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基于改進電壓/頻率正反饋的孤島檢測方法研究
來源：電子技術應用2013年第9期
王西偉1，陳利利2，熊 煒3
1.福建省電力有限公司漳州電業(yè)局，福建 漳州363000； 2.貴州大方發(fā)電有限公司，貴州 大方551600； 3.貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽550025
摘要： 孤島檢測是分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行時的一個重要問題。在電壓相位突變檢測方法、電壓-有功正反饋檢測方法和基于無功-頻率下垂特性的正反饋無功擾動檢測方法的基礎上，結(jié)合三者的優(yōu)勢，提出了一種基于改進電壓/頻率正反饋的孤島檢測方法。該方法克服了采用單一電壓相位突變檢測方法在負載近似呈阻性和功率相匹配時失效的問題，不存在檢測盲區(qū)，對系統(tǒng)電能質(zhì)量影響較小，并通過Matlab軟件仿真驗證了該方法的正確性。
中圖分類號： TM743
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)09-0066-04
Islanding detection method based on improved voltage/frequency positive feedback
Wang Xiwei1，Chen Lili2，Xiong Wei1
1.Zhangzhou Electric Power Bureau，F(xiàn)ujian Electric Power Co.，Ltd.，Zhangzhou 363000，China； 2.Dafang Power Generation Company，Dafang 551600，China； 3.School of Electrical Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025，China
Abstract： Islanding detection is an important issue for the distributed generation system. Based on the voltage phase jump、the voltage-active power positive feedback and the reactive power disturbance and combining with their advantages, the paper puts forward an islanding detection method based on improved voltage/frequency positive feedback. This method can overcome the shortcoming that the phase jump detection method fails to work under resistive load and the balance of the distributed generation system output and the load power, which has no detection dead zone and has little influence on power quality. The correctness of the method is verified by the Matlab simulation.
Key words : islanding detection；phase jump；voltage-active power positive feedback；reactive power disturbance

    隨著分布式發(fā)電DG（Distributed Generation）系統(tǒng)的發(fā)展，孤島問題變得越來越突出。所謂孤島[1]是指當大電網(wǎng)系統(tǒng)供電因發(fā)生故障或進行停電檢修而斷開時，用戶側(cè)的DG系統(tǒng)未能即時檢測出孤島的發(fā)生而將自身切離供電網(wǎng)絡，形成由DG系統(tǒng)和周圍的負荷構(gòu)成的一個自給供電的孤島。這種孤島現(xiàn)象會對電氣設備和檢修人員帶來很大的危害，因此能夠準確、及時地檢測出孤島具有十分重要的意義[2]。

    本文在分析了電壓相位突變方法[3-4]、電壓—有功正反饋方法[5-6]以及基于無功—頻率下垂特性的正反饋無功擾動方法[7]的基礎上，提出了基于改進電壓/頻率正反饋的孤島檢測方法。當DG系統(tǒng)輸出功率與負載消耗功率不匹配及負載呈非阻性時，采用相位突變方法，此時能夠快速地檢測到孤島，并且對系統(tǒng)電能質(zhì)量無影響；當DG系統(tǒng)輸出功率與負載消耗功率相匹配及負載呈阻性時，采用電壓—有功正反饋和基于無功—頻率下垂特性的正反饋無功擾動方法，這樣就消除了相位突變法存在的檢測盲區(qū)，大大提高了孤島檢測的有效性。
1 孤島檢測原理分析
    圖1所示為分布式電源經(jīng)逆變器并入大電網(wǎng)的孤島檢測系統(tǒng)模型。采用并聯(lián)RLC表示本地負載。

    正常并網(wǎng)運行時，負載消耗功率為：
    
2 基于改進電壓/頻率正反饋的檢測方法
2.1 基于改進電壓/頻率正反饋檢測方法的基本原理
    相位突變方法檢測速度快、方法簡單、容易實現(xiàn)。但該方法與其他被動檢測方法相類似，其孤島檢測盲區(qū)較大。當DG系統(tǒng)輸出功率與負載消耗功率相匹配時，相位突變未超出檢測閾值，導致檢測失敗。
    電壓-有功正反饋方法和基于無功-頻率下垂特性的正反饋無功擾動方法能夠解決DG系統(tǒng)輸出功率與負載消耗功率相匹配情況下的孤島檢測，但這兩種方法由于需要向系統(tǒng)注入擾動，對系統(tǒng)的電能質(zhì)量影響較大，并且在大多數(shù)情況下，DG系統(tǒng)輸出功率與負載消耗功率一般是不匹配的。因此，本文將這三種方法相結(jié)合形成改進的電壓/頻率正反饋檢測方法，該方法在DG系統(tǒng)輸出功率與負載消耗功率不匹配時使用電壓相位突變方法，在DG系統(tǒng)輸出功率與負載消耗功率相匹配時使用電壓-有功正反饋/基于無功-頻率下垂特性的正反饋無功擾動方法。該改進方法減小了電壓相位突變方法單獨使用時的檢測盲區(qū)（即系統(tǒng)功率匹配），并有效降低了單獨使用電壓-有功正反饋/基于無功-頻率下垂特性的正反饋無功擾動方法對電能質(zhì)量的影響。該方法將電壓-有功正反饋方法和基于無功-頻率下垂特性的正反饋無功擾動一起應用，既檢測DG系統(tǒng)輸出電壓的變化，又檢測頻率的變化，只要其中任一個檢測量超出閾值，就可以檢測出孤島，提高了孤島檢測的速度。
    基于改進電壓/頻率正反饋檢測方法系統(tǒng)框圖如圖2所示。可以分以下兩種情況說明。

    （1）DG系統(tǒng)輸出功率與負載功率不匹配：選用相位突變模塊，通過控制裝置實時檢測Pcc點電壓與DG系統(tǒng)輸出電流之間的相位差是否超過閾值來判定孤島狀態(tài)。這時應用控制模塊斷開電壓-有功正反饋和基于無功-頻率下垂特性的正反饋無功擾動模塊，這樣去掉反饋后，就減小了對DG系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量的影響。
    （2）DG系統(tǒng)輸出功率與負載功率相匹配：選用電壓-有功正反饋和基于無功-頻率下垂特性的正反饋無功擾動模塊，這時通過對系統(tǒng)有功功率及無功功率的擾動，使電壓幅值和頻率發(fā)生偏移，一旦檢測到電壓幅值或頻率超出檢測閾值，即可斷定系統(tǒng)發(fā)生了孤島。
2.2 仿真分析

 


    本文通過Matlab軟件搭建仿真模型進行分析，大電網(wǎng)用3個并聯(lián)的交流電壓源來模擬，其額定電壓為311 kV；隔離變壓器電網(wǎng)側(cè)為D1，逆變器側(cè)為Yg：電壓比為380 V/275 V，額定容量為25 kVA；DG側(cè)直流電源電壓為650 V，逆變器開關頻率 2 700 Hz，并網(wǎng)逆變器采用IGBT/Diodes器件；LCL濾波器參數(shù)設置：L1=L2=2 mH，C=20 μF；線路參數(shù)設置：R=1.2 Ω，L=1 mH；本地負載采用RLC并聯(lián)，有功功率為10 kW，無功功率為1 kVar。
2.2.1 DG系統(tǒng)輸出功率與負載功率不匹配
    仿真系統(tǒng)在1 s時發(fā)生斷網(wǎng)，此時DG系統(tǒng)孤島運行。當負載的有功消耗PR=10 kW，DG系統(tǒng)輸出有功功率P=12 kW時，系統(tǒng)有功功率不匹配，當發(fā)生孤島時，Pcc點電壓就會迅速變化，如圖3~圖5所示。


    DG系統(tǒng)在1 s發(fā)生孤島時，由于DG系統(tǒng)輸出電壓受負載電流和本地負載的影響，其電壓幅值將發(fā)生變化，超過電壓越限元件的閾值（U>1.1Un），這時系統(tǒng)很容易就檢測到發(fā)生的孤島，如圖3所示。由圖4可知，系統(tǒng)頻率變化不是很大。從圖5相位突變模塊的輸出信號中可以看到DG系統(tǒng)在接近于1.03 s時檢測信號由0跳變?yōu)?，此時成功地檢測到發(fā)生的孤島。
2.2.2 DG系統(tǒng)輸出功率與負載功率相匹配
    （1）無反饋時的仿真結(jié)果
    系統(tǒng)在1 s時斷開，DG系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)。當負載的有功消耗PR=10 kW，DG系統(tǒng)輸出有功功率P=10 kW，負載的無功消耗QLC=1 kVar，DG系統(tǒng)輸出有功功率Q=1 kVar時，DG系統(tǒng)輸出的功率與負載消耗功率相匹配。假如此時不加入反饋，DG系統(tǒng)輸出電壓的變化將會很小，導致檢測不到發(fā)生的孤島，如圖6~圖8所示。

    當1 s發(fā)生孤島時，DG系統(tǒng)輸出電壓、系統(tǒng)頻率沒有發(fā)生明顯變化，如圖6~圖7所示，此時系統(tǒng)將不能檢測到發(fā)生的孤島。從圖8中可以看到檢測控制信號沒有發(fā)生跳變，說明這時僅依靠相位突變方法將檢測不出孤島狀態(tài)，即出現(xiàn)了檢測盲區(qū)。
    （2）有反饋時的仿真結(jié)果
    DG系統(tǒng)在1 s發(fā)生孤島。此時系統(tǒng)中加入電壓—有功正反饋/基于無功—頻率下垂特性的正反饋無功擾動模塊的仿真波形如圖9、圖10所示。

    從圖9可看出，當DG系統(tǒng)在1 s斷開后，由于加入反饋的作用，使DG系統(tǒng)輸出電壓幅值不斷發(fā)生變化，直到超出超過電壓越限元件的閾值（U<0.88Un），這時很容易就檢測到發(fā)生的孤島。由圖10所示，在近似1.17 s時頻率大于50.5 Hz，超出了頻率越限元件的動作范圍（f>50.5 Hz），從而檢測出發(fā)生的孤島。
    通過以上分析，在DG系統(tǒng)輸出功率與負載消耗功率不匹配的情況下，改進電壓/頻率正反饋孤島檢測方法能夠快速地檢測到孤島，并且該方法是利用相位突變被動檢測，并沒有在系統(tǒng)中引入擾動，減小了對系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響；在DG系統(tǒng)輸出功率與負載消耗功率相匹配的情況下，通過電壓-有功正反饋/基于無功-頻率下垂特性的正反饋無功擾動模塊，可以檢測到發(fā)生的孤島。這時該檢測方法同時監(jiān)測電壓、頻率兩個變量，提高了檢測速度，并且減小了單獨使用相位突變檢測方法時存在的檢測盲區(qū)。
    為了減小傳統(tǒng)的孤島檢測方法的檢測盲區(qū)，本文提出了基于改進電壓/頻率正反饋的孤島檢測方法。通過Matlab仿真證明，該方法不僅檢測靈敏度高、無檢測盲區(qū)、對電能質(zhì)量影響小，而且檢測速度滿足要求。
參考文獻
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