電壓有功正反饋孤島檢測的改進算法

王西偉

(貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

當電網供電因故障或停電維修而斷開時，用戶端的分布式發電系統并未即時檢測出孤島狀態而將自身切離市電網絡，使電網停電區的部分線路仍維持帶電狀態，形成自給電力供應的孤島［1］。孤島一旦形成，將危害設備的安全運行，危及運行人員的生命安全，影響孤島系統的電能質量。因此，研究孤島檢測的方法，及時發現孤島，將其產生的危害降到最低，具有重要的現實意義。隨著新能源的發展，分布式電源并網運行增多，孤島發生的可能性及對系統的影響越來越大。而大部分的分布式電源是通過逆變器并網的，因此，基于逆變器的孤島檢測受到重視。

1 傳統孤島檢測方法

目前，逆變器側的孤島檢測方法分為2類:被動檢測方法和主動檢測方法。被動檢測方法是通過監測電網斷電時公共連接點的端電壓幅值、相位、頻率、諧波是否出現異常來判斷是否產生孤島。它主要包括:電壓/頻率檢測法 VFD［2］(Voltage/Frequency Detection)、電壓諧波檢測法 HD［3］(Harmonics Detection)、電壓相位突變檢測法 PJD［4］(Phase Jump Detection)及關鍵電量變化率檢測法 CRDKP［5］(Change Rate Detection of Key Power)。被動檢測方法的不足之處是存在較大的檢測盲區。一般將被動法與主動法結合使用，應用于負載頻率變化不大且與逆變器的功率輸出不匹配的場合。當分布式發電系統的輸出功率與本地負載完全匹配時，電網斷電后系統端電壓幅值及相位、頻率無明顯變化，被動式檢測法無法準確地檢測出孤島狀態。主動檢測法的提出，解決了這個問題。主動檢測法是在逆變器的控制中加入擾動信號，并網運行時，由于大電網的鉗制，擾動信號對逆變器的影響很小;孤島發生時，逆變器輸出端的參數(電壓、相位、頻率)受擾動信號作用偏離正常值，當超出設定閾值時，逆變器停止并網運行。主動檢測方法主要包括特定頻率的阻抗測量法 SFIM［6］(Specific Frequency Impedance Measurement)、輸出功率擾動法 OPP［6］(Output Power Perturbation)、Sandia 電壓偏移法 SVS［7］(Sandia Voltage Shift)、主動頻率偏移法 AFD［8］(Active Frequency Drift)、滑模頻率漂移 SMS［9］(Slide － Mode Frequency Shift)及 Sandia 頻率偏移法 SFS［10］(Sandia Frequency Shift)等。對于主動檢測法，相應的檢測盲區(NDZ)有了較大的改善，孤島檢測的效率有一定提高，但由于引入了擾動，對系統的電能質量和暫態響應有一定的影響。在孤島檢測法研究中，應從投資成本、檢測盲區、檢測靈敏度及電能質量等方面出發，提出一種新型或改進的檢測方法，為電力系統針對產生的孤島采取相應的措施、減小孤島帶來的危害提供依據［11－12］。

基于此，本文提出了一種改進電壓有功正反饋主動檢測法，該方法在原有電壓有功正反饋基礎上引入頻率變化量，結合電壓、頻率這2個變量，加速有功擾動，從而減小檢測盲區、提高檢測靈敏度。

2 改進電壓有功正反饋檢測方法

2．1 試驗原理

孤島檢測電路如圖1所示，當斷路器S斷開，孤島形成，此時負載有功功率與電壓、無功功率與頻率的關系為

式中:VPCC為公共節點電壓;Pload為負載有功功率;Qload為無功功率;ω為電壓角頻率;C為電容。

圖1 孤島檢測電路圖

電壓有功正反饋的原理如圖2所示，當系統檢測到VPCC升高時，由于正反饋，逆變器輸出有功功率P增加，孤島狀態時，負載所需有功功率只需與逆變器輸出平衡，即Pload=P，則Pload相應增加，VPCC相應升高。依此循環，最終超出電壓越限檢測元件閾值，檢測出孤島。

圖2 電壓有功正電饋原理圖

在電力系統分析和控制中，為使數學模型簡化，常將abc坐標系的各參數變換到dq坐標系［13］。因此，本文將電壓有功正反饋與dq變換相結合，通過dq變換實現對Vd，Vq電壓的分離及有功電流Id和無功電流Iq的分離。由式(2)可知，負載電壓的變化也會影響1/ωL－ωC。即當有功功率不匹配時，負載電壓發生變化，如果此時電源提供的無功功率沒有發生變化，則系統角頻率將依據式(2)發生相應的變化。在設計中，如果保證斷網前、后負載無功功率不發生變化，由式(2)可以看出，電壓的變化和角頻率的變化趨勢相同，即電壓增大時，角頻率增大，電壓減小時，角頻率減小。因此，將頻率的變化引入正反饋環節可以加快逆變器有功輸出與負載有功功率的不匹配度，孤島檢測更靈敏。本文令無功電流的參考值Iqref為恒定值，用來平衡本地負載的無功功率，在斷網前、后，無功功率不發生變化;將Vd和ω作為正反饋加入的擾動量，經過增益環節與參考電流值Idref一起作為Id的參考量。改進電壓有功正反饋孤島檢測方案如圖3所示，其控制原理圖如圖4所示。

圖3 加入頻率變量的電壓有功正反饋檢測方案

2．2 仿真分析

本文用Matlab/Simulink對改進算法進行了仿真和試驗研究，采用電流特性控制的電壓源逆變器和諧振情況下的負載。由于在功率不匹配情況下效果比較明顯，本文不做研究，只針對功率匹配的情況進行仿真研究，0．3 s時斷路器斷開。仿真圖如圖5、圖6所示。

分析如下:

(1)加入未改進電壓有功正反饋時，0．40 s時電壓幅值達到最大值，最大值為2750V。

(2)加入改進電壓有功正反饋時，0．37 s時電壓幅值達到最大值，最大值為2955V。

試驗結果表明，與未改進電壓有功正反饋相比，改進的檢測方法檢測時間縮短，電壓幅值有所增大。

圖6 加入改進電壓有功正反饋后的電壓波形

3 結束語

與傳統的電壓有功正反饋檢測方法相比，改進的檢測方法由于在電壓擾動基礎上加入了頻率擾動，使檢測效果更加明顯。在以后的研究中，可以針對連續性擾動的情況進行改善，對系統進行間歇性擾動，從而減小對系統電能質量的影響。

［1］姚丹．分布式發電系統孤島效應的研究［D］．合肥:合肥工業大學，2006．

［2］Ye Zhihong，KolwalkarA，Zhang Yu，etal．Evaluation of Antiislanding Sehemes Based on Nondetection Zone Concept［J］．IEEE Trans on Power Eleetronies，2004，19(5):1171 －1176．

［3］郭小強，趙清林，鄔偉揚．光伏并網發電系統孤島檢測技術［J］．電工技術學報，2007，22(4):157 －162．

［4］張有兵，穆淼婕，翁國慶．分布式發電系統的孤島檢測方法研究［J］．電力系統保護與控制，2011，39(1):139－146．

［5］曾議，吳政球，劉楊華，等．分布式發電系統孤島檢測技術［J］．電力系統及其自動化學報，2009，21(3):106－110．

［6］程啟明，王映斐，程尹曼，等．分布式發電并網系統中孤島檢測方法的綜述研究［J］．電力系統保護與控制，2011，39(6):147 －154．

［7］Kobayashi H，Takigawa K，Hashimoto E，et al．Method for Preventing Islanding Phenomenon on Utility Grid with a Number of Small Scale PV Systems［C］//Proceedings of the 21st IEEE Photovoltaic Specialists Conference．Florida:IEEE，1990:695 －700．

［8］袁玲，鄭建勇，張先飛．光伏發電并網系統孤島檢測方法的分析與改進［J］．電力系統自動化，2007，31(21):72－75．

［9］Yu Yuma S，Lchinose T，Kimoto K，et al．A Highspeed Frequency ShiftMethod as a Protection for Islanding Phenomena of Utility Interactive PV Systems［J］．Solar Energy Materials and Solar Cells，1994，35(11):477 －486．

［10］曹海燕，田悅新．并網逆變器孤島控制技術［J］．電力系統保護與控制，2010，38(9):72 －75．

［11］殷桂梁，孫美玲，肖麗萍．分布式發電系統孤島檢測方法研究［J］．電子測量技術，2007，30(1):1 －6．

［12］郭柯，代璐，周林．分布式并網發電系統孤島檢測方法綜述［C］∥重慶市電機工程學會2010年學術會議論文集．重慶:重慶市電機工程學會，2010．

［13］魏明，康強．基于dq變換和正反饋的孤島效應檢測策略［J］．電測與儀表，2009，46(8):5 －7．