基于无功电流注入的并联孤岛检测方法

朱选才，翁炳文，陈 申，谢王杰

（1.万帮数字能源股份有限公司 杭州分公司，浙江 杭州 311202；2.杭州禾迈电力电子股份有限公司，浙江 杭州 310022）

0 引 言

为应对全球变暖，各个国家都在努力减少以二氧化碳为主的温室气体的排放。中国提出力争2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”[1]。在“双碳”目标推动下，中国正在努力加快清洁能源开发利用，构建以新能源为主体的新型电力系统。这些新能源发电技术包括：光伏发电、风力发电、生物质能发电等[2-7]。

在新能源发电系统中，有可能发生孤岛运行情况，即当电网故障时，发电系统持续给负载供电，这对操作工人来说非常危险，可能导致触电事故。对于新能源发电系统而言，孤岛保护是一项基本功能要求，即发电系统能够检测出孤岛运行并做出相应的保护动作，比如停止输出等[8]。

学术界和工业界都有不少关于孤岛检测方法的研究，但主要针对单逆变器，对于多逆变器并联系统的孤岛检测方法，还有待深入研究。为此，本文提出了一种基于无功电流注入的并联孤岛检测方法，以期在该领域做出一些有意义的工作[9-15]。

1 孤岛检测方法

如图1所示的孤岛运行。

图1 孤岛运行

图中包含逆变器Inverter，负载Load和电网Grid。其中电网侧设置有断路器Breaker，逆变器侧设置有继电器Relay。当电网故障时，Breaker跳开，此时可能由于负载匹配，逆变器继续向负载供电，形成孤岛运行。因此要求逆变器能够检测到孤岛，并进行相应动作，比如跳开Relay。

如图2所示的并联孤岛运行。与图1的区别是，系统中包含逆变器1和逆变器2，并且两者通过公共耦合点（Public Coupling Point，PCC）点连接在一起。

图2 并联孤岛运行

针对图2所示的并联系统，对比了常见的孤岛检测方法，并汇总在表1中。最终，选定了无功注入作为孤岛检测的方法。

表1 常见孤岛检测方法

2 并联孤岛检测方法

2.1 工作原理

针对多逆变器并联系统，本文提出了如图3所示的并联孤岛检测方法。通过在PCC点处增加一个电流传感器（Current Transducer，CT），并将该电流信号传送到Inverter 1中，通过Inverter 1实现集中式的孤岛检测。如此设计的目的在于，无论Inverter 2采用何种孤岛检测算法，Inverter 1只控制总电流的变化，并关注由此造成的频率波动。

图3 并联孤岛检测方法框图

2.2 无功电流注入方法

本文所提出的无功电流注入方法分为两种模式：周期注入模式和增强注入模式。两种模式的定义如下。

周期注入模式：以一个固定周期注入无功电流，比如0.5 s。该模式下，无功电流的注入幅度较小，比如3%的视在功率。

增强注入模式：在周期注入时，一旦检测到频率波动超过设定阈值，则进入增强注入模式。该模式下，会连续注入几个控制周期，并且幅度依次增强。将频率波动尽可能放大，从而提高检测可靠性。

图4为该方法的理论工作波形，下面给出具体的解释。假定t=t1时刻电网断开。

[t1-t2]：电网断开，逆变器持续工作，由于下一个注入周期还未到来，因此该时间段为孤岛运行。

[t2-t3]：第一个增强注入周期，该时间段内，常规的无功电流注入引起的频率波动超过设定阈值，因此触发增强注入，连续几个控制周期逐步增加无功注入电流，相应的频率往一个方向偏移。图4中展示了连续的4个控制周期，实际操作时，可根据检测需要合理设置控制周期数。

图4 无功电流注入方法

[t3-t4]：第一个恢复期。该恢复期内，停止无功电流注入，并监控此时的频率波动。预期的效果是此时的频率应该恢复到额定输出值附近。

[t4-t5]：第二个增强注入周期，控制过程同第一个增强注入周期。

[t5-t6]：第二个恢复期。

[t6-t7]：第三个增强注入周期，控制过程同第一个增强注入周期。通过连续三次的增强注入，判定孤岛发生，并在t=t7时刻，置位孤岛标志位Flag。

2.3 算法流程图

为了进一步说明本方法的具体操作方法，给出了如图5所示的算法流程图。

图5 算法流程图

步骤1：周期注入模式。该模式下，逆变器以一个固定周期注入无功电流，比如0.5 s。

步骤2：判断是否需要进入增强模式。判定的依据是频率的波动是否超过设定阈值。如果超过，则判定为需要进入，否则不进入并更新结果为未检测到孤岛。

步骤3：增强注入模式。该模式下，逆变器会在连续的几个控制周期内以不断增强的幅度进行无功电流注入，通过增强注入，频率的波动会被进一步放大，从而确保可靠检测。

步骤4：判断是否完成一次增强注入。如果是，则进入下一步骤，否则回到步骤3。

步骤5：判断频率波动是否符合预期。即在恢复期内进行频率的判断，如果频率波动符合理论结果，则判定为符合。否则，更新结果为未检测到孤岛。

步骤6：增强注入次数增加1。

步骤7：判断增强注入次数是否达到3次。如果达到3次，则更新结果为检测到孤岛，否则回到步骤3继续进行检测。

3 仿真验证

为了验证所提出方法的有效性，本文搭建了一个60 kW的三相并网逆变器系统，即图3中的Inverter 1与Inverter 2均为60 kW的三相逆变器。

3.1 单机工作波形

逆变器1单独工作时，其仿真波形如图6所示。图中波形从上到下分别为无功电流注入信号、频率采样值、锁相环（Phase Locked Loop，PLL）输出频率以及孤岛标志位。

图6 单机仿真波形

从图6中可以看到，增强注入的控制周期数为7，相应的最大无功功率注入量为25%的视在功率。3个增强注入周期后，孤岛检测结束，孤岛标志位置位，这与图4所示的理论工作波形吻合。

3.2 双机工作波形

图7为两台逆变器一起满载工作时（100%的有功功率输出）的孤岛检测波形。图7中波形从左上到右下分别为逆变器的工作电流、无功电流注入信号、PLL输出频率以及孤岛标志位。

图7 双机仿真波形

从图7中可以看到，增强注入的控制周期数为7，相应的最大无功功率注入量为50%的视在功率（由于此时的总有功功率被放大了一倍，相应的最大无功注入量也放大一倍）。3个增强注入周期后，孤岛检测结束，孤岛标志位置位。这与图4所示的理论工作波形吻合。

进一步地，我们对比了不同功率分配下的实验结果，并汇总在表2中。从实验结果来看，不同的功率分配下，所提出的方法均能有效地检测出孤岛。由此可以验证，本文所提出的方法是有效的。

表2 仿真结果汇总表

4 结 论

针对多逆变器并联系统的孤岛检测，本文提出了一种基于无功电流注入的并联孤岛检测方法。通过在公共耦合点处增加一个CT，从而获得总电流数据。主逆变器再通过控制总的无功电流注入实现集中式的孤岛检测。相比于传统的“相同检测算法+同步注入”的检测方法，本文所提出的方法简化了并联系统对逆变器的要求，只需要在主逆变器中采用所提出的方法，其余逆变器可以不设计孤岛检测或保留已有的检测方法，即可实现集中式的孤岛检测，相信在V2G等应用场景有极大的推广价值。