有功電流全擾動孤島檢測法的分析研究

摘 要：分布式電源并網發電系統主要是依靠風力、光伏、生物等動力能源來進行發電的，如果電網暫時斷電或電源與電網不相互接觸時，這樣會利用繼續工作的并網發電子系統和其周圍的負載形成一個封閉獨立供電的孤島系統。伴隨著分布式并網發電系統的應用普及，孤島效應的發生概率也隨著逐步增加，必須有效地預防這種現象，防止出現孤島問題，因此對有功電流全擾動孤島檢測法的分析研究對研究解決孤島問題具有重要的意義。

關鍵詞：有功電流；孤島檢測；施加擾動

1 全擾動孤島檢測原理

采取通過逐步減少擾動量對進網功率產生的影響，進而影響到在并聯供電的條件下同時出現幾個分布式發電系統的狀況，利用一種有功電流全擾動進行孤島檢測，本文就這種檢測方法如下一些分析研究。

在已有電流的基準Ig上，施加一個周期性擾動信號Igd和一個能讓電網周期性產生作用的擾動信號Id兩個信號，就把這種算法定義為全擾動控制算法。并且要在施加擾動開始前，需要鑒別輸出電壓發生變化的大小，進而根據情況施加對應的擾動，從而依靠這兩個擾動信號的相互配合作用來達到檢測孤島的目的。

對于電流控制型逆變器，如果電流的輸出完全是依照基準，則輸出電流幅值I0可表示為：

其中：I0表示電流設定幅值，Igd表示發生周期性擾動信號的幅值，Id表示任何一個都發生作用的每個周期擾動幅值。其大小可通過以下方程組來表示：

上式中，ID為周期性擾動信號的大小，Id為每個周期的擾動遞增量。Δx為擾動量大小。U0（k）為該周期逆變器輸出電壓的最大幅值，U0（k-1）為上一周期逆變器輸出最大幅值。可見這兩擾動信號的幅值變化情況與輸出電壓有很大關系。

如果不給予一個電流施加擾動，則輸出電流是同原有電流Ig具有相同的頻率、相同相的正弦信號，對于電流控制性逆變器有輸出電流I0=Ig，再施加擾動信號Igd與Id過后實際的輸出電流為：

其中：ω為電網角頻率。

并網時：輸出端節點電壓受電網電壓鉗制，其大小同電網電壓相同，不發生變化，于是擾動信號Id保持零不變，不增加增量，不進行周期擾動時，逆變器的進網電流是一個恒定值，當進行周期擾動的過程中，這時進網電流幅值最終減小Igd，周期性擾動完成后，進網電流又恢復到初始值。

斷網后：逆變器輸出端電壓是負載Z與輸出電流共同作用的結果，如下公式是輸出端電壓的計算公式：

（4）

進而通過觀察逆變器輸出端電壓的改變情況來檢測孤島的發生或未發生，實現對孤島危害的預防，減少事故的發生。

2 斷網后三種檢測情況的研究分析

2.1 假設負載所需功率小于電流控制性逆變器輸出功率時，則逆變器輸出電壓隨著增大，即U0（k）>U0（k-1）。則由公式（2）可知：Id=Id+Δx，于是總的電流基準增大，輸出電流也相應的增大，可由公式（4）知輸出電壓將會產生更大的變化，由于Id每個電網周期不斷遞增累加，最終導致輸出電壓不斷增大，結果會使得超過規定的上線值，從而檢測到孤島的出現。假設在這個檢測情況中周期性擾動信號Igd同樣也出現，則Igd也是一正值，進而兩擾動信號共同發揮作用，使得輸出電壓增加速度加快，能夠加速孤島的檢測過程，減小檢測的時間。其變化趨勢如圖1 （a）所示。

2.2 假設負載所需功率大于電流控制性逆變器輸出功率時，則電流控制性逆變器輸出電壓將隨著減小，即U0（k）

2.3 假設負載所需功率與電流控制性逆變器輸出功率相同時，那么逆變器輸出電壓將不會改變，也就是Id=0，在周期性擾動還未施加之前，兩擾動都沒有起到作用，輸出電壓將會維持一個恒定值不變，所以達不到檢測出孤島是否發生的目的。然而當周期擾動出現時，存在U0（k）=U0（k-1），則由式（1）可知：Igd=-Id。這會讓電流基準減小，那么輸出電壓隨著減小，后面的一些過程都與負載所需功率大于逆變器輸出功率的情況發生過程一致，也可以檢測到孤島發生的情況。

2.4 擾動信號參數設計

在周期性擾動信號Igd的設計中考慮以下兩問題：

（1）擾動信號Igd的周期不能太長，太長可能影響孤島檢測的速度，太短又使并網時進網功率變化頻繁，影響系統穩定。

（2）Igd的作用量不能太大，太大當并網時，在帶關鍵性負載的并網模式下，當周期性擾動發生作用時，逆變器輸出功率可能小于負載所需功率，則存在電網向負載傳輸能量的情況。

設擾動信號擾動Igd比例為x1，擾動周期為t1。擾動信號Id的擾動比例為x2，檢測周期數為n，電網周期為T，設檢測閥值范圍為（0.88Un～1.1Un），Un為電網額定電壓幅值。斷網后，在功率不匹配的情況下，當輸出電壓變大時，只要滿足：

取其最大值nx2>0.12。則其檢測時間為nT，這期間如果Igd發生作用，則檢測時間更短。在功率不匹配的情況，最長檢測時間為：t1+nT。當輸出電壓幅值小于0.5Un或者大于1.37Un時，完全可以通過被動法檢測出來。

根據以上的分析總結，可以得出這種有功電流全擾動控制的孤島檢測方法是沒有盲區的，是可以完全有效的檢測出孤島的發生。增大擾動信號Id的擾動比例可以加速檢測的過程，減小檢測的時間。

參考文獻

[1]John Stevens，Russell Bonn，Jerry Ginn.Development and Testing of an Approach to Anti-islanding in Utility-Interconnected Photovoltaic Systems，Photovoltaic System Applications Department，Sandia National Laboratories，2000：2000～1939.

[2]鹿婷，段善旭，康勇.逆變器并網的孤島檢測方法，通信電源技術，2006，23（3）：38～41.

[3]Lopes L.A.C，Huili Sun.Performance assessment of active frequency drifting islanding detection methods，IEEE Trans. on Energy Conversion，2006，21（3）：171～180.

[4]彭力，張宇，康勇等.高性能逆變器模擬控制器設計方法，中國電機工程學報，2006，26（6）：89～94.

[5]董密，羅安.光伏并網發電系統中逆變器的設計與控制方法，電力系統自動化，2006，30（20）：97～102.

[6]李進兵，榮雅君，東杰，安剛虎.分布式電源并網系統孤島檢測方法綜合比較，燕山大學電氣工程學院，066004.

作者簡介：陳江艷（1984-），女，漢族，湖北宜昌人，碩士，講師，三峽大學科技學院，研究方向：電力系統。