一種結合相位突變和頻率擾動的孤島檢測方法

黨 克 楊富磊 侯少帥 嚴干貴

(東北電力大學電氣工程學院,吉林 吉林 132012)

隨著分布式發電(Distribute Generation,DG)系統的迅猛發展，可能出現的孤島效應問題越來越受到人們的關注[1]。孤島效應是指當主電網由于電氣故障或其他人為因素中斷供電時，各并網系統沒有檢測到停電狀態而將自身切離繼續供電，形成不可控的自給供電現象[2]。一旦孤島效應發生，將威脅相關人員的安全，同時影響系統中保護開關的動作，使電網的保護裝置受到沖擊，影響電能質量[3]。因此，DG并網系統需要具備孤島檢測功能。

近年來，出現了多種孤島檢測方法，可分為遠程檢測法和本地檢測法[4,5]，遠程檢測法是在電網側對孤島進行檢測；本地檢測法是并網逆變器側的檢測，包括被動檢測和主動檢測。遠程檢測能夠有效地檢測孤島的發生，但最大的缺陷是需要增加設備，經濟投入較大。被動檢測原理簡單、容易實現、經濟性好，且對電能質量影響小，但存在較大的檢測盲區。主動檢測利用注入電網的擾動所引起的電壓或頻率的變化對孤島進行檢測，擾動的引入減小了盲區，但同時不同程度地影響了電能質量。李國洪和羅秦提出了基于電力線載波通信的嵌入式電力數據檢測系統，具有準確性、實時性和可靠性，但設備投入成本較大[6]。楊海柱和金新民提出了一種基于頻率的擾動法，易于實現、檢測盲區小，但對電能質量影響較大[7]。宋澤琳等提出了一種基于FPGA的電力系統諧波檢測算法，在一定程度上遏制了諧波，但其算法復雜、不易實現[8]。筆者基于對相位突變和頻率擾動的分析[9]，將相位突變法與改進型頻率擾動法相結合：當負載與逆變器輸出功率不匹配時，采用相位突變法；當孤島功率自平衡時，采用頻率擾動法，以消除檢測盲區，并提高其可靠性。

1 孤島檢測分析①

孤島檢測電路如圖1所示，負載采用RLC并聯方式，P、Q分別為分布式電源輸出的有功和無功功率；PL、QL分別為負載的有功和無功功率；ΔP、ΔQ分別為負載從電網獲得的有功和無功功率。

圖1 孤島檢測電路

逆變器并網工作時:

(1)

(2)

逆變器斷網工作時:

(3)

(4)

聯立式(1)、(3)可得：

U′2-U2=RΔP

(5)

聯立式(2)、(4)可得：

(w-w′)(1+ww′LC)=ww′LΔQ/U2

(6)

若ΔP=0，則輸出電壓的幅值不變；若ΔQ=0，則輸出電壓的頻率不變。因此，當分布式電源輸出功率與負載功率相差很大時，孤島容易被檢測；當兩者功率接近時，孤島檢測存在盲區。

2 結合相位突變和頻率擾動的孤島檢測方法

2.1 相位突變檢測法

相位突變檢測是通過檢測DG逆變器輸出端電壓與電流的相位差來判斷孤島的[10]。DG并網運行時，其輸出電流與電壓同頻同相；電網斷開后，逆變器輸出端電壓相位將發生跳變。相位跳變的大小取決于負載的阻抗角，由于負載采用RLC并聯電路等效，因此相位差可表示為：

(7)

由式(3)、(4)可得，負載等效電抗XLC為：

(8)

因此有：

(9)

若DG工作于單位功率因數，其輸出無功功率為0，則式(9)可表示為：

(10)

即當分布式發電孤島運行時，相位角的變化和逆變器輸出功率有關。當相位變化超出一定范圍時就能檢測出孤島。優點是算法簡單，易于實現；缺點是當孤島內部功率平衡時，相位差無變化，無法檢測。

2.2 改進型頻率擾動檢測法

頻率擾動檢測是通過向并網電流Iinv注入微小擾動，使電網斷開時并網電壓Up的頻率偏移，從而利用過/欠頻保護(Over-Frequency/Under-Frequency Protection,OUF)來檢測孤島[11]。通過給并網電流加入一個死區時間Tz來改變波形(圖2)。

圖2 頻率擾動方案并網電流波形

斬波因數cf定義為：

(11)

式中Tgrid——電網電壓周期；

Tz——死區時間。

穩態下逆變器輸出電流和相位的參考值為：

(12)

(13)

并網時，逆變器電流和PCC處電壓同頻同向，孤島產生后，PCC處電壓頻率將會發生波動直到產生新的平衡，穩態頻率使負載相角滿足：

(14)

式(14)為相角判據，一旦滿足，系統就不再調整Iinv的頻率，若在調整過程中，頻率超過設定的閥值，即可檢測出孤島[8]。

在傳統頻率擾動法的基礎上進行改進，即在每個周期的第二和第四個四分之一周期對并網電流進行擾動，使其不是一個標準的正弦波。具體的擾動方式是在原電流值的基礎上增加或減少一個擾動信號，即：

(15)

式中K——擾動系數；

I——幅值；

w——角頻率。

對其進行傅里葉變換，得到一次系數a1、b1分別為：

(16)

則基波幅值I1和相位φ1為：

(17)

(18)

所以加入擾動信號引起的并網逆變器輸出無功功率和有功功率比值與擾動系數相關，K越大主網斷開后擾動系數引起的系統頻率偏移也越大，孤島檢測更加容易。

結合相位突變測和改進型頻率擾動的孤島檢測流程如圖3所示。

圖3 結合法孤島檢測流程

3 仿真分析

根據上述孤島檢測原理，在Matlab/Simulink環境下搭建模型(圖4)進行分析，具體仿真參數為：分布式電源用直流源代替，輸出功率3kW；電網電壓有效值220V，頻率50Hz；負載R=16.13Ω，L=20.55mH，C=493.12μF。

圖4 孤島檢測仿真模型

仿真總時長為2s，1s時斷開主網。由圖5a、b可知，單獨使用相位突變法，當負載與逆變器輸出功率不匹配時，易檢測到孤島；當功率匹配時，PCC處的電壓和電流變化不大，孤島檢測失敗。由圖5c、d可知，采用相位突變與頻率擾動相結合的檢測方法時，無論功率是否匹配都能檢測到孤島，在1.0s時主網斷開后，1.1s時并網電流開始為零，檢測到孤島，檢測時間為5個工頻周期。

圖5 仿真波形

4 結束語

筆者提出了結合相位突變和改進型頻率擾動的孤島檢測方法，當分布式電源和負載功率不匹配時，相位突變檢測方法能很快檢測出孤島；當功率匹配時，通過施加頻率擾動，使公共點電壓產生波動并超出頻率正常值從而檢測出孤島。該方法消除了傳統孤島檢測方法的檢測盲區，仿真結果也驗證了此方法的有效性，對分布式發電并網具有重要的指導意義。

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[5] 薛家祥,陳振升,沈棟,等.基于無線傳感網絡的微逆變器監控系統[J].自動化與儀表,2014,(7):26～30.

[6] 李國洪,羅秦.基于電力線載波通信的嵌入式電力數據監測系統[J].化工自動化及儀表,2014,41(12):1377～1379.

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[8] 宋澤琳,鄭恩讓,馬令坤.基于FPGA的電力系統諧波檢測算法研究及實現[J].化工自動化及儀表,2011,38(6):713～717.

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[10] 劉方銳,余蜜,張宇,等.主動移頻法在光伏并網逆變器并聯運行下的孤島檢測機理研究[J].中國電機工程學報,2009,29(12):47～51.

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