宜迈思负载箱，三相并联式功率调节系统孤岛检测研究

负载箱大容量功率调节系统(power conditioning system，PCS)常被运用于分布式发电(distributed generation，DG)系统或储能系统，既可并网运行起 到“削峰填谷”的作用，又可独立运行为本地负载 提供安全可靠的电源。当PCS 工作于并网运行工况时，若电网失压，由于发电单元的存在部分线路 仍维持带电状态，即形成了孤岛状态。它会使电力公司失去对系统的控制，将带来一系列的安全隐患，必须采取合适的孤岛检测方法。

负载箱三相并联式功率调节系统孤岛检测可分为远程孤岛检测和本地孤岛检 测，前者由于性价比不高而运用较少，后者则又分 为被动式检测法和主动式检测法。被动式孤岛检测方法根据公共耦合点(point of common coupling， PCC)电量的变化来判断是否发生孤岛，若采用 单电量检测则存在检测盲区大、检测时间长、易受 干扰、动作阈值难以整定的问题；采用多电量检测 法则需涉及复杂的信号处理，不易实现，因此被 动孤岛检测法往往需要和主动孤岛检测法配合使 用。主动孤岛检测法根据运用场合可分为单相孤岛和三相孤岛，其中单相孤岛检测方法已经较为成熟，典型的有主动移频法、主动移相法、电压正反馈法和电网阻抗检测法。对主动移频式孤岛检测方法、主动移相式孤岛检测方法和电压正反馈式孤岛检测方法分别进行了详细的分析，并给出了相应的检测盲区和各自的优缺点。三相孤岛方法则相对较少，文献[15]提出一种负序电流扰动法，通过周期性地向电网注入负序电流并检测PCC 点电压分量来实现孤岛检测，但由于DG 系统本身可能存在不平衡现象，从而导致该方法有误检测的风险。带P-U、Q-f 功率给定曲线的孤岛检测方法较为简单，检测盲区小，不对电网造成谐波污染，但其应用对象需含有功率控制环节，且检测时间受功率外环的影响[16-19]。文献[16]分析Sandia 频率偏移法(Sandia frequency shift，SFS)运用于三相恒功率系统时检测性能衰减的原因。文献提出了一种带Q-f 下垂曲线的孤岛检测方法，并按IEEE 1547 和UL 1741 标准进行了详细的测试，但其未考虑功率外环对检测算法的影响。

负载箱三相并联式功率调节系统，此外，多机并联运行时，由于各并网变换器可能采用不同的控制策略和孤岛检测算法，并联系统的孤岛检测效果往往受到影响甚至失效[20]。文献分析了被动孤岛检测、主动移频孤岛检测(active frequency drifting，AFD)和滑动移频孤岛检测(slip-mode frequency shifting，SMS)的特性，并分析了此3 种方法在各种组合运用下的检测效果。

负载箱三相并联式功率调节系统，本文所提的基于频率正反馈的主动移相式三相孤岛检测方法，通过引入频率误差形成主动移相角，并对系统的有功电流和无功电流采用不同的dq变换式。最后，通过一套2 台30 kVA 的PCS 并联系统检测该方法的有效性。

1 负载箱三相并联式功率调节系统三相PCS 孤岛状态建模分析

图 1 为三相PCS 并联孤岛检测原理示意图，本地接RLC 并联负载；P 和Q 为分布式电源(也可以是电池或者其它储能介质)提供的有功功率和无功功率；Pload 和Qload 为本地负载消耗的有功功率和无功功率；P 和Q 为电网提供的有功功率和无功功率；公共耦合点的相电压为UPCC。

 

图1: 多级并联孤岛检测示意图

2 带频率正反馈的主动移相孤岛检测方法

2.1 APSPF 法的原理及实现

一般来说，DG 系统中的PCS 除了向电网发送有功功率外，还需根据调度需求与电网进行无功交换用于电能质量调节。本文采用基于频率正反馈的主动移相孤岛检测法。

假设电网电压和本地负载都是平衡的，则采用主动移相法处理后的反馈电流为图 2 为APSPF 法的实现框图，主要包括功率外环、电感电流内环、锁相环、dq 变换单元和功率。

 

图2 负载箱三相并联式功率调节系统采用 APSPF 法时的孤岛检测控制框图

 

2.2 APSPF 负载箱三相并联式功率调节系统法的检测盲区分析

为确保系统孤岛检测成功，要求在整个孤岛检测过程中都必须满足，可构建由品质因数–谐振频率(Qf-fr)组成的检测盲区(none-detection zone，NDZ)，如图3所示。由图3 可知，采用APSPF 孤岛检测法时，在比例系数k 相同的情况下，谐振频率越接近50Hz，检测盲区越大。当前馈系数k0.1 时，可保证品质因数为2.5、谐振频率等于50Hz 的RLC负载没有检测盲区；当k 取0.3 时，检测盲区已经非常小了。

 

图3：采用 APSPF 法时的检测盲区(单位功率因数)

图4 为无功功率误差标幺值Qt、系统功率因数cos和主动移相角三者之间的关系图。k0.1 且|f|0.5Hz 时0.05rad，对应系统最恶劣的运行工况。此时，当功率因数接近1 时，尽管无功误差接近5%，但是由于无功给定很小，其对系统的功率因数影响很小；而功率因数绝对值较小时，主动移相角对无功的影响可以忽略不计。

 

图4  负载箱三相并联式功率调节系统三者之间的关系图

3 结论

1）负载箱三相并联式功率调节系统提出了一种适用于三相PCS 的APSPF 孤岛检测算法；给出了APSPF 法的实现方式和检测盲区；分析了APSPF 法在多机并联运行情况下的工作特性。

2）分析表明，所提APSPF 法简单易于实现；适用于不同并网控制策略，兼容并网电流单环控制或者双环控制；不影响并网系统输出的有功功率和并网电流波形质量，且对系统无功输出影响较小。

3）负载箱三相并联式功率调节系统，仿真和实验结果证明了所提APSPF 孤岛检测方法的正确性和可行性。同时，并联运行孤岛检测实验则表明该方法很好地适应了多机并联的大功率运用场合。