基于q轴电流扰动的孤岛检测方法

刘 剑，方厚辉，李先锋

(1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082；2.中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南长沙410082)

基于q轴电流扰动的孤岛检测方法

刘 剑1，方厚辉1，李先锋2

(1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082；2.中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南长沙410082)

提出了一种基于q轴电流扰动的孤岛检测方法。该方法通过引入q轴电流扰动，使RLC负载在电网因故障断开时产生频率偏移，从而检测出孤岛。引入的q轴电流扰动结合了无功功率变化和频率变化，当系统在电网下运行时，无功功率变化和频率变化接近于零。因此该方法具有非常小的谐波畸变率，保证了良好的电能质量。基于Matlab/Simulink软件包的仿真结果表明，该方法在设定的参数条件下能在1 s内检测到孤岛现象，且对系统具有非常小的影响。

孤岛检测；电流扰动；频率偏移；无功功率变化

现代化社会中，人们对舒适的建筑热环境的追求越来越高，导致建筑采暖和空调的能耗日益增长。在发达国家，建筑用能已占全国总能耗的30%～40%，对经济发展形成了一定的制约作用。为了减少电网用电，减轻公共电网压力，提出了一种把可再生能源应用到建筑上的技术——BIPV(Building Integrated PV)，即光伏建筑一体化[1]。BIPV技术是将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术，是分布式发电的一种。BIPV将光伏发电与建筑完美地结合在一起，很大程度减轻了电网的压力。然而，BIPV的日益发展，势必带来光伏发电系统并网问题。由于光伏发电系统与电网并联运行，当电网由于故障而断电时，如果不能及时检测到电网故障，就会出现光伏发电系统仍向局部电网供电的情形，形成孤岛[2]。孤岛效应危害检修人员的生命安全和电力系统的安全运行[2]，因此光伏发电系统需要一种快速有效的检测孤岛的方法。

孤岛检测方法可分为两大类：被动检测和主动检测。被动检测中一种基本的方法就是过欠压、过欠频检测法[3]，该方法通过检测接入点电压幅值、频率是否出现异常来判断孤岛是否形成，从而切断光伏发电系统，非常实用。但是当逆变器输出功率与负载功率平衡时，存在检测盲区。因此，近年来主动孤岛检测方法变得越来越重要。

主动检测法中比较有代表性的有输出功率扰动法[4-5]和频率偏移法。输出功率扰动法是通过对逆变器输出功率的控制，使光伏发电系统输出的有功功率发生周期性变化[2]。当孤岛发生时，逆变器输出端电压由于功率扰动出现电压变化，从而反应出孤岛发生与否。但随着光伏发电的发展，局部电网中光伏并网发电系统的数目会越来越多，在这种情况下，孤岛发生时功率扰动对逆变器输出电压的影响会因相互干扰而变弱。频率偏移法通过控制逆变器输出电流的相位、频率的变化，使接入点电压相位、频率跟随发生变化，从而形成正反馈过程，最终接入点电压的频率超出正常的工作阈值而检测出孤岛的存在[6-7]。然而，频率偏移法引入的有源扰动对电能质量会带来负面影响。

针对以上孤岛检测方法的缺点，本文提出了一种q轴电流扰动法，该方法通过引入q轴电流扰动信号，使RLC负载在电网因故障断开时产生频率偏移，从而检测出孤岛。

1 孤岛检测分析

光伏并网系统孤岛检测原理如图1所示。正常情况下，光伏系统和电网同时向负载供电。当电网出现故障断开后，光伏系统独立向负载供电。如果光伏逆变器输出功率和负载功率近似匹配，如，这时很难检测到电网断开故障，从而形成孤岛。

图1 孤岛检测原理

图1 功率流向关系为：

实际应用中光伏逆变器输出的功率与负载功率之间存在一定的偏差，这个偏差可以用负载来表示。在电网断开前，这个误差可以由电网来补偿，但当电网断开后，负载端电压和频率将会改变为和。

由图1可知，电网断开前后负载端频率分别为：

式(11)就是孤岛效应的检测盲区[8]。

2 q轴电流扰动法

图2为q轴电流扰动法控制框图[10]。

图2 q轴电流扰动法控制框图

3 仿真分析

孤岛检测控制框图如图3所示。在Matlab/Simulink环境下建立仿真电路图，对q轴电流扰动法进行仿真研究。

图3 孤岛检测控制框图

电路图的具体参数设置如下：光伏逆变器的额定功率为10 kW，开关频率为10 kHz，并联RLC负载=15.55 Ω，= 19.8 mH，=511.75 μF，负载品质因数为2.5，负载谐振频率为50 Hz，电网额定相电压为220 V，电网额定频率为50 Hz。设定为10 kW，设定为0 Var，仿真结果如图4所示。

图4(a)为RLC负载端有功功率变化和有功功率需求波形图；图4(b)为RLC负载端的频率波形图。电网在0.56 s断开，此时逆变器继续向RLC负载输送有功功率。1.5 s时，轴电流扰动信号使RLC负载端频率脱离检测盲区，触发孤岛保护，逆变器停止向RLC负载输送有功功率。从电网断开到逆变器停止向RLC负载输送有功功率的总时间为0.94 s，满足IEEE1547规定2 s的要求。

图4 q轴电流扰动的仿真结果

4 结语

本文提出了一种基于q轴电流扰动的孤岛检测方法，通过理论分析和仿真研究验证了这种方法的可行性。该方法具有非常小的检测盲区，并且在电网下运行，对系统的扰动非常小，具有比较高的电能质量，而且一旦产生孤岛，q轴电流扰动会使频率迅速脱离检测盲区，直到触发孤岛保护。仿真结果显示检测时间小于2 s，并且对电能质量几乎没有影响，证明了该方法的可行性、快速性和有效性。

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Novel islanding detection method based on q-axis current disturbance

A novel islanding detection method was put forward based on q-axis current disturbance.This method,by introducingq-axis current disturbance,made the RLC load generate frequency offset to detect the island in the case that the power network was disconnected due to certain fault.The introducedq-axis current disturbance was connected with reactive power variation and frequency variation whose values were close to zero when PV system was operated in grid-connected mode.Therefore, the suggested method had the advantage of tiny harmonic distortion and good power quality.The simulation results based on the MATLAB/Simulink software show that the novel islanding detection method could detect the island in 1 second and had little effects on the system under the condition of the set parameters.

island detection;current disturbance;frequency deviation;reactive power variation

TM 307

A

1002-087 X(2016)03-0669-03

2015-08-20

刘剑(1987—)，男，湖南省人，硕士，主要研究方向为建筑供配电。