一種基于MPPT多級擾動的孤島檢測方法

摘" 要： 為確保光伏發電并網系統穩定運行，針對傳統的主動式孤島檢測方法對電能質量影響較大、功率損耗較多等問題，提出一種基于MPPT多級擾動的方法來檢測并網光伏系統的孤島狀態。該方法通過周期性多級擾動Boost電路的占空比來減小逆變器的有功輸出功率，從而在孤島狀態下使并網點電壓低于設定的最小閾值，而在并網狀態下對其影響可忽略不計。根據并網點電壓大小選擇占空比的擾動方式，并根據其值實時計算具體擾動量，可有效降低對電網和用電設備的影響，減小功率損耗。在進行參數設計時，要充分考慮惡劣工況下的檢測質量，以消除檢測盲區。最后，在不同情況下對所提方法進行仿真測試。結果表明，該方法在減小功率損失、提高孤島檢測效率等方面具有顯著優勢。

關鍵詞： 孤島檢測； MPPT多級擾動； 光伏并網系統； 光伏發電； 微網； 功率損耗

中圖分類號： TN98?34； TM615" " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " nbsp; " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）20?0081?06

Method of islanding detection based on MPPT multi?level disturbance

LI Xueju， WU Peng， CHEN Junwei， CHEN Bei

（College of Electronic and Electrical Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China）

Abstract： In allusion to the significant impact of traditional active islanding detection methods on power quality and high power loss， a method based on MPPT （maximum power point tracking） multi?level disturbance is proposed to detect islanding state in photovoltaic grid?connected systems， so as to ensure the stable operation of the photovoltaic grid?connected system. This method can reduce the active output power of the inverter by periodically perturbing the duty cycle of the Boost circuit at multiple levels， so that the node voltage is lower than the set minimum threshold in the islanding state， and the influence on it is negligible in the grid?connected state. The disturbance mode of duty cycle is selected according to the voltage at grid?connected point， and the specific disturbance is calculated in real time according to its value， which can effectively reduce the influence on the power grid and electrical equipment and reduce the power dissipation. In the parameter design， the detection quality under harsh working conditions is considered fully， and the blind area of detection is eliminated. The simulation testing of the proposed method is conducted under different conditions. The results show that this method has significant advantages in reducing power dissipation and improving islanding detection efficiency.

Keywords： islanding detection; MPPT multi?level disturbance; photovoltaic grid?connected system; photovoltaic power generation; microgrid; power dissipation

0" 引" 言

傳統能源發電會對環境產生較大的影響，而清潔、高效的光伏發電能夠減輕對環境的影響[1?2]。隨著光伏發電在新能源中所占比例越來越高，大規模光伏并網可能會影響電網的穩定運行，其中非計劃孤島效應會對電力系統、用電設備以及相關人員造成嚴重的危害[3]。

孤島檢測分為非本地檢測法和本地檢測法。非本地檢測法主要是對監測信號狀態變化進行判斷，此方法檢測精度高、無檢測盲區，但成本較高、控制復雜、不易實現[4]。本地檢測法又可細分為被動法與主動法。其中被動法包括過/欠頻率法、過/欠電壓法、諧波監測法、電壓相位跳變法等[5?7]。這類方法原理簡單，不用注入擾動信號，但當逆變器輸出功率和本地負載匹配較高時會有較大的檢測盲區[8]。主動法通過注入一個微小的擾動以及打破系統的原有狀態來判斷孤島的發生，主要包括阻抗辨識檢測法[9]、群智能法[10]、諧波電壓特性法[11]等。主動法可以有效地減小檢測盲區，但會對電能質量產生影響。文獻[12]中提出一種小相位算法的檢測方法，采用時頻分析方法來估計電壓和電流信號分量，從而計算負序列阻抗，并通過研究公共點處負序列阻抗的幅度來檢測孤島狀態。這種方法檢測速度快、抗干擾能力強，但存在著檢測盲區。文獻[13]中充分考慮了孤島檢測時RLC負載的動態行為，提高了對復雜工況的檢測能力，但其算法設計較為復雜，對電能質量影響較大。文獻[14]中提出了一種基于最大功率跟蹤（Maximum Power Point Tracking， MPPT）的有功功率擾動法。這種方法可以降低太陽能電池輸出功率，從而減小逆變器的輸出功率。與主動頻移等方法相比，該方法不會引入諧波，對電能質量影響較小，但其參數設計不合理，存在檢測盲區，功率損耗較大。

針對以上問題，本文提出一種基于MPPT多級擾動的孤島檢測方法。首先檢測未擾動時公共點的電壓來自適應選擇合適的擾動量；再通過判斷擾動后的電壓幅值來決定是否啟用二級擾動，使其偏離正常范圍；最后通過仿真算例驗證，證明所提方法可快速有效地檢測出系統孤島運行狀態，功率損失較小，不存在檢測盲區。

1" 基于MPPT的孤島檢測方法分析

1.1" 孤島檢測原理

光伏并網系統主要有單級式和雙級式兩種。單級式需要直接通過直流到交流的變換來實現功率跟蹤和逆變功能，因此其系統構造比較復雜[15]。而雙級式則先通過Boost電路將直流電能進行變換[16]，并且通過MPPT輸出功率，最后再通過DC/AC逆變器使得直流電能轉化成交流電能輸出到本地負載和電網上。雙級式光伏并網系統可以分開單獨控制，提高了光能的利用效率，而且也不需要串聯電池板來提升電壓。在當前光伏并網系統結構中，雙級式結構也得到了更多的應用。

圖1所示為常見的雙級式光伏并網系統。圖中，PPV與QPV為光伏發電輸出的有功功率和無功功率；P、Q為逆變器輸出的有功和無功功率；并聯R、L、C為本地負載；Pload、Qload為負載的有功和無功功率；并網點PCC通過斷路器S與電網相連；ΔP、ΔQ為送入電網的有功功率和無功功率。

當并網系統正常工作時，斷路器S為閉合狀態，PCC處電壓幅值因鉗位作用而為電網電壓幅值Ug，由功率平衡關系可得：

[Pload=P-ΔP=U2gR] （1）

當并網系統處于孤島運行模式時，斷路器S斷開，電網與本地負載失去聯系，ΔP與ΔQ均為0，光伏發電系統單獨向本地負載供能。此時的功率平衡關系為：

[Pload=P=U2PCCR] （2）

式中UPCC為孤島運行模式下PCC處的電壓幅值。

聯立式（1）、式（2）可得：

[UPCCUg=11-ΔPP] （3）

由式（3）可得，在光伏發電并網系統出現孤島后，若逆變器輸出功率與R、L、C負載上的功率不平衡，就會對PCC處電壓產生影響，從而可通過被動法檢測出孤島狀態；而當逆變器輸出功率與本地負載消耗功率相匹配時，PCC處電壓將維持不變，此時孤島可在允許范圍內持續運行，被動法檢測失效，進入檢測盲區。

1.2" 基于MPPT的孤島檢測法原理

在理想情況下，光伏發電系統的輸出功率和逆變器的輸出功率相等，即[PPV=P]，[QPV=Q]。孤島運行模式時由式（2）可得，并網點電壓[UPCC=PPVR]。可以看出，光伏發電系統的輸出功率能夠影響到PCC處的電壓。在孤島運行模式下，通過對輸出進行一定的擾動，就可以使PCC處電壓偏離過/欠壓法的盲區，從而檢測出孤島。

圖2為光伏陣列輸出特性曲線。其中，ISC和UOC為光伏發電系統的短路電流與開路電壓；UMPP、IMPP、PMPP為光伏發電系統最大功率點的電壓、電流和功率。

由圖2可知，當光伏系統的輸出電壓從最大功率點電壓UMPP逐漸減小時，光伏系統的輸出電流ISC會保持在相對穩定的數值，輸出功率PPV與UPV可近似為線性關系，即[PPV=KUPV]（K為比例系數）。因此對MPPT中Boost電路的占空比D注入一定的擾動，來減小光伏電池輸出電壓UPV，從而減小光伏電池的輸出功率和逆變器的輸出功率，在孤島運行模式下能夠改變PCC處電壓，最終使其偏離被動法的檢測盲區，完成孤島檢測。

2" 基于MPPT多級擾動的孤島檢測方法

結合IEEE Std.2000?929與我國規定的電網非正常情況下最大響應時間標準，設置當電網斷開時，除非逆變器是在主動孤島情況下，否則必須在2 s之內檢測出孤島狀態，其PCC點電壓要求0.85UN≤UPCC≤1.1UN，PCC點頻率（單位為Hz）要求49.5≤f≤50.5。其中，UN為大電網電壓的有效值。為防止擾動次數過多造成功率損耗較大和影響電能質量，同時為滿足相關要求，設置每2 s擾動2個工頻周期。

光伏發電系統通常會運行在最大功率點處，MPPT擾動法只會減小PCC點電壓。所以在PCC點電壓滿足上述要求時，當出現UPCC=1.1UN，最不容易檢測。為保證檢測準確性，每次都應該按可能出現的最難檢測場景來檢測，但這會消耗較大功率。為此，本文提出一種基于MPPT多級擾動的方法，在保證檢測效率的情況下減小功率損耗，具體過程如下。

1） 當并網點電壓UPCC和頻率f滿足0.85UNgt;UPCC和1.1UNlt;UPCC以及[f-50]gt;0.5 Hz中任一條件時，就可由過/欠頻和過/欠壓法判定出孤島狀態。

2） 當并網點電壓UPCC處于0.85UN≤UPCC≤1.1UN時，則按并網電壓分為0.85UN≤UPCC≤UN和UN≤UPCC≤1.1UN兩種情況來判斷孤島狀態。

① 在擾動開始前，當檢測到0.85UN≤UPCC≤UN時，則需啟用單級擾動檢測孤島狀態，通過自適應的擾動量，使得孤島狀態下系統PCC點電壓大于0.85UN，每隔2 s就擾動系統2個工頻周期。

Boost擾動前后的占空比D1、D2滿足：

[11-D1·UMPP=UT] （4）

[11-D2·UPV=UT] （5）

式中：UMPP為最大功率點電壓；UT為直流母線電壓；UPV為MPPT擾動后光伏陣列的輸出電壓。

光伏發電系統并網運行時會工作在最大功率點處，在出現孤島后，負載有功功率滿足：

[Pload1=PMPP=U2PCCR] （6）

[PMPP=KUMPP] （7）

擾動之后負載功率Pload2要滿足：

[Pload2=PPVlt;（0.85UN）2R] （8）

[PPV=KUPV] （9）

由式（4）～式（9）可得：

[D2gt;1-0.721-D1·U2NU2PCC] （10）

② 在擾動開始前，檢測到UN≤UPCC≤1.1UN時，則啟用多級擾動模式，通過一定的擾動量，使得孤島狀態下系統PCC點電壓小于UN，而當系統處于正常工作模式時，因鉗位作用PCC點電壓將不會改變。在一級擾動結束后再次檢測PCC點電壓，若此時UPCC≤UN，則啟用二級擾動使PCC點電壓小于0.11UN來判定孤島，2 s內每級擾動各占2個工頻周期。

此時擾動后的占空比D3和負載功率Pload3滿足：

[11-D3·UPV=UT] （11）

[Pload3=PPVlt;U2NR] （12）

由式（11）、式（12）可得：

[D3gt;1-1-D1·U2NU2PCC] （13）

為了確保不漏檢，分別取D2、D3為：

[D2=1-0.711-D1·U2NU2PCC] （14）

[D3=1-0.991-D1·U2NU2PCC] （15）

由上述分析可得，本文所提方法在兩種情況下均可檢測出孤島，不存在檢測盲區。當光伏發電系統的光照度與溫度相對穩定時，兩種情況對輸出功率的影響分別為：

[PPV1=0.98Pm+0.02×0.71U2NU2PCCPm≥0.98Pm+0.02×0.71U2N（1.1UN）2Pm=0.992Pm] （16）

[PPV2=0.98Pm+0.02×0.99U2NU2PCCPm≥0.98Pm+0.02×0.99U2N（1.1UN）2Pm=0.996Pm] （17）

由式（16）、式（17）可得，本文所提孤島檢測方法的損失功率分別為0.8%和0.4%。

孤島檢測方法流程如圖3所示。

3" 算例分析

為驗證所提方法的可靠性和穩定性，使用Simulink對MPPT多級擾動法在三相光伏發電系統上進行仿真測試，系統參數設置如表1所示。

為更具可靠性，本文對R=Rm（Rm為負載功率和逆變器輸出功率相等時的電阻），即UPCC=UN、R=1.21Rm，以及UPCC=1.1UN分別進行測試。

結合IEEE Std.2000?929與我國相關規定，設置負載諧振頻率為50 Hz，品質因數Qf=2.5，R、L、C負載在兩種算例下分別為R=17.1 Ω（20.7 Ω），L=7.6 mH（9.2 mH），C=162.4 μF（134.2 μF），孤島出現的時間均為1.6 s。檢測方法為每2 s擾動2個工頻周期，在三相平衡電網條件下，三相電流電壓變化相同。因此，本文只取a相電壓電流波形圖。

如圖4所示，在正常情況下擾動光伏MPPT的占空比為D時，PCC點電壓由于大電網的鉗制作用未出現變動，逆變器的輸出電流變小，逆變器的輸出功率變小，并且在MPPT擾動結束時可以很快回到正常的狀態。通過對占空比D進行擾動，能夠完成對輸出功率的擾動，與理論分析一致。

孤島運行模式R=Rm，即UPCC=UN情形下的仿真波形如圖5所示。

由圖5a）、圖5b）可以看出，由于負載消耗功率和逆變器輸出功率相同，在1.6 s孤島發生后，PCC點電壓變動幅度較小，沒有超出過/欠壓法的閾值；從圖5c）可以看出，由于負載的諧振頻率為50 Hz，PCC點頻率也只是有微小的變化，因此在大電網斷開后，PCC點電壓和頻率無法通過過/欠壓、過/欠頻法檢測出來，需對其占空比施加擾動才可判斷出孤島。

由圖5a）、圖5b）和圖5d）能夠得到，在1.96 s施加擾動后，UPCC開始減小，最終在1.986 s時系統檢測出孤島，整個檢測過程僅耗時26 ms。

R=1.21Rm，即UPCC=1.1UN時，仿真結果如圖6所示。

由圖6a）、圖6b）可以看出，因負載功率和逆變器輸出功率不匹配，在1.6 s孤島發生后，PCC點電壓幅值增大，UPCC≈1.1UN，但并未超出過/欠壓法閾值；由圖6c）、圖6d）可以看出，在1.92 s時，由于[UPCCUN]gt;1，系統開始啟用2個工頻周期的一級擾動，隨后判斷是否處于疑似孤島狀態，最后再啟用二級擾動。

由圖6a）、圖6b）和圖6d）可以看出，在1.92 s施加MPPT擾動后，UPCC逐漸減小，在1.96 s時因[UPCCUN]lt;1觸發系統的第二級擾動，最終在1.979 s時使[UPCCUN]lt;0.85，從而檢測出孤島狀態，整個檢測過程耗時59 ms。

圖5為孤島運行在一般負載下的仿真算例，圖6為孤島運行在最難檢測負載下的仿真算例。由圖5、圖6可得，本文所提方法在不同負載情況下能夠快速檢測出孤島狀態，檢測過程功率損耗較小。

4" 結" 語

本文提出一種基于MPPT多級擾動的孤島檢測方法，通過檢測光伏系統擾動前PCC點電壓來自適應選擇占空比D的數值，進而影響逆變器的輸出功率。在孤島狀態下改變并網點的電壓，通過檢驗擾動后并網點電壓是否超出過/欠壓法保護閾值，從而檢測出孤島效應。與現有基于MPPT的孤島檢測方法相比，本文所提方法消除了檢測盲區，不會引入額外諧波，自適應多級擾動設計減小了功率損耗，加快了檢測速度，減小了對電網與負載設備的影響。仿真結果表明了所提方法的有效性和準確性。

注：本文通訊作者為武鵬。

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作者簡介：李學舉（1999—），男，山東濟寧人，碩士研究生，研究方向為電力電子與光伏發電并網技術。

武" 鵬（1982—），男，山東棗莊人，博士研究生，副教授，研究方向為新能源并網穩定性分析，并網逆變器設備的研發。

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.20.013

引用格式：李學舉，武鵬，陳俊偉，等.一種基于MPPT多級擾動的孤島檢測方法[J].現代電子技術，2024，47（20）：81?86.

收稿日期：2024?01?02" " " " " "修回日期：2024?02?26

基金項目：國家自然科學基金項目：Markov跳躍系統柔性調度與控制優化設計（62173222）