触发式最小电流扰动的孤岛检测方法研究

邢 玥， 王瑞峰， 夏 伟

(1.兰州交通大学 自动化与电气工程学院 甘肃 兰州 730070； 2.国网宣城供电公司 安徽 宣城 242000)



触发式最小电流扰动的孤岛检测方法研究

邢 玥1， 王瑞峰1， 夏 伟2

(1.兰州交通大学 自动化与电气工程学院 甘肃 兰州 730070； 2.国网宣城供电公司 安徽 宣城 242000)

针对目前采取主动电流扰动法，使并网逆变器输出功率带来一定时间变化的问题，提出一种触发式最小电流扰动方式.以电网侧低压断路器分闸时产生的电弧信号作为触发条件，启动最小电流扰动量的加入，从而快速检测孤岛现象.根据IEEE Std.929-2000技术标准对该方法进行仿真和实验研究，验证方法的有效性.研究结果表明，该方法不仅没有盲区，且大大减少了加入扰动的时间，改变逆变器一直处于过载或欠载的运行状态，提高了逆变器使用寿命.

并网逆变器； 孤岛检测； 触发信号； 最小电流扰动

0 引言

地球资源的日益匮乏，环境污染的日益严重，绿色环保的可再生能源成为目前人们最关心的问题.由于分布式发电技术日益成熟，越来越多的新型能源通过电力电子转换装置，将能量传输到电网上，具有代表意义的是光伏并网系统.按照国际IEEE Std.929-2000标准[1]，并网发电系统正常运行时，处于孤岛状况会对电力器件造成破坏，达到一定程度可能威胁查验职员的生命危险.因此，探究孤岛检测方法，具有实际效果.

孤岛检测方式包括被动检测和主动检测两种[2].被动检测具有简易实现、不会对电网引入谐波的特点.当逆变器输出功率与本地负载功率靠近或均衡时，此方式有较大盲区.此时可以采取主动检测方式(即添加不同扰动量)来冲破孤岛状态下并网系统和负载的均衡关系，以检查出孤岛.目前主动检测有主动频率偏移法[3]、谐波畸变率正反馈法[4]、主动移相法[5]、主动电流扰动法[6]、自适应最小电流扰动法[7]等.前3种方式都向电网引入奇/偶次波，影响电网能量的质量.后2种方式虽然不会向电网引入谐波，但会周期性的改变并网逆变器的输出功率，使逆变器工作处于过载或欠载状态，从而大大减少逆变器的使用寿命.本文结合被动检测和自适应最小电流扰动法，提出触发式最小电流扰动法.此方法不存在检测盲区，且可排除因大负载的突然接入或断开产生的伪孤岛现象.

1 触发式最小电流扰动法的原理分析

并网供电系统见图1.当低压断路器S1和S导通，逆变器输出功率:P+jQ,负载得到功率：Pload+jQload，电网供给的功率:ΔP+jΔQ.功率关系如式(1)～(2)所示：

(1)

(2)

若ΔP≠0，ΔQ≠0，当电网切断(即S1导通,S切断)，公共耦合点(PCC)的电压幅值或相位角会变动，通过被动检测法检测出孤岛；若ΔP=0，ΔQ=0，电网切断(即S1导通,S切断)后PCC点的电压幅值和相位角不发生变化，此时被动检测法不能检查出电网切断.因此采取触发式最小电流扰动方式进行孤岛检查.

当低压断路器分闸时产生电弧，会引起电路中电压和电流发生变化.电弧电流的曲线为正弦形状.电弧电压曲线在零区存在特殊的规律：过零区时刻，电流最大且电弧电压变化率大.可以利用此特点提取电弧电压，其提取过程如图2所示.

图1 并网系统图Fig.1 Schematic diagram of photovoltaic grid-connected system

图2 电弧电压检测Fig.2 Arc voltage detection

通过电压互感器对含有电弧信息的线路进行电压检测，再把经调理电路Ⅰ处理的电压信号传输给脉冲转换器.在转换器中，将电压的突降信号转成脉冲信号.调理电路Ⅱ主要由单稳态触发器、积分器构成.将该脉冲信号经单稳态触发器变为频率随脉冲信号变化且幅值恒定、宽度不变的脉冲，再经积分器进行积分变换.当调理后的信号幅值大于比较器的设定值时，输出电弧电压.

利用电网低压断路器断开时产生高压电弧的特点，将其作为触发式最小电流扰动法的触发条件.根据文献[8]可知，采用磁流体动力学电弧模型(除了个别细节特征外，结构“形状”尺寸与实际的小型断路器都保持一致)对小型断路器分闸时电弧过程进行仿真计算和实验对比.试验得到的电弧电压Uh幅值范围，0 V

图3 电弧电压曲线图Fig.3 Diagram of arc voltage

1) 当Ugm≤Umi<1.1 Ugm(Ugm为电网电压幅值)时，注入的最小扰动电流为

触发过压保护，检查出孤岛.

2) 当0.88 Ugm

开启欠压保护，检查出孤岛.

图4 无光伏并网时断路器切断时的电压变化图 Fig.4 Voltage change of the circuit breaker when no photovoltaic grid connected

图5 光伏并网时断路器切断时的电压变化Fig.5 Voltage change of circuit breaker in grid connected photovoltaic power grid

孤岛检测的流程图(见图6)：

图6 孤岛检测程序流程图Fig.6 Flow chart of the island detection procedure

2 仿真分析

2.1 仿真模型

采取Simulink仿真软件构建3 kW的单相光伏并网供电系统，该系统包括主电路、并网控制和孤岛检测3部分.通过并网控制，达到逆变器输出电流与电网电压同频同相的效果，结果如图7(a)所示.由图7(b)得到逆变器输出的电流为19.24 A.

图7 逆变电流与电网电压同相Fig.7 Inverter current and grid voltage in-phase

2.2 仿真结果

Pload大于P(即负载得到能量，是由逆变器和电网一起供给的)，检测出孤岛电压波形，如图8所示.达到条件(Umi<0.88Ugm)，检测出孤岛，快速切断逆变器工作.Pload小于P(即逆变器向电网传输能量)时，孤岛检测的电压曲线，如图9所示.可以看出，在切断并网开关，PCC点的电压幅值变大，达到过压保护条件(Umi>1.1Ugm)，检测出孤岛，控制逆变器停运.

图8 负载功率大于逆变器功率的波形Fig.8 Waveform of load power is greater than the power of inverter

图9 负载功率小于逆变器功率的波形Fig.9 Waveform of the load power is less than the power of the inverter

Pload等于P，并网开关断开，PCC点的电压幅值不发生变化，没有达到过/欠电压保护的阈值范围，因此采用过/欠电压检测法，检测不出孤岛现象.图10是通过采用触发式最小电流扰动法，进行孤岛检测的电压波形.从图10(b)可以看出，在t=0.25 s并网开关断开，在0.03 s后检测到开关断开瞬间的脉冲信号(即K=1)，此时PCC点电压幅值Umi>Ugm，加入一个周期的ΔId1的最小电流扰动，在0.02 s后，使PCC点达到过压保护的范围，停止逆变器输出.从图10(c)可以看出，在t=0.25 s并网开关断开，在0.03 s后检测到开关断开瞬间的脉冲信号(即K=1)，此时PCC点幅值Umi≤Ugm，加入一个周期ΔId2的最小电流扰动，在0.02 s后，使PCC点达到欠压保护的范围，停止逆变器输出.通过验证符合IEEE Std.929-2000技术要求(逆变器在孤岛发生后2 s内截止向电网输电).

当电网在t=0.25 s内检测到瞬间脉冲信号(K=1)，且PCC点的电压幅值为0.88Ugm

图10 Pload等于P的波形Fig.10 Wave form when Pload equal to P

图11 伪孤岛检测的电压波形Fig.11 Voltage waveform of pseudo island detection

将本文所提的算法和文献[6-7]介绍的方法进行对比，如表1.由表1可知，该方法加入电流扰动量和扰动时间最小，减少逆变器输出功率波动.

表1 3种算法的对比
Tab.1 The comparison of the three algorithms

文献[6]文献[7]本文加入电流扰动量参考电流的一半最小电流最小电流加入扰动方式每0．4s进行一次电流干扰ΔId=0和ΔId=0．1Id周期更替检测到电网中的脉冲信号，加入扰动加入扰动时间/s0．3～20．3～20．02～0．1逆变器输出功率波动/%504020

2.3 实验分析验证

搭建孤岛检测硬件系统图，如图12所示.通过采样电路得到并网开关断开时电弧信号、电网电压和电流信号，经DSP处理和计算，判断出电网中是否有波动信号.再根据采集的逆变器电压、电流信号，计算最小电流扰动量.当检测到电网中的波动信号，添加最小电流扰动量，检测孤岛.实现逆变器并网的波形，如图13所示，并电网时PCC点电压为电网电压，伴随电流的加入，电压幅值大小不变.在过零点时，加入两个周期最小电流扰动，造成逆变器输出功率的大小变化，但不像主动频率偏移等方法向电网引入谐次波.

当并网开关切断，且负载损耗功率等于逆变器输出功率时，公共耦合点的电压幅值大小不变化.但是通过检测到并网开关断开的脉冲信号，触发加入最小电流扰动ΔId2，达到欠电压保护的阈值范围，0.02 s后检测出孤岛，如图14(a、b)所示.通过检测到并网开关断开的脉冲信号，触发加入最小电流扰动ΔId1，达到过电压保护的阈值范围，0.02 s后检测出孤岛，如图14(c、d)所示.

图12 硬件结构框图Fig.12 Diagram of hardware structure

图13 逆变器实现并网的波形Fig.13 Waveform of grid connected inverter

图14 负载损耗功率等于逆变器输出的波形Fig.14 Experimental waveforms when load power is equal to the output power of the inverter

3 结束语

本文提出了一种触发式最小电流扰动的检测孤岛方法，利用电网侧低压断路器分闸时产生的电弧信号作为触发检测的触发条件，通过加入最小电流来冲破系统与负载之间的均衡，使PCC点的电压幅值到达过/欠电压的条件，检测出孤岛.本文方法能够克服逆变器输出功率与负载功率相均衡时，过/欠电压检测方式检测失效问题；在检测过程中不对电网引入谐波，不会减小输出功率因数等优点.相对于传统的被动检测方案，本文提出的孤岛检测方案精度更高，且不存在检测盲区，对电网的影响小，为孤岛检测技术提供了一种新的思路和方法.

[1] IEEE standard 929-2000.IEEE recommended practice for utility interface of photovoltaic(PV)systems[S].New York: The institute of electrical and electronics engineers, 2000.

[2] 梁建钢,金新民,吴学智,等. 基于非特征谐波正反馈的微电网变流器孤岛检测方法[J]. 电力系统自动化,2014,38(10):24-29.

[3] 刘芙蓉，康勇，段善旭，等.主动移频式孤岛检测方法的参数优化[J]. 中国电机工程学报,2008,28(1):95-99.

[4] 刘芙蓉，康勇，王辉,等.主动移相式孤岛检测的一种改进的算法[J]. 电工技术学报,2010,25(3):172-176.

[5] 马静,米超,王增平.基于谐波畸变率正反馈的孤岛检测新方法[J]. 电力系统自动化,2012,36(1):47-50.

[6] 张纯江,郭忠南,孟慧英,等.主动电流扰动法在并网发电系统孤岛检测中的应用[J]. 电工技术学报,2007,22(7):176-180.

[7] 丁浩，魏艳君，漆汉宏,等.基于自适应有功电流扰动的孤岛检测[J]. 电工技术学报,2014,29(8):294-299.

[8] 陈喆歆，吴翊，杨飞,等.低压断路器电弧仿真研究[J]. 电器与能效管理技术,2014(10):10-17.

(责任编辑：王浩毅)

Island Detection of Triggered Minimum Current Disturbance

XING Yue1， WANG Ruifeng1， XIA Wei2

(1.CollegeofAutomationandElectricalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China; 2.StateNetworkClaimsPowerSupplyCompany,Xuancheng242000,China)

According to the periodic change of the output power of the grid connected inverter, a method of minimum current disturbance detection was proposed. When the low-voltage circuit breaker was separated from the power grid, the arc signal generated was used as the trigger condition, and the minimum current disturbance was activated to detect the phenomenon of the isolated island. According to the Std.929-2000 IEEE technology, this method was simulated and studied, and the validity of the method was verified. The research results showed that this method not only had no blind area, but also greatly reduced the time of adding disturbance, which changed the running state of the inverter in overload or under load, and improved the service life of the inverter.

grid-connected inverter; islanding detection; trigger signal; minimum current disturbance

2016-09-23

甘肃省自然科学基金资助项目(1310RJZA046).

邢玥(1990—)，女，河北衡水人，硕士研究生，主要从事电力电子装置及其数字控制研究,E-mail:970514443@qq.com;通讯作者：王瑞峰(1966—)，女,内蒙古赤峰人，教授，主要从事自动控制、现代检测与诊断及仪器仪表的研究，E-mail:18630184573@163.com.

邢玥，王瑞峰，夏伟.触发式最小电流扰动的孤岛检测方法研究[J].郑州大学学报(理学版)，2016，48(4)：116-122.

TM464

A

1671-6841(2016)04-0116-07

10.13705/j.issn.1671-6841.2016693