injection. In order to solve the problem, a new islanding detection algorithm based on reactive current control is proposed. As a result, the frequency offset direction by the reactive current is the same as that by the active current. The frequency will exceed the detection threshold quickly and the islanding can be detected after grid disconnection. Islanding detection was quantitatively analyzed to reduce the negative impacts on grid without non-detection zone. Simulation and experiment are carried out according to IEEE Std. 1547. The results reveal that the proposed method can quickly detect the islanding, which verify the effectiveness of the proposed method.Keywords：Grid-connected inverter, frequency shift, positive feedback, non-detection zone0引言近年来，分布式发电（Distributed Generation, DG）技术在世界各国快速发展。

分布式发电技术不仅清洁环保、经济高效，而且供电可靠，能够提高整个电力系统的稳定性和灵活性，更减少了远距离输电造成的电能损耗，提高了整个电力系统的利用率和稳定性[1]。

随着分布式发电系统渗入电网的程度日益加深，一旦电网出现故障，分布式发电系统与负载形成孤岛的概率就会增大，孤岛现象的存在会对用电设备和人生安全造成伤害[2]。

因此，分布式发电系统在并网运行时必须具备孤岛检测功能，对开展孤岛检测研究具有重要意义。

孤岛检测方法大致分为三种[3-5]：基于通信的检测方法、无源检测方法和有源检测方法[6-9]。

基于通河北省自然科学基金项目（E201620315，E2015203407）、河北省引进留学人员资助项目（CL201622）和燕山大学青年教师自由研究计划课题（15LGB011）资助。

收稿日期 2016-06-12 改稿日期 2016-12-26第32卷第16期沈 虹等 基于无功电流控制的并网逆变器孤岛检测 295信的孤岛检测方法对电网没有影响且无检测盲区，但成本较高，未得到广泛应用[10]；无源检测方法通过检测基本电气量，如电压幅值（过电压、欠电压）、频率（过频率、欠频率）和相位（相位突变）等判断孤岛是否发生，其特点是对电能质量无影响，但存在孤岛检测盲区。

有源检测方法向电网注入扰动，当孤岛发生后，加入的扰动会使基本电气量偏离正常值而检测出孤岛，如主动移频法[11]、滑模频率偏移法[12]、Sandia 频率偏移法[13]等，该类方法在一定程度上减小了盲区，但影响电能质量[14,15]。

为了解决上述问题，在分析有功电流、无功电流与频率之间关系基础上提出一种基于无功电流控制的孤岛检测方法，通过控制逆变器无功电流的输出使其产生的频率偏移与有功电流产生的频率偏移方向一致，最终使频率迅速超过所设置的频率阈值而检测出孤岛发生。

最后对提出方法进行实验验证。

1 系统工作原理分析孤岛检测原理如图1所示，图中i dDG 和i qDG 分别为逆变器输出的有功电流和无功电流；i dGrid 和i qGrid 分别为网侧有功电流和无功电流；i dLoad 和i qLoad 分别为负载消耗的有功电流和无功电流；L 1、L 2和C f 分别为LCL 型滤波器逆变器侧电感、网侧电感和滤波电容；R 、L 和C 分别为负载的电阻、电感和电容；R g 和L g 分别为线路电阻和线路电感；V pcc 为公共耦合点（Point of Common Coupling, PCC ）电压。

图1 孤岛检测原理Fig.1 Schematic of islanding detection系统控制模型如图2所示，其中滤波器选用LCL 型滤波器，通过基于电容电压u C 反馈的有源阻尼抑制滤波器谐振，在无功电流参考中加入了孤岛检测算法。

系统并网运行时有pcc dLoad dDG dGrid 3V i i i R=+=（1）qLoad qDG qGrid pcc 132π2πi i i V fC fL ⎛⎞=+=−⎜⎟⎝⎠（2）图2 系统控制框图Fig.2 System control diagram of islanding detection式中，f 为并网时公共耦合点电压频率。

根据式（1）和式（2）可知qLoad dLoad 12π2πi i R fC fL ⎛⎞=−⎜⎟⎝⎠（3）孤岛发生前，负载消耗的电流由逆变器和电网共同提供。

孤岛发生后，负载消耗电流由逆变器单独提供，此时负载有功电流表达式为*pccdLoad dDG 3V i i R== （4）式中，*pccV 为孤岛时公共耦合点电压。

定义ΔV 为 *pcc pccpccV V V V −Δ=（5）根据式（4）和式（5）可得pcc dLoad dDG (1)3V V i i R+Δ== （6）根据式（1）和式（6）可得dDGdDG d 1i i i V+Δ=+Δ （7）式中，Δi d 为孤岛前、后负载有功电流变化量，Δi d = dLoad dDG i i −。

设无功电流匹配，即qLoad qDG pcc 132π2πi i V fC fL ⎛⎞==−⎜⎟⎝⎠（8） 负载消耗无功电流可表示为qLoad pcc 13(1)2π()2π()i V V f f C f f L ⎡⎤=+Δ−+Δ⎢⎥+Δ⎣⎦（9）式中，Δf =f *−f ，f *为孤岛时公共耦合点电压频率。

根据式（7）～式（9）可得296电 工 技 术 学 报 2017年8月dDG d dDG 1()2π2π12π()2π()i i fC fL i f f C f f L ⎛⎞+Δ−=⎜⎟⎝⎠⎡⎤−+Δ⎢⎥+Δ⎣⎦（10）整理式（10）可得 2dDG d 2214π()()(14π)i LCf f f i f f f LCf ⎡⎤++Δ⎣⎦Δ=−Δ+Δ− （11） 式（11）表明了孤岛发生前后负载有功电流变化量与频率之间的关系，孤岛发生后负载有功电流为逆变器输出有功电流。

通过式（11）得出如下结论：（1）若孤岛发生后负载上的有功电流增大，则Δi d 为负数， Δf 为正数，频率上升。

（2）若孤岛发生后负载上的有功电流减小，则Δi d 为正数，Δf 为负数，频率下降。

设负载有功电流和逆变器输出有功电流匹配，则孤岛发生前后V pcc 不变，孤岛发生前负载的无功电流如式（8）所示。

孤岛发生后负载消耗的无功电流为qLoad qDG pcc 132π()2π()i i V f f C f f L ⎡⎤==−+Δ⎢⎥+Δ⎣⎦（12）根据式（8）、式（12）可以得出qDG qDG q 12π2π1()2π()2π()i fC fL i i f f C f f L ⎛⎞−=⎜⎟⎝⎠⎡⎤+Δ−+Δ⎢⎥+Δ⎣⎦（13）式中，Δi q 为孤岛发生前后负载无功电流的变化量，Δi q =qLoad qDG i i −。

根据式（13）可知2qDG q 2214π()()(14π)i LCf f f i f f f LCf ⎡⎤++Δ⎣⎦Δ=Δ+Δ− （14）式（14）表明了孤岛发生前后负载无功电流变化量与频率之间的关系，孤岛发生后负载无功电流为逆变器输出无功电流。

通过式（14）得出如下结论：（1）若孤岛发生后负载上的无功电流增大，则Δi q 为负数， Δf 为负数，频率下降。

（2）若孤岛发生后负载上的无功电流减小，则Δi q 为正数， Δf 为正数，频率上升。

根据式（10）和式（14）可以推出Δi d 和Δi q 产生的频率变化有可能相互抵消，或者频率变化范围较小导致孤岛检测失败，出现检测盲区。