基于三相光伏并網逆變器的新型孤島檢測方法研究

章勇高，蔡少華

（華東交通大學電氣與電子工程學院,江西 南昌330013）

基于三相光伏并網逆變器的新型孤島檢測方法研究

章勇高，蔡少華

（華東交通大學電氣與電子工程學院,江西 南昌330013）

孤島效應是指一個或多個光伏系統在沒有電網支撐的情況下給本地負載供電的現象是光伏發電系統并網過程中的主要問題之一。非計劃的孤島效應必須在最短的時間內被監測出來并采取措施來保證工作人員的安全和設備不被損壞。反孤島的檢測方法主要分為主動式、被動式檢測法和通迅檢測法，被動檢測法具有響應快和對輸出電能質量不產生影響的優點，該方法的缺點是具有較大的檢測盲區（NDZ），另一方面，主動檢測法擁有相對較小的NDZ，并且同樣迅速。但是傳統的主動孤島檢測方法一般是通過注入擾動分量，這樣不利于電網的電能質量。提出一種注入三次諧波的孤島檢測法，不僅能夠有效的檢測出孤島發生，還能夠在一定程度上改善電網電能質量。并對該方法進行仿真和試驗驗證。仿真和實驗結果證明了該方法的可行性和有效性。

逆變器；孤島檢測；三次諧波注入

光伏發電作為一種新型能源，在一次發電系統中占的比例越來越大[1]，光伏發電對電網帶來的影響也受到越來越多研究者的關注。在三相逆變器的基礎上進行研究的原因是大電網的三相是平衡的，光伏系統進行三相發電的優勢是能夠直接滿足三相平衡的需求。三相發電同單相發電一樣也面臨著孤島問題。不論是有計劃還是非計劃的孤島，作為可能的安全隱患，逆變器都必須具備孤島檢測功能來檢測孤島是否發生。所以，在三相光伏發電系統中對孤島檢測進行研究具有一定的必要性[2]。

現有的孤島檢測方法主要分為三類[3－5]，即被動檢測，主動檢測和通訊監測。被動檢測[6]優勢在于，不需要增加任何設備，而是基于對幅值，相位，頻率等數值大小根據電網的參數限制來設定閾值。但是這種方法的缺點是由于電網所有繼電器無法做到一致動作，就有可能導致局部電網完全或者不完全匹配本地負載。導致上邊所給參數無法超過檢測的閾值，使得光伏發電系統在電網異常的情況下無法及時脫離電網。主動檢測[7－8]同樣具有不需要增加設備的優點，該類檢測法主要是通過對控制算法中輸入關于幅值，相位，頻率的持續不間斷帶方向的擾動。使得孤島運行時其中部分參數能夠快速有效的偏移出正常允許范圍，從而觸發被動檢測。但是由于該類方法往往朝電網中持續注入擾動分量，給電網的電能質量帶來影響，隨著這部分發電在電網中的份額逐步增加，輸入擾動信號帶來的電能質量問題將會越來越明顯，會給電力系統的運行與維護增加成本。基于通訊監測的方法[9－10]是其中最有效，且不存在孤島檢測盲區與電能質量的問題，是一種很重要的發展方向，缺點是要增加額外的檢測設備，比較昂貴，而隨著設備成本的降低，以及智能電網的發展，這種方法將會起到越來越重要的作用[11]。

快速準確兩個指標是個矛盾體，不能單獨追求其中某一項而忽略另一項，如何做到快速與準確巧妙的平衡也是一個研究課題。通過在前人提出的方法基礎上對其進行改進，通過理論推導，Matlab仿真與現場實驗來進行研究。仿真與實驗結果表明，該方法不僅能夠做到快速與準確的檢測出孤島，而且能夠在電網正常運行時，能夠部分提高電網的電能質量。

1 注入三次諧波原理分析

1.1 注入三次諧波原理

在分析三次諧波孤島檢測法之前，首先分析注入三次諧波對供電電網的影響，假設對三相逆變器輸出電流ia，ib，ic中注入幅值K，角頻率為3ω0的三相對稱電流，如

1.2 運行模式

三次諧波注入工作在兩種模式下，分別為運行模式Ⅰ和運行模式Ⅱ。

1）運行模式Ⅰ，為孤島檢測模式，該模式的工作原理為：孤島發生時候，無三次諧波或少量三次諧波，控制逆變器輸入三次諧波量，經由正反饋之后，三次諧波越來越大從而設置閾值來判斷孤島發生。

傳統的孤島檢測方法在某些特別情況下，可能會因為產生的擾動量被抵消，從而導致孤島檢測的失敗。運行模式Ⅰ為了避免特定的取值可能導致的檢測失敗，采用的是根據三次諧波分量的大小來進行正反饋從而在孤島情況下能夠放大三次諧波分量，最終超出正常范圍。

2）運行模式Ⅱ，為正常并網模式，經過電網三次諧波檢測，經由控制器控制注入三次諧波電流，在負載上產生反向三次諧波電壓從而部分抵消電網中的三次諧波，改善電網本身的電能質量。

運行模式Ⅱ是基于逆變器輸出的三次諧波并不足以影響到整個電網的三次諧波總的分量的情況下，通過采取與與電網三次諧波分量反向的方式來達到部分降低電網三次諧波的目的。

2 三次諧波注入法實現的控制策略

2.1 濾波器原理

準確的檢測電壓三次諧波是控制注入三次電流的基礎。在檢測三次諧波的方式上選擇算法，該算法可視作一個數字濾波器，傳遞函數表達式為

式中：N為輸入信號采樣點數；m取值為0，1，…，N-1，本文選擇的值為注入諧波的次數。假設注入諧波的頻率為fdist、采樣信號采集的頻率為fsam和電網工作頻率即工頻為fg，那么N、m要滿足

傳遞函數的功能可由圖1的框圖來實現。其中：vm為m次諧波電壓；vPCC為耦合點處電壓。

圖1 滑動濾波器結構圖Fig.1 Diagram of sliding Goertzel filter

從圖1可推出關系式（12），式（13）

由式（12），式（13）可得

wm（n）的幅值可以通過式（15）來計算

通過式（14），式（15）能夠計算出三次諧波的電壓幅值與相位。通過跟蹤v（3）能夠控制輸入三次諧波電流的相位與取值。

2.2 注入三次諧波設計

注入三次諧波的大小可以定義為

工程實踐表明當k取0.10時即在三次諧波分量在電流中所占的百分比達到4.7%的時候，總的諧波含量（THD）將會達到5%，電網的規定總諧波諧波畸變率不能超過5%，所以0.10為檢測孤島發生與否的臨界值。

式（17）中a取接近于1的數值，工程實踐可根據需求取相應要求的大小，這里選取為0.99。其中a的取值可正可負，當電網電壓三次諧波過量，可以控制逆變器輸出一部分反向的三次諧波，起到調節電網電能質量的作用，也可以通過控制k的取值起到孤島檢測的作用。

2.3 控制實現與功能實現流程

本文所采用的三次諧波注入控制策略的控制結構圖如圖2所示。在圖中，逆變器采用的dq坐標下直接電流控制策略。耦合點（PCC）處電壓vPCC經過dq變換后，經過鎖相環PLL得到基準相位角θg，通過采用注入擾動相位的方式來實現三次諧波注入產生新的相位角θinv*，在經由電流電壓內外環產生的信號，經過dq轉αβ變換之后產生SVPWM的輸入信號，最終通過控制開關管Si來產生注入三次諧波的電流。

式中：iinv為逆變器電流；θg為基準相位角。系數k不宜過大或過小。過小將無法在逆變側體現出來3次分量；過大容易產生畸變，反而會增大諧波畸變率。那么系數k的取值變得很關鍵，首先定義系數的取值

圖2 實現三次諧波注入的控制框圖Fig.2 Control block diagram of the third harmonic injection

圖3為實現孤島檢測算法的軟件流程圖。如圖，注入三次諧波首先要測量PCC點三次諧波電壓v3，首先判斷三次諧波量是否正常，如果正常那么三次諧波注入的幅值k取與v3相反，并輸入擾動值。繼續測量PCC點的v3。如果變化不正常，那么繼續判斷，是否超出允許范圍。超出允許范圍的情況下則檢測出孤島發生，控制逆變器脫離電網。假如未超出，則控制三次諧波注入的幅值k與v3同向，加入擾動信號，繼續測量PCC點電壓v3。達到實現既能檢測孤島，兼具改善電能質量的目的。

圖3 注入三次諧波流程圖Fig.3 Flow chart of the third harmonic injection

3 仿真與實驗驗證

對孤島策略的仿真參數如下：母線電容電壓設置為800 V，電網電壓為220 V，頻率50 Hz。電網等效電抗為1.8 mH，LC濾波器中電感取5 mH，電容取47 uF。逆變器開關管開關頻率取20 kHz，電壓電流采集頻率為1 kHz。本地等效RLC諧振負載的諧振頻率取50 Hz，負載品質因數Q取2.5，R=174.8 Ω，L=220 mH，C=45 μF。

仿真結果如圖4所示，在圖中能夠看出，控制等效電網于1.06 s的時候發生故障，逆變器在經過孤島檢測控制，于1.1 s的時候停止加大幅值檢測，實際檢測時間為0.04 s，由于電網自身并不是理想的電源，為了防止，逆變器在電網正常供電的，但有擾動的情況下，頻繁的開關機。控制逆變器輸出端電壓跌落到一定值時，保持這個大小繼續運行一設定時間（根據具體要求給定，本文給定為500 ms），測出電網電壓仍然異常的情況下，控制逆變器脫離電網。

圖4 孤島檢測圖Fig.4 Islanding detection

在4.8 kW三相逆變器進行三次諧波注入孤島檢測實驗驗證。實驗參數與仿真參數基本相同。本地負載則有孤島發生模擬裝置代替。圖5所示波形為注入三次諧波擾動檢測實驗效果圖，從圖中可以看出，該方法使用了27.8 ms檢測出孤島發生。

圖6所示波形為本文所使用的控制策略的實驗效果圖，從圖中我們能夠看出，檢測出孤島發生之后，該控制方法繼續控制逆變器運行500 ms。在此期間內，逆變器并未檢測到電網恢復正常范圍。檢測出孤島發生，控制逆變器脫離電網。

圖5 三次諧波注入檢測波形圖Fig.5 Detection waveform of the third harmonic injection

圖6 孤島實驗檢測圖Fig.6 Islanding test and detection

圖7所示的為電網正常運行的情況下，功率分析儀所測得的該孤島控制策略對電網各次諧波的大小的影響。從圖中我們能夠看出，三次諧波的含量控制了在2.724%，總得電流諧波畸變率（THD）為2.924%符合電網5%的要求，功率因數能夠λ能夠達到0.99。我們能夠該方法能夠很好的實現逆變器高電能質量注入電網中。

圖7 逆變器正常并網運行的諧波分析Fig.7 Harmonic analysis on three-phase inverter in normal grid work

4 結論

提出了三相逆變器注入三次諧波孤島檢測方法，分析了注入三次諧波的原理，及該方法的運行模式，提出相應的控制策略。并通過仿真和實驗驗證該方法的可行性與有效性。該方法具有以下優勢：

1）能夠做到快速有效的檢測出孤島發生，并且能夠做到零盲區。

2）不僅能夠做到對電網不產生新的污染，還能夠做到改善電網正常供電情況下的電能質量。

參考文獻：

[1]馬寧.太陽能光伏發電概述及發展前景[J].智能建筑電氣技術，2011，5（2）：25-28.

[2]丁明，王偉勝，王秀麗，等.大規模光伏發電對電力系統影響綜述[J].中國電機工程學報，2014，34（1）：1-14.

[3]章勇高，李洋，康淦明，等.一種新型單相三開關光伏并網逆變器研究[J].華東交通大學學報，2014，31（4）：114-118.

[4]章勇高，康淦明，李洋，等.單相單級升降壓逆變器的拓撲分析與比較[J].華東交通大學學報，2014，31（1）：77－82.

[5]宋平崗，羅善江，楊姚，等.MMC變流器新型滑模控制器設計[J].華東交通大學學報，2015，32（4）：85-89.

[6]PATTHAMAKUNCHAI S，KONGHIRUN M，LENWARI W.An anti-islanding for multiple photovoltaic inverters using harmonic current injections[C]//Electrical Engineering/Electronics，Computer，Telecommunications and Information Technology（ECTI-CON），2012 9th International Conference on IEEE，2012：1-4.

[7]褚小莉.光伏并網中的孤島效應研究[D].合肥：合肥工業大學，2009.

[8]奚淡基.逆變器并網孤島檢測技術的研究[D].杭州：浙江大學，2006.

[9]劉芙蓉.并網型戶用光伏系統的孤島檢測技術研究[D].武漢：華中科技大學，2008.

[10]謝東.分布式發電多逆變器并網孤島檢測技術研究[D].合肥：合肥工業大學，2014.

[11]董偉杰，白曉民，朱寧輝，等.間歇式電源并網環境下電能質量問題研究[J].電網技術，2013，37（5）：1265-1271.

Research on New Islanding Detection Based on Three-Phase Photovoltaic Grid-Connected Inverter

Zhang Yonggao，Cai Shaohua
（School of Electrical and Automation Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China）

Islanding is one of the major problems in photovoltaic（PV）power generation systems.Islanding occurs when one or more PVs supply local loads without connection of grid utility.This unplanned condition must be detected in the shortest possible time and countermeasures should be taken to prevent hazardous effects on staff and equipment.The three main methods of anti-islanding are passive method,active method and communications test method.The passive method is favorable in the speed of detection and power quality,but it has rela tively large non-detection zone（NDZ）.On the other hand,the active method has relatively smaller NDZ with quick detection speeds.However,the traditional active islanding detection method is injecting the disturbance component，which affects grid power quality.In this paper,a third harmonic injection islanding detection method is proposed,which can not only effectively detect islanding but also improve power quality to a certain extent.Simulation and experimental verification are carried out,whose results verify the feasibility and effectiveness of the new method.

inverter;islanding detection;third harmonic injection

TM46

A

1005-0523（2016）06-0124-07

（責任編輯 姜紅貴）

2016－04－25

國家自然科學基金（51467006）；江西省科技廳項目（20151BBE50118，20161BBH80032）

章勇高（1975—），男，副教授，博士，研究方向為電力電子技術在電力系統中的應用。