基于無功電流注入的并聯(lián)孤島檢測方法

朱選才，翁炳文，陳 申，謝王杰

（1.萬幫數(shù)字能源股份有限公司 杭州分公司，浙江 杭州 311202；2.杭州禾邁電力電子股份有限公司，浙江 杭州 310022）

0 引 言

為應(yīng)對全球變暖，各個國家都在努力減少以二氧化碳為主的溫室氣體的排放。中國提出力爭2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”[1]。在“雙碳”目標(biāo)推動下，中國正在努力加快清潔能源開發(fā)利用，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。這些新能源發(fā)電技術(shù)包括：光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等[2-7]。

在新能源發(fā)電系統(tǒng)中，有可能發(fā)生孤島運(yùn)行情況，即當(dāng)電網(wǎng)故障時，發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)給負(fù)載供電，這對操作工人來說非常危險，可能導(dǎo)致觸電事故。對于新能源發(fā)電系統(tǒng)而言，孤島保護(hù)是一項(xiàng)基本功能要求，即發(fā)電系統(tǒng)能夠檢測出孤島運(yùn)行并做出相應(yīng)的保護(hù)動作，比如停止輸出等[8]。

學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都有不少關(guān)于孤島檢測方法的研究，但主要針對單逆變器，對于多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的孤島檢測方法，還有待深入研究。為此，本文提出了一種基于無功電流注入的并聯(lián)孤島檢測方法，以期在該領(lǐng)域做出一些有意義的工作[9-15]。

1 孤島檢測方法

如圖1所示的孤島運(yùn)行。

圖1 孤島運(yùn)行

圖中包含逆變器Inverter，負(fù)載Load和電網(wǎng)Grid。其中電網(wǎng)側(cè)設(shè)置有斷路器Breaker，逆變器側(cè)設(shè)置有繼電器Relay。當(dāng)電網(wǎng)故障時，Breaker跳開，此時可能由于負(fù)載匹配，逆變器繼續(xù)向負(fù)載供電，形成孤島運(yùn)行。因此要求逆變器能夠檢測到孤島，并進(jìn)行相應(yīng)動作，比如跳開Relay。

如圖2所示的并聯(lián)孤島運(yùn)行。與圖1的區(qū)別是，系統(tǒng)中包含逆變器1和逆變器2，并且兩者通過公共耦合點(diǎn)（Public Coupling Point，PCC）點(diǎn)連接在一起。

圖2 并聯(lián)孤島運(yùn)行

針對圖2所示的并聯(lián)系統(tǒng)，對比了常見的孤島檢測方法，并匯總在表1中。最終，選定了無功注入作為孤島檢測的方法。

表1 常見孤島檢測方法

2 并聯(lián)孤島檢測方法

2.1 工作原理

針對多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)，本文提出了如圖3所示的并聯(lián)孤島檢測方法。通過在PCC點(diǎn)處增加一個電流傳感器（Current Transducer，CT），并將該電流信號傳送到Inverter 1中，通過Inverter 1實(shí)現(xiàn)集中式的孤島檢測。如此設(shè)計的目的在于，無論Inverter 2采用何種孤島檢測算法，Inverter 1只控制總電流的變化，并關(guān)注由此造成的頻率波動。

圖3 并聯(lián)孤島檢測方法框圖

2.2 無功電流注入方法

本文所提出的無功電流注入方法分為兩種模式：周期注入模式和增強(qiáng)注入模式。兩種模式的定義如下。

周期注入模式：以一個固定周期注入無功電流，比如0.5 s。該模式下，無功電流的注入幅度較小，比如3%的視在功率。

增強(qiáng)注入模式：在周期注入時，一旦檢測到頻率波動超過設(shè)定閾值，則進(jìn)入增強(qiáng)注入模式。該模式下，會連續(xù)注入幾個控制周期，并且幅度依次增強(qiáng)。將頻率波動盡可能放大，從而提高檢測可靠性。

圖4為該方法的理論工作波形，下面給出具體的解釋。假定t=t1時刻電網(wǎng)斷開。

[t1-t2]：電網(wǎng)斷開，逆變器持續(xù)工作，由于下一個注入周期還未到來，因此該時間段為孤島運(yùn)行。

[t2-t3]：第一個增強(qiáng)注入周期，該時間段內(nèi)，常規(guī)的無功電流注入引起的頻率波動超過設(shè)定閾值，因此觸發(fā)增強(qiáng)注入，連續(xù)幾個控制周期逐步增加無功注入電流，相應(yīng)的頻率往一個方向偏移。圖4中展示了連續(xù)的4個控制周期，實(shí)際操作時，可根據(jù)檢測需要合理設(shè)置控制周期數(shù)。

圖4 無功電流注入方法

[t3-t4]：第一個恢復(fù)期。該恢復(fù)期內(nèi)，停止無功電流注入，并監(jiān)控此時的頻率波動。預(yù)期的效果是此時的頻率應(yīng)該恢復(fù)到額定輸出值附近。

[t4-t5]：第二個增強(qiáng)注入周期，控制過程同第一個增強(qiáng)注入周期。

[t5-t6]：第二個恢復(fù)期。

[t6-t7]：第三個增強(qiáng)注入周期，控制過程同第一個增強(qiáng)注入周期。通過連續(xù)三次的增強(qiáng)注入，判定孤島發(fā)生，并在t=t7時刻，置位孤島標(biāo)志位Flag。

2.3 算法流程圖

為了進(jìn)一步說明本方法的具體操作方法，給出了如圖5所示的算法流程圖。

圖5 算法流程圖

步驟1：周期注入模式。該模式下，逆變器以一個固定周期注入無功電流，比如0.5 s。

步驟2：判斷是否需要進(jìn)入增強(qiáng)模式。判定的依據(jù)是頻率的波動是否超過設(shè)定閾值。如果超過，則判定為需要進(jìn)入，否則不進(jìn)入并更新結(jié)果為未檢測到孤島。

步驟3：增強(qiáng)注入模式。該模式下，逆變器會在連續(xù)的幾個控制周期內(nèi)以不斷增強(qiáng)的幅度進(jìn)行無功電流注入，通過增強(qiáng)注入，頻率的波動會被進(jìn)一步放大，從而確保可靠檢測。

步驟4：判斷是否完成一次增強(qiáng)注入。如果是，則進(jìn)入下一步驟，否則回到步驟3。

步驟5：判斷頻率波動是否符合預(yù)期。即在恢復(fù)期內(nèi)進(jìn)行頻率的判斷，如果頻率波動符合理論結(jié)果，則判定為符合。否則，更新結(jié)果為未檢測到孤島。

步驟6：增強(qiáng)注入次數(shù)增加1。

步驟7：判斷增強(qiáng)注入次數(shù)是否達(dá)到3次。如果達(dá)到3次，則更新結(jié)果為檢測到孤島，否則回到步驟3繼續(xù)進(jìn)行檢測。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出方法的有效性，本文搭建了一個60 kW的三相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)，即圖3中的Inverter 1與Inverter 2均為60 kW的三相逆變器。

3.1 單機(jī)工作波形

逆變器1單獨(dú)工作時，其仿真波形如圖6所示。圖中波形從上到下分別為無功電流注入信號、頻率采樣值、鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）輸出頻率以及孤島標(biāo)志位。

圖6 單機(jī)仿真波形

從圖6中可以看到，增強(qiáng)注入的控制周期數(shù)為7，相應(yīng)的最大無功功率注入量為25%的視在功率。3個增強(qiáng)注入周期后，孤島檢測結(jié)束，孤島標(biāo)志位置位，這與圖4所示的理論工作波形吻合。

3.2 雙機(jī)工作波形

圖7為兩臺逆變器一起滿載工作時（100%的有功功率輸出）的孤島檢測波形。圖7中波形從左上到右下分別為逆變器的工作電流、無功電流注入信號、PLL輸出頻率以及孤島標(biāo)志位。

圖7 雙機(jī)仿真波形

從圖7中可以看到，增強(qiáng)注入的控制周期數(shù)為7，相應(yīng)的最大無功功率注入量為50%的視在功率（由于此時的總有功功率被放大了一倍，相應(yīng)的最大無功注入量也放大一倍）。3個增強(qiáng)注入周期后，孤島檢測結(jié)束，孤島標(biāo)志位置位。這與圖4所示的理論工作波形吻合。

進(jìn)一步地，我們對比了不同功率分配下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并匯總在表2中。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，不同的功率分配下，所提出的方法均能有效地檢測出孤島。由此可以驗(yàn)證，本文所提出的方法是有效的。

表2 仿真結(jié)果匯總表

4 結(jié) 論

針對多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的孤島檢測，本文提出了一種基于無功電流注入的并聯(lián)孤島檢測方法。通過在公共耦合點(diǎn)處增加一個CT，從而獲得總電流數(shù)據(jù)。主逆變器再通過控制總的無功電流注入實(shí)現(xiàn)集中式的孤島檢測。相比于傳統(tǒng)的“相同檢測算法+同步注入”的檢測方法，本文所提出的方法簡化了并聯(lián)系統(tǒng)對逆變器的要求，只需要在主逆變器中采用所提出的方法，其余逆變器可以不設(shè)計孤島檢測或保留已有的檢測方法，即可實(shí)現(xiàn)集中式的孤島檢測，相信在V2G等應(yīng)用場景有極大的推廣價值。