并网逆变器孤岛控制技术

曹海燕;田悦新

【摘 要】为解决传统孤岛保护控制存在孤岛检测盲区,使得孤岛保护失效的问题,提出基于频率正反馈扰动的孤岛保护控制方法,既减小了传统有源孤岛保护控制对输出电能质量的影响,又实现了无盲区的孤岛保护控制.对于大功率应用场合,孤岛保护控制不再适用.因此,IEEE Std. 17-2003标准中提出孤岛运行控制的概念.针对标准要求提出基于工作模式切换的孤岛运行控制,使得孤岛发生前后,并网逆变器输出电压均满足用户负载运行要求.仿真结果验证了两种孤岛控制方案的正确性. 【期刊名称】《电力系统保护与控制》 【年(卷),期】2010(038)009 【总页数】4页(P72-74,91)

【关键词】并网逆变器;孤岛检测;孤岛保护;孤岛运行 【作 者】曹海燕;田悦新

【作者单位】石家庄经济学院信息工程学院,河北,石家庄,050031;石家庄经济学院信息工程学院,河北,石家庄,050031 【正文语种】中 文 【中图分类】TM615 0 引言

并网逆变器（GCI）运行过程中可能出现孤岛运行状态，孤岛运行将产生严重后果

[1]。因此，IEEE Std. 929-2000标准中规定：GCI必须具备孤岛检测及孤岛保护的功能。一旦电网停止供电，GCI必须在2 s内检测到孤岛状态并停止向周围负载供电，以消除孤岛带来的危害。然而，当大功率GCI处于孤岛运行状态时，按照上述 IEEE标准要求，GCI将停止向周围负载供电，其结果很可能导致大面积停电。因此，IEEE Std 17-2003标准中规定[2]：大功率GCI可工作于孤岛运行状态。即使电网停止供电，大功率GCI仍继续向周围负载供电，以维持网络中的电压和频率满足负载运行要求。目前，已有国外文献对孤岛控制进行相关报道，但研究还未成熟[3-4]；而国内关于孤岛控制的相关文献相对较少。因此，研究具有自主知识产权的GCI孤岛控制技术，为用户提供安全可靠的用电环境具有现实意义。 GCI孤岛控制可分为两类[2]：其一，孤岛保护控制；其二，孤岛运行控制。本文在理论分析的基础上，针对不同应用场合，分别提出一种无检测盲区孤岛保护控制方法和一种高性能孤岛运行控制方法，并进行了仿真研究。仿真结果验证了提出的孤岛控制的有效性。 1 孤岛保护控制

对于小功率的应用场合，GCI常采用孤岛保护控制，其基本原理为：GCI首先检测出孤岛运行状态，然后进行孤岛保护，使GCI停止供电。因此，孤岛保护控制的关键是GCI快速有效地检测到孤岛的发生。

常见的孤岛检测方法主要分为两类[5]：其一，无源孤岛检测方法；其二，有源孤岛检测方法。无源孤岛检测方法存在较大检测盲区，不能对孤岛进行快速有效的检测[6]。有源检测方法可减小检测盲区，但导致GCI输出电流恶化[7]。因此，本文提出一种频率正反馈扰动孤岛检测方法，在电网正常供电且不引入扰动 df时，GCI输出电流质量不会恶化。由于扰动周期间隔较长且持续时间较短，因此扰动对输出电流影响较小。一旦电网掉电，负载频率不再受电网控制，引入的正反馈将使系统不稳定，并加入扰动量，用于打破可能出现的平衡状态，进而使GCI在正反

馈的作用下趋于不稳定，当频率超出范围，GCI将检测到孤岛的发生并进行孤岛保护。孤岛保护控制原理如图1所示。

图1 孤岛保护控制原理图Fig.1 Schematics of islanding protection control GCI并网运行时处于电流控制模式。设第k周期GCI输出参考电流为：

则第k周期输出电流频率为：

式中： mI为 GCI输出参考电流峰值； ()fk为第 k周期的电压频率；K为系数； df为周期扰动量。初始值为0，每隔1 s将其设置为预设值。

综上，基于频率正反馈扰动的GCI孤岛检测可以减小传统有源检测对GCI输出电流质量的影响，且消除了检测盲区，保证了GCI实现有效的孤岛保护控制。 2 孤岛运行控制

对于大功率的应用场合，GCI常采用孤岛运行控制，其基本原理为：GCI处于孤岛运行状态后，一旦检测到负载电压超出正常范围，立即将GCI工作模式由输出电流控制调整为输出电压控制，以维持电压幅值和频率满足周围负载运行要求[8]。与孤岛保护控制不同的是，孤岛运行控制的关键是GCI实现高性能的输出电压控制。即使GCI处于孤岛运行状态，如果GCI输出电压满足负载正常运行要求，GCI仍可处于电流控制模式。一旦输出电压超出正常范围，GCI将切换到电压控制模式，以维持稳定的负载电压和频率。因此，本文采用无源检测方法，即电压幅值和频率检测。该方法可避免有源检测方法导致的GCI输出电流波形畸变，从而保证了高性能的电压控制。

孤岛运行控制原理如图2所示。其中，负载正常运行范围为：电压幅值 0.88~1.1 p.u.，频率49.3~50.5 Hz。算法中，实时检测负载电压幅值和频率是否满足运行要求，若满足，则保持当前工作模式，避免了GCI在两种工作模式间的频繁切换。

图2 孤岛运行控制原理图Fig.2 Schematics of controlled islanding 3 仿真结果

采用 Matlab/Simulink分别对提出的孤岛保护控制和孤岛运行控制进行仿真验证。 孤岛保护控制仿真中，设置电网电压220 V/50 Hz，单相GCI额定输出功率1 kW，根据IEEE Std.929-2000标准中规定的最差情况[1]，选择并联RLC负载分别为：R=48 Ω，L=61.1 mH，C=165.87 μF，负载谐振频率为50 Hz，品质因数Qf=2.5。预设算法参数为：K=3， d 0.2K = 。

图3为基于频率正反馈扰动的孤岛保护控制仿真结果。如图3(a)所示，仿真中设置0.085 s电网掉电，孤岛发生。此时，由于GCI输出功率和负载功率平衡，即使GCI处于正反馈控制，如图3（b）所示，负载电压幅值和频率仍保持不变，GCI此时无法检测到孤岛的发生。仿真中设置0.12 s频率扰动fd作用，从图 3（c）可以看出， fd的引入打破了频率平衡状态，并在正反馈作用下，频率呈单调衰减趋势。约0.1 s后，即0.22 s处，频率超出正常运行范围，GCI检测到孤岛并动作，如图3（d）所示，GCI停止工作，实现了孤岛保护控制。从仿真结果可以看出，在最差情况下， df作用后约五个周期就能检测到孤岛的发生，满足IEEE Std. 2000-929标准的规定[1]。

图3 孤岛保护控制仿真结果Fig.3 Simulation results for islanding protection 孤岛运行控制仿真中，设置电网电压380 V/50 Hz，三相GCI额定输出功率100 kW，并联RLC负载为：R=1.25 Ω，L=60 mH，C=160 μF。

图4为孤岛运行控制仿真结果。如图4(a)所示，由于仿真中设置电网电压含5次负序谐波，因此，负载电压出现不平衡现象。在0.105 s处电网停止供电，三相GCI处于孤岛运行状态。如图4(b)所示，由于GCI输出功率和负载功率不匹配，导致负载电压幅值和频率发生变化。如图4(c)所示，0.108 s处，锁相环检测出负载电压幅值频率超出正常运行范围，根据图2提出的控制方法，三相GCI工作模

式将由电流控制切换到电压控制，如图4(b)和4(d)所示，此时负载电压和GCI输出电流均处于调整状态，无过大电流电压冲击，基本实现工作模式平滑切换。从图4(c)可以看出，约1.5个工频周期后，三相GCI电压控制进入稳态，实现了稳定的孤岛运行控制，满足了用户负载运行要求。

图4 孤岛运行控制仿真结果Fig.4 Simulation results for controlled islanding 4 结论

本文针对小功率并网逆变器的应用场合，提出基于频率正反馈扰动的孤岛检测方法，实现了无检测盲区孤岛保护控制；针对大功率并网逆变器的应用场合，提出基于工作模式切换的孤岛运行控制，满足了用户负载正常运行要求。根据 IEEE Std.17-2003标准对提出的方法进行测试。仿真结果验证提出方法的有效性。 参考文献

【相关文献】

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