基于有功電壓正反饋防孤島技術研究＊

吳建明，魏毅立，張繼紅

（內(nèi)蒙古科技大學監(jiān)察審計處，內(nèi)蒙古包頭014010）

基于有功電壓正反饋防孤島技術研究＊

吳建明，魏毅立，張繼紅

（內(nèi)蒙古科技大學監(jiān)察審計處，內(nèi)蒙古包頭014010）

在新能源電力系統(tǒng)中，并網(wǎng)變流器必須具有防孤島能力，否則，電網(wǎng)失電后會造成電網(wǎng)事故。孤島效應檢測方法有主動式孤島檢測方法和被動式孤島檢測方法。被動式孤島檢測方法在電網(wǎng)失電后，負載有功功率和并網(wǎng)變流器功率匹配會失效，進而造成電網(wǎng)不安全。本文通過有功電壓正反饋解決了這一問題，防止了被動式檢測盲區(qū)的存在，仿真結果也驗證了該方法的有效性和可行性，具有良好的應用前景。

并網(wǎng)變流器；孤島效應；孤島檢測；有功電壓正反饋

1 引言

新能源發(fā)電系統(tǒng)最大的挑戰(zhàn)之一是所謂的“孤島效應”，即當并網(wǎng)變流器在電網(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)為本地負載供電。并網(wǎng)變流器和本地負載形成一個供電閉環(huán)，如圖1所示。“孤島”產(chǎn)生后如果并網(wǎng)變流器繼續(xù)工作，這不僅會使相連的設備由于失步合閘而受到損壞，還可能威脅到在“孤島”期間維護電網(wǎng)的工人的生命安全。為了避免發(fā)生這些嚴重后果，并網(wǎng)變流器必需滿足一些技術要求以確保供電的安全性和可靠性。本文提出了有功電壓正反饋的方法很好地解決了這一問題［1］。

圖1 孤島結構圖

2 原理

孤島效應檢測方法有主動式和被動式兩類檢測方法。被動式檢測方法有過／欠電壓孤島檢測法、過／欠頻率孤島檢測法、諧波孤島檢測法、相角突變電壓檢測法等。當并網(wǎng)變流器功率與負載功率匹配時，被動式檢測方法就失效。其仿真實驗結果如圖2所示。

當變流器的有功功率基本等于RLC負載的功率時，其輸出電壓和電流不變。設變流器的功率為269kW，RLC負載的有功功率為269kW，L的無功功率為 189.6kVar，C 的無功功率為 189.6kVar，Udc＝550V，idc＝210A。功率匹配時出現(xiàn)孤島現(xiàn)象，變流器與電網(wǎng)接點處的頻率波形如圖2（a）所示，只會小幅波動后就回到50Hz。交流側電壓ea和電流ia基本不變，如圖 2（b）所示。

圖2 負載功率和變流器功率匹配時仿真圖

3 控制策略

3.1 孤島效應檢測控制方法

主動式孤島效應檢測法有：阻抗測量法、有源頻率偏移法、帶有正反饋的有源頻率偏移法、滑模頻率偏移法、輸出功率擾動法。

所有被動的防孤島方法都有探測死區(qū)［2］。在完全功率匹配試驗條件下，任何被動的防孤島方法將會失效。此外，此方法也易被干擾引發(fā)頻繁的跳閘，不利于電網(wǎng)的安全。通過增加正反饋能很好地解決了這一問題。正反饋主動控制方法的基本理念是一旦出現(xiàn)孤島現(xiàn)象會立刻切斷并網(wǎng)接觸器。

3.2 基于dq坐標的有功電壓正反饋控制

在孤島狀態(tài)下，負載所需功率全部由并網(wǎng)變流器提供。為研究方便，假定在電網(wǎng)失電后，失電電網(wǎng)存在等效負載，用RLC并聯(lián)負載表示。RLC負載的有功功率 P、無功功率 Q 和電壓 U、頻率 f（ω＝2πf）之間的關系為：

可知系統(tǒng)處于孤島運行狀態(tài)時，逆變器輸出與負載的有功功率的不匹配程度將決定負載端電壓的變化，逆變器輸出與負載的無功功率將決定頻率的變化［3］。其作用原理就是在逆變器的控制信號中加入很小的電壓、電流或相位擾動信號，然后檢測并網(wǎng)變流器的輸出響應。當并網(wǎng)變流器與電網(wǎng)相連時，受電網(wǎng)鉗制，擾動信號作用很小。當孤島發(fā)生時，擾動信號就會顯現(xiàn)出來，當輸出響應的變化超過規(guī)定的閾值時，孤島現(xiàn)象就能被檢測出來［4］。

圖3 電壓正反饋防孤島控制結構圖

電壓正反饋防孤島控制結構圖如圖3所示，粗實線所表示的正反饋回路屬d軸電壓正反饋方法。當逆變器檢測和計算得知d軸電壓增加時，防孤島反饋將使逆變器d軸的給定電流增加，這將導致更多的有功功率輸出。由于在公式（1）中負荷的特性，電壓會不斷增強，以平衡有功功率。由于防孤島正反饋的存在，被增加的d軸電壓將進一步推動逆變器有功功率的輸出，其結果使電壓最終超出正常范圍，使孤島被檢測出來。反之，其值應低于正常值。

圖3中粗實線表示的正反饋從ed到id＊，稱為電壓結構防孤島正反饋。該結構實施的路徑為：ed通過帶通濾波器、增益和限幅器，變換成電流變化量Δi，再加到id＊上［5］。由于使用了帶通濾波器，不但避免了高頻干擾，還去掉了直流偏移量。因此，在電網(wǎng)正常時，不會改變控制回路中有功電流的給定值，這比直接將ed放大有許多優(yōu)勢。

當變流器功率與負載有功功率都為147kW、負載品質因數(shù)Qload＝1.5時，仿真結果如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)電壓頻率防孤島增益為60時的仿真結果

對有功電壓模值正反饋結構的變流器進行仿真。從仿真圖4可發(fā)現(xiàn)，隨著正反饋放大倍數(shù)的升高，變流器對孤島的反應越來越快。圖中正反饋增益為60，當k＞5就可滿足在2秒內(nèi)，被檢測的參數(shù)電壓、電流、頻率因正反饋的作用而超出了設定的保護范圍，并看到交流側出現(xiàn)了震蕩現(xiàn)象。

在相同條件下，減小電壓正反饋的增益，仿真增益減少為2，防孤島的控制變得無效，如圖5所示。這是由于帶通濾波器對干擾具有很大的抑制作用。雖然防孤島反饋回路有變化注入，但注入信號沒有被充分放大。因此，正反饋沒有足夠驅動電壓和頻率偏移，未能使系統(tǒng)進入大幅震蕩，系統(tǒng)只是小幅震蕩，系統(tǒng)的電流、電壓和頻率信號都無法超出故障檢測的范圍［6］。

圖5 電網(wǎng)電壓頻率防孤島增益為2時的仿真結果

4 實驗結果

圖6 有功電壓主動防孤島系統(tǒng)仿真圖

本文搭建的d軸有功電壓仿真模型如圖6所示。通過設定不同的增益，驗證了帶通濾波器對干擾信號的抑制作用和有功電壓正反饋在并網(wǎng)變流器功率和負載功率匹配時防孤島產(chǎn)生的效果。結果表明，在并網(wǎng)變流器功率和負載功率匹配時，被動式檢測方法會失效，通過主動式有功電壓檢測方法能很好地解決這一問題。主動式有功電壓模型能很好地解決孤島的發(fā)生，也能防止干擾信號對系統(tǒng)擾動而造成電網(wǎng)的不安全。

5 結束語

并網(wǎng)變流器在電網(wǎng)失電后，被動式檢測孤島效應的方法會失效。本文通過主動式有功電壓正反饋方法很好地解決了這一缺點。為了驗證此方法的有效性與正確性，搭建了Matlab／Simulink仿真實驗平臺，仿真驗證了該方法正確有效，為該技術在并網(wǎng)變流器中的推廣應用奠定了堅實的基礎。

［1］殷桂梁，孫美玲.基于逆變器的正反饋孤島檢測方法［J］.電子測量技術，2007，（8）：59－62.

［2］劉芙蓉，康 勇，段善旭，王志峰，王 輝.主動移頻式孤島檢測方法的參數(shù)優(yōu)化［J］.中國電機工程學報，2008，（1）：95－99.

［3］王兆安，黃 俊.電力電子技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.

［4］Wu R，Dewan S B，Slemon G R.Analysis of an AC to DC voltage source converter using PWM with phase and amplitude control［J］.IEEE Trans.on Industry Application，1991，（27）：355－364.

［5］Nishida Y，Miyashita ，et al.A predictive instantaneouscurrent PWM controlled rectifier with AC－side harmonic current reduction［J］.IEEE Trans.on Industry Electronics，1997，44（6）：337－343.

［6］Draou A，Sato Y，Kataoka T.A new state feedback based on transientcontrolofPWMAC to DC voltage type converters［J］.IEEETrans.on Power Electronics，1998，10（6）：716－724.

Research on active－voltage positive－feedback anti－islanding technology

WU Jian－ming，WEI Yi－li，ZHANG Ji－h(huán)ong
（Monitoring Audit Office，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China）

In the new energy power systems，the grid converter must have anti－islanding capacity.Otherwise，it will cause power grid failure.There are two methods of the active island detection and the passive island detection for islanding effect.As regard to the passive island detection，when the grid power failure happens，the power matching of the load active power and the grid－connected converter power will become invalid，which will lead to the grid insecurity.The active－voltage positive－feedback method is used to solve this problem，and it can prevent the blind spot existence in the passive detection.The simulation results verify the effectiveness and feasibility of this method，

and which has good application prospect.

grid－connected converter；island effect；island detection；active－voltage positive feedback

TM732；TM762

A

吳建明（1984－），男，內(nèi)蒙古包頭人，碩士，工程師，主要研究方向為電力電子與運動控制。

2016－09－21

1005—7277（2017）02—0051—03

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金項目（2016MS0515）；內(nèi)蒙古教育廳科技計劃項目（NJZY14170）