孤網檢測方法優化及參數設置

齊智善 苑 舜 蔡志遠

（沈陽工業大學 電氣工程學院，沈陽 110870）

孤網檢測方法優化及參數設置

齊智善 苑 舜 蔡志遠

（沈陽工業大學 電氣工程學院，沈陽 110870）

孤網檢測技術是微電網在特定情況下由并網運行模式向孤網模式轉換的必不可少的前提條件。本文主要結合兩種不同檢測方法進行孤網檢測，兩種方法互相補充，互相完善，并進行系數優化，提高了孤島檢測技術的準確性、快速性，提高了設備的安全性和供電可靠性。

孤網檢測方法 優化 參數設置

引言

隨著電網的不斷發展，人們對電網的需求不斷升高，微電網已成為電網發展的趨勢。分布式能源的不斷加入，對電力系統的設計提出了更高的保護需求，通常稱之為“解列保護”。當電網出現故障時，需要形成孤網，以自動將大電網與孤網分離[1]。當大電網與分布式發電設備分離時，會出現一個繼續給負荷供電的“孤島”，但其存在一定的危險性：①當電壓頻率偏差較大時，負荷需要降容運行，影響正常運行；②當斷開后，孤網與大電網之間的相位存在差異；③危及人生安全。因此，對PCC的檢測尤為重要，必須及時準確檢驗出孤島運行。

1 孤島檢測方法描述

傳統的孤島檢測分為主動檢測、被動檢測、通信檢測。被動檢測分為電壓閥值和頻率閥值保護、檢測諧波電壓、檢測相位突變、電壓偏差和頻率偏差。主動檢測包括阻抗檢測法、SMS、SFS、SVS、ADF、頻率突變法和阻抗插入法。通信方法包括采用通信手段、切斷電路產生信號、SCADA。本文采用被動檢測與主動檢測結合的方法，用頻率偏差與Sandia頻率檢測法互相補充，進行孤島檢測。被動的頻率偏差法是測量連接點頻率的變化，當變化程度超過極限值時，就會觸發繼電器的動作，但會因大負荷的啟動而觸發。Sandia頻率檢測法主要利用頻率的變化，該方法會加速偏離，從而檢驗出孤島效應[2]。

2 孤島檢測方法分析

2.1 首次檢測

在研究孤島檢測時，通常采用并聯RCL電路模擬本地負載，如圖1所示，PCC為公共耦合點。

圖1 孤島檢測仿真電路

首先進行節約成本、容易實現、原理簡單的被動頻率偏差檢測。利用檢測公共耦合點PCC的頻率，來判定系統是否發生孤島效應，當發生孤島效應時，逆變器發出的輸出功率與本地負荷頻率不一樣，且與原頻率都發生改變。若頻率變化超出設定的閾值，則可能發生孤島效應。一旦檢驗到頻率超過正常范圍，則斷定發生孤島效應，與大電網切開進行孤島運行[3]。

2.2 二次檢測

2.2.1 檢測描述

對于第一次檢測，當微電網中的本地負荷與各分布式電源輸出的功率接近匹配時，頻率變化較小，致使NDA較大，對孤島檢測存在隱患[4]。對上述現象，可進行二次檢測，利用主動檢測Sandia頻率檢測法。SFS孤島檢測與帶線性正反饋AFD方案不同的是初始頻率不同，可明顯改變并網系統輸出電流諧波水平[5]。SFS是AFD的擴展，對DSP控制并網的逆變器而言，SFS易于實現。它通過正反饋逆變方法應用于逆變器輸出電壓頻率，加大頻率差異。其工作過程通過檢測逆變器輸出電壓頻率，進而控制并網電流頻率，使其滿足公式（1）：

式（1）中，fi(n+1)為第n+1周期的逆變器輸出電流頻率設定值；Ks為第n周期的電網電壓監測頻率；ks為頻移系數；f0為電網電壓經低通濾波器后的濾波頻率[6]。

2.2.2 參數設計

由上述分析可知，孤島發生時，系統會自動跟蹤fr。設計ks時，必須考慮fr落在安全帶內時也能通過合適的正負頻移順利實現孤島檢測，同時也要考慮ks取值過大會向電網注入大量諧波。在此，主要討論在保障電能質量基礎上能順利檢測出孤島[7]。孤島后第n+1個周期，此時逆變器輸出電流頻率為fi(n+1)。由負載引入的?可用時間量ΔT表示為公式（2）。

正頻移時，由逆變器輸出周期關系可得出公式（3）。

聯立式（1），（2）和式（3）可得式（4）。

為消除落在安全帶內的fr，fr必須保證在系統到達fr后能繼續進行正向頻移。應滿足公式（5）。

聯立式（1），（4）和式（5）可得公式（6）。

但是，ks的取值不僅要保證與fr跟蹤趨勢相反，且必須保證系統頻率在最大保護時間內要跳出頻率安全帶，進行孤島保護[8]。這個可應用AFDPF的控制思路，孤島后可在每個電壓監測周期加入一定量的擾動頻率fc，確保能在較短時間內檢測出孤島。能維持正頻移的限制條件為（7）。

fc影響時間Δt由具體孤島檢測時間要求決定，通常為微秒級，由式（8）可知，對于給定品質因數，ks的最小值由實際頻率fu(n)決定。Qf=2.5時，可作出ks最小取值曲線。

與期望的一樣，保護頻率帶增加，則ks最小取值減小，而在50Hz時，ks的值趨于無限，對于實際工況（保護頻帶寬為±0.5Hz），ks取3即可。

當電網存在時，逆變輸出端電壓頻率，此時頻移加速被抑制。當電網斷電后，逆變器輸出端電壓頻率為：

又可推得：

由式（10）可見，孤島時，逆變器輸出交流電壓頻率fu(n+1)通過ks加速偏移，很快進行頻率保護，保證了反孤島的發生。

3 仿真實驗

圖2 K=5仿真結果

圖3 輸出電流實驗波形

應用軟件PSCAD/EMTDC構建仿真模式，對孤島檢測進行驗證。根據IEEE Std，按上述模擬RCL電路，選擇數據：R=6，L=7.5mH，C=1300，頻率為50Hz。經過IEEE標準選擇K，范圍為3～5為最佳。應用上述K選取法則，實現無NDA。

由仿真結果可知，在最差情況下，引用SFS方案作用后，約3個周期可檢測到孤島的發生，滿足IEEE Std 929～2000的規定[9]。

在CTM-2KS上把傳統ADF與上述SFS方案進行對比，通過XINT1引腳的電網電壓零相位信號和采樣電網電壓信號來防止孤島現象。

電壓斷開后，通過SFS主動式反孤島算法，能及時檢測出孤島效應，進而下一步動作，最終逆變器輸出電流為零，較好地實現的反孤島效應，如圖3所示[10]。

4 結論

孤網檢測技術是微電網在特定情況下由并網運行模式到孤島運行模式轉化必不可少的前提條件，提出易于DSP算法實現的Sandia頻率檢測法，實現了無盲區孤島檢測方案。通過兩種不同方法的結合，快速經濟檢驗孤島現象。

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Optimization and Parameter Setting of the Detection Method for the Single Network

QI Zhishan,YUAN Shun,CAI Zhiyuan
(College of electrical engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870)

The detection technology is the essential prerequisite for the trans formation from the grid operation m ode to the network mode in the s pecific cas e of the m icrogrid. In this paper, two different detection methods are combined with methods, the two methods complement each other, improve each other, improve the accuracy and speed of the island detection technology, improve the safety and reliability of the equipment.

detection method, optimization parameters, setting of the arc