一种基于MPPT多级扰动的孤岛检测方法

摘" 要： 为确保光伏发电并网系统稳定运行，针对传统的主动式孤岛检测方法对电能质量影响较大、功率损耗较多等问题，提出一种基于MPPT多级扰动的方法来检测并网光伏系统的孤岛状态。该方法通过周期性多级扰动Boost电路的占空比来减小逆变器的有功输出功率，从而在孤岛状态下使并网点电压低于设定的最小阈值，而在并网状态下对其影响可忽略不计。根据并网点电压大小选择占空比的扰动方式，并根据其值实时计算具体扰动量，可有效降低对电网和用电设备的影响，减小功率损耗。在进行参数设计时，要充分考虑恶劣工况下的检测质量，以消除检测盲区。最后，在不同情况下对所提方法进行仿真测试。结果表明，该方法在减小功率损失、提高孤岛检测效率等方面具有显著优势。

关键词： 孤岛检测； MPPT多级扰动； 光伏并网系统； 光伏发电； 微网； 功率损耗

中图分类号： TN98⁃34； TM615" " " " " " " " " " 文献标识码： A" " " " " nbsp; " " " " " 文章编号： 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

传统能源发电会对环境产生较大的影响，而清洁、高效的光伏发电能够减轻对环境的影响[1⁃2]。随着光伏发电在新能源中所占比例越来越高，大规模光伏并网可能会影响电网的稳定运行，其中非计划孤岛效应会对电力系统、用电设备以及相关人员造成严重的危害[3]。

孤岛检测分为非本地检测法和本地检测法。非本地检测法主要是对监测信号状态变化进行判断，此方法检测精度高、无检测盲区，但成本较高、控制复杂、不易实现[4]。本地检测法又可细分为被动法与主动法。其中被动法包括过/欠频率法、过/欠电压法、谐波监测法、电压相位跳变法等[5⁃7]。这类方法原理简单，不用注入扰动信号，但当逆变器输出功率和本地负载匹配较高时会有较大的检测盲区[8]。主动法通过注入一个微小的扰动以及打破系统的原有状态来判断孤岛的发生，主要包括阻抗辨识检测法[9]、群智能法[10]、谐波电压特性法[11]等。主动法可以有效地减小检测盲区，但会对电能质量产生影响。文献[12]中提出一种小相位算法的检测方法，采用时频分析方法来估计电压和电流信号分量，从而计算负序列阻抗，并通过研究公共点处负序列阻抗的幅度来检测孤岛状态。这种方法检测速度快、抗干扰能力强，但存在着检测盲区。文献[13]中充分考虑了孤岛检测时RLC负载的动态行为，提高了对复杂工况的检测能力，但其算法设计较为复杂，对电能质量影响较大。文献[14]中提出了一种基于最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking， MPPT）的有功功率扰动法。这种方法可以降低太阳能电池输出功率，从而减小逆变器的输出功率。与主动频移等方法相比，该方法不会引入谐波，对电能质量影响较小，但其参数设计不合理，存在检测盲区，功率损耗较大。

针对以上问题，本文提出一种基于MPPT多级扰动的孤岛检测方法。首先检测未扰动时公共点的电压来自适应选择合适的扰动量；再通过判断扰动后的电压幅值来决定是否启用二级扰动，使其偏离正常范围；最后通过仿真算例验证，证明所提方法可快速有效地检测出系统孤岛运行状态，功率损失较小，不存在检测盲区。

1" 基于MPPT的孤岛检测方法分析

1.1" 孤岛检测原理

光伏并网系统主要有单级式和双级式两种。单级式需要直接通过直流到交流的变换来实现功率跟踪和逆变功能，因此其系统构造比较复杂[15]。而双级式则先通过Boost电路将直流电能进行变换[16]，并且通过MPPT输出功率，最后再通过DC/AC逆变器使得直流电能转化成交流电能输出到本地负载和电网上。双级式光伏并网系统可以分开单独控制，提高了光能的利用效率，而且也不需要串联电池板来提升电压。在当前光伏并网系统结构中，双级式结构也得到了更多的应用。

图1所示为常见的双级式光伏并网系统。图中，PPV与QPV为光伏发电输出的有功功率和无功功率；P、Q为逆变器输出的有功和无功功率；并联R、L、C为本地负载；Pload、Qload为负载的有功和无功功率；并网点PCC通过断路器S与电网相连；ΔP、ΔQ为送入电网的有功功率和无功功率。

当并网系统正常工作时，断路器S为闭合状态，PCC处电压幅值因钳位作用而为电网电压幅值Ug，由功率平衡关系可得：

[Pload=P-ΔP=U2gR] （1）

当并网系统处于孤岛运行模式时，断路器S断开，电网与本地负载失去联系，ΔP与ΔQ均为0，光伏发电系统单独向本地负载供能。此时的功率平衡关系为：

[Pload=P=U2PCCR] （2）

式中UPCC为孤岛运行模式下PCC处的电压幅值。

联立式（1）、式（2）可得：

[UPCCUg=11-ΔPP] （3）

由式（3）可得，在光伏发电并网系统出现孤岛后，若逆变器输出功率与R、L、C负载上的功率不平衡，就会对PCC处电压产生影响，从而可通过被动法检测出孤岛状态；而当逆变器输出功率与本地负载消耗功率相匹配时，PCC处电压将维持不变，此时孤岛可在允许范围内持续运行，被动法检测失效，进入检测盲区。

1.2" 基于MPPT的孤岛检测法原理

在理想情况下，光伏发电系统的输出功率和逆变器的输出功率相等，即[PPV=P]，[QPV=Q]。孤岛运行模式时由式（2）可得，并网点电压[UPCC=PPVR]。可以看出，光伏发电系统的输出功率能够影响到PCC处的电压。在孤岛运行模式下，通过对输出进行一定的扰动，就可以使PCC处电压偏离过/欠压法的盲区，从而检测出孤岛。

图2为光伏阵列输出特性曲线。其中，ISC和UOC为光伏发电系统的短路电流与开路电压；UMPP、IMPP、PMPP为光伏发电系统最大功率点的电压、电流和功率。

由图2可知，当光伏系统的输出电压从最大功率点电压UMPP逐渐减小时，光伏系统的输出电流ISC会保持在相对稳定的数值，输出功率PPV与UPV可近似为线性关系，即[PPV=KUPV]（K为比例系数）。因此对MPPT中Boost电路的占空比D注入一定的扰动，来减小光伏电池输出电压UPV，从而减小光伏电池的输出功率和逆变器的输出功率，在孤岛运行模式下能够改变PCC处电压，最终使其偏离被动法的检测盲区，完成孤岛检测。

2" 基于MPPT多级扰动的孤岛检测方法

结合IEEE Std.2000⁃929与我国规定的电网非正常情况下最大响应时间标准，设置当电网断开时，除非逆变器是在主动孤岛情况下，否则必须在2 s之内检测出孤岛状态，其PCC点电压要求0.85UN≤UPCC≤1.1UN，PCC点频率（单位为Hz）要求49.5≤f≤50.5。其中，UN为大电网电压的有效值。为防止扰动次数过多造成功率损耗较大和影响电能质量，同时为满足相关要求，设置每2 s扰动2个工频周期。

光伏发电系统通常会运行在最大功率点处，MPPT扰动法只会减小PCC点电压。所以在PCC点电压满足上述要求时，当出现UPCC=1.1UN，最不容易检测。为保证检测准确性，每次都应该按可能出现的最难检测场景来检测，但这会消耗较大功率。为此，本文提出一种基于MPPT多级扰动的方法，在保证检测效率的情况下减小功率损耗，具体过程如下。

1） 当并网点电压UPCC和频率f满足0.85UNgt;UPCC和1.1UNlt;UPCC以及[f-50]gt;0.5 Hz中任一条件时，就可由过/欠频和过/欠压法判定出孤岛状态。

2） 当并网点电压UPCC处于0.85UN≤UPCC≤1.1UN时，则按并网电压分为0.85UN≤UPCC≤UN和UN≤UPCC≤1.1UN两种情况来判断孤岛状态。

① 在扰动开始前，当检测到0.85UN≤UPCC≤UN时，则需启用单级扰动检测孤岛状态，通过自适应的扰动量，使得孤岛状态下系统PCC点电压大于0.85UN，每隔2 s就扰动系统2个工频周期。

Boost扰动前后的占空比D1、D2满足：

[11-D1·UMPP=UT] （4）

[11-D2·UPV=UT] （5）

式中：UMPP为最大功率点电压；UT为直流母线电压；UPV为MPPT扰动后光伏阵列的输出电压。

光伏发电系统并网运行时会工作在最大功率点处，在出现孤岛后，负载有功功率满足：

[Pload1=PMPP=U2PCCR] （6）

[PMPP=KUMPP] （7）

扰动之后负载功率Pload2要满足：

[Pload2=PPVlt;（0.85UN）2R] （8）

[PPV=KUPV] （9）

由式（4）～式（9）可得：

[D2gt;1-0.721-D1·U2NU2PCC] （10）

② 在扰动开始前，检测到UN≤UPCC≤1.1UN时，则启用多级扰动模式，通过一定的扰动量，使得孤岛状态下系统PCC点电压小于UN，而当系统处于正常工作模式时，因钳位作用PCC点电压将不会改变。在一级扰动结束后再次检测PCC点电压，若此时UPCC≤UN，则启用二级扰动使PCC点电压小于0.11UN来判定孤岛，2 s内每级扰动各占2个工频周期。

此时扰动后的占空比D3和负载功率Pload3满足：

[11-D3·UPV=UT] （11）

[Pload3=PPVlt;U2NR] （12）

由式（11）、式（12）可得：

[D3gt;1-1-D1·U2NU2PCC] （13）

为了确保不漏检，分别取D2、D3为：

[D2=1-0.711-D1·U2NU2PCC] （14）

[D3=1-0.991-D1·U2NU2PCC] （15）

由上述分析可得，本文所提方法在两种情况下均可检测出孤岛，不存在检测盲区。当光伏发电系统的光照度与温度相对稳定时，两种情况对输出功率的影响分别为：

[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，本文所提孤岛检测方法的损失功率分别为0.8%和0.4%。

孤岛检测方法流程如图3所示。

3" 算例分析

为验证所提方法的可靠性和稳定性，使用Simulink对MPPT多级扰动法在三相光伏发电系统上进行仿真测试，系统参数设置如表1所示。

为更具可靠性，本文对R=Rm（Rm为负载功率和逆变器输出功率相等时的电阻），即UPCC=UN、R=1.21Rm，以及UPCC=1.1UN分别进行测试。

结合IEEE Std.2000⁃929与我国相关规定，设置负载谐振频率为50 Hz，品质因数Qf=2.5，R、L、C负载在两种算例下分别为R=17.1 Ω（20.7 Ω），L=7.6 mH（9.2 mH），C=162.4 μF（134.2 μF），孤岛出现的时间均为1.6 s。检测方法为每2 s扰动2个工频周期，在三相平衡电网条件下，三相电流电压变化相同。因此，本文只取a相电压电流波形图。

如图4所示，在正常情况下扰动光伏MPPT的占空比为D时，PCC点电压由于大电网的钳制作用未出现变动，逆变器的输出电流变小，逆变器的输出功率变小，并且在MPPT扰动结束时可以很快回到正常的状态。通过对占空比D进行扰动，能够完成对输出功率的扰动，与理论分析一致。

孤岛运行模式R=Rm，即UPCC=UN情形下的仿真波形如图5所示。

由图5a）、图5b）可以看出，由于负载消耗功率和逆变器输出功率相同，在1.6 s孤岛发生后，PCC点电压变动幅度较小，没有超出过/欠压法的阈值；从图5c）可以看出，由于负载的谐振频率为50 Hz，PCC点频率也只是有微小的变化，因此在大电网断开后，PCC点电压和频率无法通过过/欠压、过/欠频法检测出来，需对其占空比施加扰动才可判断出孤岛。

由图5a）、图5b）和图5d）能够得到，在1.96 s施加扰动后，UPCC开始减小，最终在1.986 s时系统检测出孤岛，整个检测过程仅耗时26 ms。

R=1.21Rm，即UPCC=1.1UN时，仿真结果如图6所示。

由图6a）、图6b）可以看出，因负载功率和逆变器输出功率不匹配，在1.6 s孤岛发生后，PCC点电压幅值增大，UPCC≈1.1UN，但并未超出过/欠压法阈值；由图6c）、图6d）可以看出，在1.92 s时，由于[UPCCUN]gt;1，系统开始启用2个工频周期的一级扰动，随后判断是否处于疑似孤岛状态，最后再启用二级扰动。

由图6a）、图6b）和图6d）可以看出，在1.92 s施加MPPT扰动后，UPCC逐渐减小，在1.96 s时因[UPCCUN]lt;1触发系统的第二级扰动，最终在1.979 s时使[UPCCUN]lt;0.85，从而检测出孤岛状态，整个检测过程耗时59 ms。

图5为孤岛运行在一般负载下的仿真算例，图6为孤岛运行在最难检测负载下的仿真算例。由图5、图6可得，本文所提方法在不同负载情况下能够快速检测出孤岛状态，检测过程功率损耗较小。

4" 结" 语

本文提出一种基于MPPT多级扰动的孤岛检测方法，通过检测光伏系统扰动前PCC点电压来自适应选择占空比D的数值，进而影响逆变器的输出功率。在孤岛状态下改变并网点的电压，通过检验扰动后并网点电压是否超出过/欠压法保护阈值，从而检测出孤岛效应。与现有基于MPPT的孤岛检测方法相比，本文所提方法消除了检测盲区，不会引入额外谐波，自适应多级扰动设计减小了功率损耗，加快了检测速度，减小了对电网与负载设备的影响。仿真结果表明了所提方法的有效性和准确性。

注：本文通讯作者为武鹏。

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作者简介：李学举（1999—），男，山东济宁人，硕士研究生，研究方向为电力电子与光伏发电并网技术。

武" 鹏（1982—），男，山东枣庄人，博士研究生，副教授，研究方向为新能源并网稳定性分析，并网逆变器设备的研发。

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

引用格式：李学举，武鹏，陈俊伟，等.一种基于MPPT多级扰动的孤岛检测方法[J].现代电子技术，2024，47（20）：81⁃86.

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

基金项目：国家自然科学基金项目：Markov跳跃系统柔性调度与控制优化设计（62173222）