[科普中国]-周期电流扰动孤岛检测

背景

孤岛效应指当电网断电时，由光伏发电、风力发电、燃料电池发电等组成的分布式电源并网发电子系统继续工作，并与周围的负载形成一个自给供电的孤岛系统。孤岛效应的发生对人员和用电设备会带来潜在的危险。近年来，随着越来越多的分布式电源并网发电系统的应用，发生孤岛效应的概率也就越来越高，因此，如何避免发生孤岛问题显得尤为重要。

通常，孤岛检测方法分为2 类:被动检测法和主动扰动法。当负载所需功率与分布式电源提供功率平衡时，即使发生孤岛效应，由于公共耦合点电压的幅值和频率一直处于非检测区，所以单纯依靠被动检测法无法识别，必须引入主动扰动的检测方法。主动扰动法中，主动频率偏移法因其独特的优点得到越来越广泛的关注和应用。然而，经典的主动频率偏移法，存在不可测量的非检测区问题。

根据经典的主动频率偏移法存在电流频率向上偏移或向下偏移的情况 ，提出一种新的扰动电流方法，通过电压频率是否周期性高低交替变化来判断孤岛效应，可以有效地解决非检测区问题。1

周期交替电流扰动法工作原理基于周期交替电流扰动的孤岛检测方法如图所示。对前一个电压周期，正负半周扰动电流对称，且电流频率比电压频率略快。为了保持电流与电压同步，在电流正负半周末尾注入零电流tz区间。当发生孤岛效应时，这样做可以促使电压频率向上偏移。对于相邻的后一个电压周期，正负半周扰动电流同样是对称的，不过，扰动电流频率比电压频率略慢。为了保持电流与电压同步，在电压正负半周末尾斩掉电流tz区间。当发生孤岛效应时，可以促使电压频率向下偏移。由此可见，逆变器输出电流在与公共耦合点电压同步基础上，总是周期交替地进行扰动。

分布式电源逆变输出的公共耦合点电压u如下公式（1）所示。前一个电压周期和相邻的后一个电压周期的扰动电流i 分别由式(2) 、式(3) 表示。

式中:

tz——是扰动时间常数；

Tu——是电压周期；

Ti ，T j——分别是相邻的扰动电流周期，为了方便描述，把相邻的前后2 个周期称为Ti 周期和Tj 周期；

正常供电时，由于电网容量很大，因此耦合点电压不受畸变电流影响，相邻周期电压频率相同。即使上述电压频率有微小差别，也是随机发生的。电网断电后，若本地负载固有频率小于电网频率，则耦合点电压频率向减小方向变化；相反，则耦合点电压频率向增大方向变化。经过一定过渡过程之后，由于周期交替电流扰动的作用，势必引起相邻周期电压频率呈高低交替变化趋势，因此通过检测耦合点电压频率高低交替变化来判断，而不是单纯依靠检测是否超出电压频率允许范围判断孤岛现象是否发生。1

tz的选择电流斩波率用Cf表示，则Cf = 2tz/ Tu ，分别对式(2) 和式(3) 表示的逆变器输出参考电流进行傅里叶级数展开，由于相邻周期的电流都是奇函数，因此可得:

式中: k = 1 ，3 ，5 ⋯。

总谐波畸变率GTHD为:

当Cf = 0.01 时， Ti 和Tj 周期的畸变率分别约为0.99 %和1.02 %；

当Cf = 0.03 时，畸变率分别为2.88 %和3.11 %。

当参数tz 较大时，容易分辨相邻周期频率差，但是此时注入电网谐波含量较高； 反之，系统可能误动作。1

结论针对被动检测法与主动频率偏移法的非检测区问题，以公共耦合点电压为同步基准，提出了一种新型的周期电流交替扰动的孤岛检测方法。

该方法的特点是:当电压频率处于非检测区内时，通过相邻周期电压频率差是否交替正负变化来判断孤岛现象。与经典的主动频率偏移法相比，耦合点电压频率变化速度较慢，同时存在多台逆变器并网运行时同步方法较复杂的缺点，但是该方法可以有效地解决处于非检测区的本地孤岛问题。因此，将该方法与经典的主动频率偏移法相结合，即先采用经典的主动频率偏移法进行电流扰动，经过一定周期后，耦合点电压仍然处于非检测区内，则再采用所提出的方法进行检测，将可能获得更加可靠、快速的孤岛保护效果。1