三相并网逆变器有源孤岛检测方法研究

三相并网逆变器有源孤岛检测方法研究

顾和荣，赵清林，伞国成，邬伟扬

（燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室，河北 秦皇岛 066004）

摘要：孤岛保护是并网逆变器的必备功能，快速孤岛检测是孤岛保护的关键。根据三相系统含有负序分量的特点，采用有源负序扰动法进行三相并网逆变器的孤岛检测。孤岛发生后，有源扰动导致电压负序分量发生明显变化，因此可以通过提取负序分量幅值判断孤岛的发生。根据IEEE Std.929-2000标准规定的测试电路对有源负序扰动法进行仿真分析。仿真结果验证了提出方案的有效性。

关键词: 三相并网逆变器； 孤岛检测； 有源负序扰动； 负序分量提取

Active islanding detection for three-phase grid-connected inverters

GU He-rong, ZHAO Qing-lin, SAN Guo-cheng, WU Wei-yang

（Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province,

Yanshan University, Qinhuangdao 066004,China）

Abstract: Islanding protection is an indispensable function of the grid-connected inverters, where the fast islanding detection is a key issue. Based on features of negative sequence components in the three-phase system, an islanding detection method based on the active negative sequence component disturbance (ANSCD) is proposed. It can lead to the significant variations of the voltage negative sequence component after islanding. Therefore, islanding is confirmed judging by the negative sequence component amplitude. Simulations are performed according to IEEE Std.929-2000, and results verify the effectives of the ANSCD.

This project is supported by National Natural Science Foundation of China(No.50837003) and National Natural Science Foundation of Hebei Province(No.E2008000801).

Key words: three-phase grid-connected inverters; islanding detection; active negative sequence component disturbance; negative sequence component extraction

中图分类号： TM615 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2009)12-0044-04

0 引言

基于太阳能、风能等可再生能源的分布式发电技术是近年来国内外的研究热点。风力发电、光伏发电等分布式系统常采用逆变器作为并网接口，通过适当控制实现并网发电。然而，并网逆变器运行时存在孤岛现象。孤岛现象是指电网断电后，逆变器仍然持续供电，从而形成一个电力公司无法控制的局域供电网络[1]。逆变器处于孤岛运行时会对检修人员和用户设备产生严重危害。因此，快速有效的孤岛检测是并网逆变器的必备功能之一[1]。

孤岛检测方法一般分为无源方法和有源方法两类[2,3]。无源方法检测电压的电气特性，包括电压幅值、频率、相位、谐波畸变率等。其特点为原理简

基金项目：国家自然科学基金重点项目（50837003）; 河北省自然科学基金资助项目（E2008000801）

单容易实现，对电能质量无影响等，但存在较大检测盲区NDZ(Non detection zone)[2]。有源方法注入扰动量，如电流幅值扰动、频率扰动、功率扰动等，然后检测电压幅值和频率是否超出正常工作范围判断孤岛的发生。有源方法在一定程度上可以减小NDZ，但过大的有源扰动将导致电能质量下降[3]。

目前，国内对并网逆变器孤岛检测的研究集中在单相系统中，而对三相逆变器孤岛检测技术研究较少。因此，本文以三相并网逆变器为研究对象，根据三相系统中含有负序分量的特点，采用有源负序分量扰动法ANSCD(Active negative sequence component disturbance)进行孤岛检测。

1 三相逆变器孤岛检测

1.1 有源负序分量扰动ANSCD原理

图1为孤岛检测电路的原理图。其中，并网逆 变器输出端连接电网于公共耦合点PCC，负载采用

顾和荣，等 三相并网逆变器有源孤岛检测方法研究 - 45 -

RLC并联形式，通过切断开关S来模拟孤岛的发生。

P+jQ∆P+j∆Q三相逆变器PL+jQLPCCS电网如图1所示，三相逆变器并网运行时，公共耦

合点PCC电压为电网电压，理想情况下为：

+

⎡Ua⎤⎡311sin(314t)⎤⎡Ua⎤

⎢Ub⎥=⎢311sin(314t−120°)⎥=⎢U+⎥ (5) ⎢⎥⎢⎥⎢b⎥

+⎢⎣Uc⎥⎦⎢⎣311sin(314t+120°)⎥⎦⎢⎣Uc⎥⎦

切断S电网断电，孤岛发生后，PCC电压为：

++−⎤−⎤+Zaia+Ua⎡Ua⎤⎡Zaia⎤⎡Zaia⎡Ua

⎢Ub⎥=⎢Zbib⎥==⎢Zbi++Zbi−⎥=⎢U++U−⎥ (6)

b⎥b⎥⎢⎥⎢⎥⎢b⎢b

++⎢⎢⎣Uc⎥⎦⎢⎣Zcic⎥⎦⎣Zcic+Zcic−⎥⎦⎢⎣Uc+Uc−⎥⎦因此，加入有源负序电流扰动后，可以通过检

测电压负序分量来判断孤岛的发生。

1.2 负序分量提取

根据上文可知，判断孤岛的关键之一在于提取PCC电压负序分量。根据对称分量法可知，三相电压矢量Uabc=[UaUbUc]可分解为正序、负序和零序。其中，正序分量为

++++

=⎡Uabc

⎣UaUbUc⎤⎦=[T]Uabc (7) ⎡1a2a⎤2π

j1⎢2⎥

[T]=⎢a1a⎥a=e3 (8)

32⎢aa1⎥⎣⎦

T

RLC图1 孤岛检测原理图

Fig.1 Schematic diagram of islanding detection

三相并网逆变器dq轴控制模型如图1所示[4]，根据图1可得逆变器状态方程式(1)。由于dq轴解耦，因此d轴模型和q轴模型均可由图2表示。

Edi*d+−C(s)+−idiqi*qUd−1Ls+RidT

ωLωL+ωLωL−−C(s)Uq+−1Ls+RiqEq图2 三相并网逆变器dq轴模型

Fig.2 Model of three-phase grid-connected inverter

⎡R−

d⎡id⎤⎢L

⎥=⎢iqdt⎢⎣⎦⎢0⎢⎣

*ixdq⎤0⎥

⎡id⎤1⎡Ud−Ed⎤

(1) ⎥⎢⎥+⎢

R⎥⎣iq⎦L⎣Uq−Eq⎥⎦−⎥L⎦

+αβ坐标系电压矢量为：

Uαβ=⎡⎣UαUβ⎤⎦=C32Uabc (9)

11⎤⎡1−−2⎢22⎥⎥ (10) C32=⎢3⎢33⎥0−⎢22⎥⎣⎦

式(7)~(10)联立可得αβ坐标系电压正序分量：

++Uαβ=C32Uabc=C32[T]Uabc=

T

i*dq++C(s)−Udq−1sL+RidqEdq图3 电流控制模型 Fig.3 Model of current control

C32[T]C23Uαβ如图2所示，在dq轴加入扰动量式(2)后，可得并网逆变器参考电流如式（3）所示。

*⎤⎡ixd⎡ixsin(628t)⎤=⎢i*⎥⎢ixcos(628t)⎥ (2) ⎣xq⎦⎣⎦

*+ixsin(628t)⎤⎡id⎤⎡id

⎢i⎥=⎢i*+ixcos(628t)⎥ (3) ⎣q⎦⎣q⎦

q=e−jπ/2 (11) 1⎡1−q⎤

=⎢Uαβ2⎣q1⎥⎦1⎡1q⎤

Uαβ q=e−jπ/2 (12) ⎢⎥2⎣−q1⎦

αβ坐标系电压负序分量为：

−+

Uαβ=Uαβ−Uαβ=

式(11) 、(12)中，q为旋转因子，表示相移90°。

1.5×3142

实现q，其波特本文采用G(s)=2

s+1.5×314s+3142

经过坐标变换可得abc坐标系参考电流为：

−⎤imsin(314t)+ixsin(314t)⎡ia⎤⎡i+ia⎡⎤

⎢ib⎥=⎢i++i−⎥ =⎢imsin(314t−120°)+ixsin(314t+120°)⎥⎢⎥⎢bb⎥⎢⎥

+−⎢⎥⎢⎥⎢⎥ii+iisin(314t+120°)+isin(314t−120°)cmx⎣⎦⎣cc⎦⎣⎦

+a

图如图4所示。从图中可以看出，在正序和负序频率50 Hz附近G(s)幅频特性为1 p.u.，相频特性为−90°，满足q要求。

正序和负序分量提取之后需要确定其幅值和频率。本文采用锁相环提取PCC电压正序分量和负序

(4)

- 46 - 电力系统保护与控制

分量的幅值和频率信息。锁相环原理如图5所示。

2Bode DiagramSystem: gFrequency (Hz): 50Magnitude (abs): 1Magnitude (abs)1.510.500-90System: gFrequency (Hz): 50Phase (deg): -90-18010110Frequency/Hz2103

图4 G(s)波特图 Fig.4 Bode diagram of G(s)

+-内模原理指出[6]：若要求一个反馈控制系统具

有良好的跟踪指令以及抵消扰动影响的能力，并且这种对误差的调节过程结构是稳定的，则在反馈控制环路内部必须包含一个描述外部输入信号指令信号和扰动信号动力学特性的数学模型，该数学模型就是所谓的“内模”(internal mode1)。由于同步旋转

1

坐标系下正序分量为直流量，其(标么值)内模为，

s

因此PI 可以实现正序分量的零稳态误差控制。同理，同步旋转坐标系下负序分量为交流量，其频率

s

为基波频率ω的2倍，其内模为2。因此，

s+4ω2

根据内模原理可得正序、负序电流控制器如下：

kipks

C(s)=kp++2in2 (14)

ss+4ωPhase (deg)本文采用Matlab对有源负序分量扰动法进行

频率f1/2π仿真分析，根据IEEE Std.929-2000标准中定义的最

[1]

恶劣情况(worst case)进行验证。具体参数如下：dqsinθcosθ幅值U三相电网电压380 V/50 Hz，逆变器额定功率3 kW，αβ直流母线电压800 V，并网接口电感5 mH，开关频U(U)U(U) 率10 kHz，并联RLC负载额定功率3 kW（R=48 Ω，

图5 锁相环原理图

L=61.1 mH，C=165.87 µF），仿真结果如图6所示。

Fig.5 Schematic diagram of phase locked loop

图6(a)为电网电压波形，图6（b）为公共耦合点PCC电压波形。仿真中设置0.065 s时电网断电，1.3 负序扰动量标准

电网电压为0。其后并网逆变器仍向负载供电，此GB/T15543-1995标准中规定三相电压不平衡

时PCC电压出现不平衡，该现象可由式(6)解释：度ε为负序分量与正序分量的百分比，即：

三相逆变器输出电流中的负序分量导致PCC电压负序分量

ε=×100% (13) 中同样含有负序分量，从而造成PCC三相电压不平正序分量

衡。 GB/T15543-1995规定电力系统公共耦合点

图6（e）~（f）为根据式(11)和图5提取的PCCPCC正常工作电压不平衡度允许值为2%，短时不

电压正序分量信息。可以看出，0.065 s孤岛前后正超过4%。因此，电网电压正常情况下电压不平衡

序分量基本不变。该现象可由式(6)和IEEE 度小于4%。本文设置有源负序电流扰动量为额定

Std.929-2000的测试标准解释：并网逆变器输出正正序电流的4%，PCC电压负序分量上限值为正序

序功率和负载功率匹配。 分量的4%。一旦电网断电，若三相并联RLC负载

图6（c）为根据式(12)提取的PCC电压负序分平衡，则根据式(6)可知PCC电压负序分量增加至

−

4%，达到上限值，从而检测到孤岛的发生。 量Uαβ波形，说明孤岛后PCC电压中出现负序分量。

m0KPs+KIsω0+1sθ2 仿真验证

β+β−α+α−1.4 电流控制器设计

根据上文分析和式(6)可知，电流控制存在误差将影响孤岛检测的有效性。传统基于同步旋转坐标系的PI控制对负序分量难以实现理想的控制效果，存在稳态误差。文献[5]采用正序、负序双同步旋转坐标系PI控制方案实现了正序和负序分量的零稳态误差控制。然而其结构复杂计算量大。为了解决该问题，借鉴内模控制思想对负序分量进行控制。

图6（d）为根据图5提取的负序分量幅值。由于负序电流的扰动导致负序分量明显上升，在0.203 s左右幅值增至额定正序电压的4%，达到上限值，从而检测到孤岛的发生，三相逆变器停止工作，实现孤岛保护，如图6（g）所示。

根据以上仿真结果可知，在IEEE Std.929-2000标准中定义的最恶劣情况下，有源负序分量扰动法

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ANSCD仍可以检测到孤岛的发生，检测时间为（0.203-0.065）s=0.138 s，远低于IEEE Std.929-2000标准中规定2.000 s的标准[1]。

400电网电压/V2000-200-4000.040.060.080.14000.120.140.160.18t/s(a) 电网电压0.20.22PCC电压/V2000-200-4000.040.060.08500.10.120.140.160.18t/s(b) 公共耦合点PCC电压0.20.22分量将有所变化。单从负序电流考虑，可能出现与IL同时作用降低PCC负序电压幅值的情况；但考虑到正序电流，其与IL作用将增大PCC负序电压幅值。因此，IL情况下ANSCD仍然有效。

（2）为了减小负序分量对电能质量的影响，可减小负序电流含量，如从4%降低到2%。

（3）电网电压的暂态波动或短时电压不平衡现象会导致负序分量幅值超出上限值。为了避免误动作，此时可采用延时一段时间后再检测负序分量幅值的方法，延时选取时间依据IEEE Std. 929-2000[1]。

3 结论

本文利用三相系统中存在负序分量的特点，采用有源负序分量扰动法ANSCD进行孤岛检测，通过判断公共耦合点电压负序分量的幅值确定孤岛的发生。此外，文中还给出一种正序分量、负序分量控制及其幅值、频率信息的提取方法，分析了 ANSCD实际应用中存在的问题并提供了相应的解决方案。最后，根据IEEE Std.929-2000标准规定最恶劣情况进行了孤岛检测仿真分析，仿真结果表明ANSCD可以实现快速有效的孤岛检测。 参考文献

0.080.10.140.160.18t/s(d) PCC电压负序分量幅值0.120.20.22PCC电压负序分量/V0-500.040.060.080.10.140.160.18t/s−(c) PCC电压负序分量Uαβ0.120.20.22负序分量幅值/p.u.0.040.0200.040.064002000-200-4000.040.060.081.10.10.120.140.160.18t/s+(e) PCC电压正序分量Uαβ0.20.221.0510.950.90.040.060.080.10.120.140.160.18t/s(f) PCC电压正序分量幅值0.20.2210输出电流/A0-100.040.060.080.10.140.160.18t/s(g) 三相逆变器输出电流0.120.20.22

图6 仿真结果 Fig.6 Simulation results

实际应用中还存在三点问题：

（1）IEEE Std.929-2000未规定负载不平衡IL（Imbalanced Load）时的孤岛测试标准，而实际应用中却存在IL情况。根据式(6)可知IL情况下负序

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顾和荣(1964-), 男，教授，研究方向为分布式发电系统并网控制技术、电能质量控制技术等。E-mail:ydghr@

正序分量幅值/p.u.PCC电压正序分量/Vysu.edu.cn