0 引言

　　光伏并網(wǎng)技術(shù)得以發(fā)展遭遇的最大挑戰(zhàn)之一是所謂的“孤島效應(yīng)”，即當(dāng)光伏并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)斷路器跳脫之后的規(guī)定時間內(nèi)沒有停止輸出功率，而是繼續(xù)為本地負(fù)載供電。文獻(xiàn)[1]分析了孤島效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理，其產(chǎn)生的必要條件是：逆變器輸出有功功率、無功功率和負(fù)載的有功功率、無功功率相匹配。

　　“孤島”產(chǎn)生后如果光伏并網(wǎng)逆變器繼續(xù)工作，不僅可能會使相連的設(shè)備由于失步合閘受到破壞，還可能威脅在“孤島”期間維護(hù)電網(wǎng)工人的生命安全。為了避免這些嚴(yán)重后果，光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)需要滿足一系列要求以確保供電的安全性和可靠性，并網(wǎng)發(fā)電裝置必須具備孤島保護(hù)的功能，保證能夠及時檢測到孤島效應(yīng)并與電網(wǎng)切離。

　　目前常見的孤島檢測方法主要分為被動式檢測法和主動式檢測法，前者通過檢測公共點(diǎn)電壓幅值、相位或頻率、功率、諧波等參數(shù)變化判斷孤島發(fā)生，檢測形式基本固定，主要有過欠壓/過欠頻檢測法(Over/Under Voltage and Over/Under Frequency method，OUV/OUF)、相位突變檢測、電壓諧波檢測等；后者通過有意的給系統(tǒng)注入擾動信號破壞功率平衡，使處于孤島狀態(tài)下的PCC(Point of Common Coupling)點(diǎn)電壓參數(shù)(幅值、頻率或諧波含量等)超出正常范圍，來確定電網(wǎng)的存在與否以達(dá)到檢測出孤島的目的，主要有阻抗測量法、有源頻率偏移法、正反饋有源頻率偏移法、滑模頻率偏移法（Slip-Mode Frequency Shift,SMS）、Sandia電壓偏移法等。由于傳統(tǒng)的檢測方法存在一定的缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[2]研究了基于無功電流和頻率反饋的方法；文獻(xiàn)[3]研究了帶電壓頻率正反饋的主動頻移法；文獻(xiàn)[4]研究了一種復(fù)合式孤島檢測方法；文獻(xiàn)[5]研究了基于正切的滑模頻移法，本文受上述文章的的啟發(fā)提出了一種改進(jìn)的滑模頻移法。

1 原理分析

　　研究孤島檢測方法的目的是為了尋找一種能在任何性質(zhì)負(fù)載下檢測出孤島狀態(tài)的技術(shù)，如圖1所示在具體的反孤島測試中，通常用當(dāng)并聯(lián)諧振負(fù)載代表局部負(fù)載，從而模擬一種最嚴(yán)重的孤島狀況。本文基于該測試電路研究了電壓正反饋和滑模頻率偏移法相結(jié)合的反孤島策略并搭建了模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證和結(jié)果分析，下文分別進(jìn)行原理闡述。

　　1.1 滑模頻率偏移法

　　定義逆變器的相位為一個以頻率為變量的函數(shù)，使逆變器的相位比單位功率因數(shù)的負(fù)載相位在電網(wǎng)頻率附近增加更快。并網(wǎng)運(yùn)行時，逆變器輸出頻率為50 Hz，輸出電流電壓相位差為零，如果電網(wǎng)跳閘公共點(diǎn)電壓的頻率發(fā)生畸變，逆變器輸出電流跟隨給定的電壓相位按SMS曲線偏移，只有在圖中A、B兩點(diǎn)時系統(tǒng)才會到達(dá)新的平衡。在到達(dá)A或B點(diǎn)之前的過程中，由于負(fù)載相角與頻率成正比，系統(tǒng)輸出電流為了保持與電壓的相角差需要不斷增大頻率，直至頻率偏移到觸發(fā)保護(hù)動作。

　　滑模頻率偏移法屬于主動式孤島檢測方法[6]，它是一種較早的移相式檢測法，實(shí)質(zhì)是通過移相達(dá)到移頻，對相位施加擾動使逆變器輸出電壓頻率在短時間內(nèi)變得不穩(wěn)定，從而判別孤島發(fā)生與否。原理示意如圖2所示，將輸出電流的參考電壓的相位平移一個角度?茲SMS，逆變器給定電流的起始時刻為公共電壓過零點(diǎn)上升沿，未加入算法前逆變器輸出電流與公共點(diǎn)電壓同頻同相，加入SMS算法后，電流頻率不變但相位發(fā)生變化，大小由移相角決定。應(yīng)用SMS進(jìn)行孤島檢測時，對并網(wǎng)逆變器輸出電流引入相位偏移，電流i0和移相角?茲SMS分別如式(1)和式(2)所示。

　　式中，f為公共點(diǎn)電壓頻率，fg為電網(wǎng)頻率，?茲m為最大相位角，fm為最大相位?茲m出現(xiàn)時的最大頻率。

　　1.2 基于dq變換的正反饋

　　由負(fù)載特性：

　　可知系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時，逆變器輸出與負(fù)載的有功功率不匹配程度將決定負(fù)載端電壓的變化，逆變器輸出與負(fù)載的無功功率將決定頻率變化的大小。利用正反饋原理增加逆變器輸出功率和負(fù)載需求頻率的不匹配程度，迅速超出所設(shè)定的電壓或頻率的閾值，避免進(jìn)入非檢測區(qū)(None Detection Zone，NDZ)，使孤島檢測更有效。將a-b坐標(biāo)系中的各參數(shù)變換到d-q軸后，有功功率和d軸成比例，無功功率和q軸成比例。電流或電壓等矢量都是d軸和q軸的合成量，其中任意一個軸的值改變不僅能引起矢量幅值的變化，兩軸之間的角度也會改變，從而角度又促使頻率發(fā)生變化[7]。

　　運(yùn)行機(jī)制如圖3所示，令逆變器輸出三相電流和電壓分別通過abc-dq0變換器，當(dāng)逆變器輸出端d軸電壓增加時，反饋促使逆變器輸出d軸參考電流增大，從而使有功功率增大帶動電壓增大，d軸電壓再次升高。依次循環(huán)，電壓增大到超過所設(shè)定的閾值斷開逆變器，孤島被檢測出來。

　　1.3 SMS算法與電壓正反饋相結(jié)合的反孤島策略

　　本文利用電壓正反饋與滑模頻率偏移法相結(jié)合的策略：電壓反饋模塊通過dq變換實(shí)現(xiàn)了對電壓和電壓的分離以及有功電流和無功電流的分離；通過與電流參考量做差值后進(jìn)入dq0-abc轉(zhuǎn)換器作為反饋量；再利用過欠壓、過欠頻檢測來判斷孤島是否發(fā)生。如果沒有進(jìn)入SMS檢測模塊，計(jì)算負(fù)載相位角與滑模頻率偏移角的相位偏差SMS+∠G(jw)，孤島發(fā)生時微小的偏移量會導(dǎo)致電壓頻率的不斷地增大或減小，與額定頻率的偏差會越來越大直至超出所設(shè)置的閾值[8]。本文設(shè)計(jì)的孤島檢測結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2 基于MATLAB的建模及仿真分析

　　通過模塊MATLAB/Simulink和power system blockset建立仿真模型對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)搭建基于三相逆變器的孤島檢測模型[9]。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能通過逆變器整流，使輸出電壓、頻率、相角符合并網(wǎng)要求，由于逆變器為電流控制模式，再經(jīng)過濾波后輸出給負(fù)載和電網(wǎng)。鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電流對公共點(diǎn)電壓的同頻同相控制，檢測電壓的過零上升沿獲得電壓的頻率和相位。公共點(diǎn)三相電壓和電流分別通過SMS算法和電壓反饋?zhàn)酉到y(tǒng)產(chǎn)生逆變器控制信號。直流電源模擬為光伏電池，三相可編程電壓源模擬為電網(wǎng)，三相并聯(lián)RLC作為本地負(fù)載，初始時刻發(fā)電系統(tǒng)處于并網(wǎng)狀態(tài)，三相開關(guān)閉合，0.1 s時三相開關(guān)斷開，發(fā)電系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)，通過示波器監(jiān)視電網(wǎng)斷開前后逆變器及公共點(diǎn)電壓、電流、頻率以及孤島檢測信號的變化。具體的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3 仿真結(jié)果分析

　　圖5、圖6分別給出了傳統(tǒng)SMS檢測算法和本文檢測策略下的逆變器電流、公共點(diǎn)電壓、頻率及孤島檢測信號。當(dāng)電網(wǎng)0.1 s斷開后，失去了電網(wǎng)的鉗制作用，產(chǎn)生的微小偏差通過算法和正反饋?zhàn)饔檬构颤c(diǎn)頻率迅速減小，直到欠頻保護(hù)逆變器斷開，孤島效應(yīng)被高效的檢測出來。分別對比圖（a）和圖（b），傳統(tǒng)SMS算法下到0.32 s經(jīng)過約0.22 s，頻率超出下限49.5 Hz，孤島效應(yīng)檢測出來，而本文檢測策略下僅用了約0.128 s，可見大大提高了檢測效率。并且對比斷網(wǎng)后的電流和電壓波形，本文策略下的畸變很小，一定程度上提高了發(fā)電質(zhì)量，降低電網(wǎng)的諧波污染。由于加入了電壓反饋機(jī)制使有功電流增加，增大了逆變器與本地負(fù)載的不匹配程度，更有利于孤島檢測，能夠有效減小孤島非檢測區(qū)。

4 結(jié)論

　　本文研究了傳統(tǒng)滑模頻率偏移法和電壓反饋相結(jié)合的針對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)檢測策略，對各模塊的基本原理進(jìn)行了扼要分析，通過搭建的仿真模型對檢測方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，本文所提出的檢測方法相比于傳統(tǒng)的SMS算法能夠快速有效地檢測出孤島，產(chǎn)生的諧波污染、對電能質(zhì)量的影響以及檢測盲區(qū)都較小，符合IEEEstd.2000-929/UL1741的孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)，有檢測快速、諧波小、對電能質(zhì)量影響小的優(yōu)點(diǎn)。另外，對于多臺逆變器同步運(yùn)行下的孤島檢測方法以及檢測盲區(qū)的定量分析將會做進(jìn)一步的研究。

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