基于盲區判別的混合型孤島檢測方法

高蕾，蔣平，顧文，楊宏宇，唐一銘

（1.東南大學電氣工程學院，南京210096；2.江蘇方天電力技術有限公司，南京211102）

基于盲區判別的混合型孤島檢測方法

高蕾1，蔣平1，顧文2，楊宏宇2，唐一銘2

（1.東南大學電氣工程學院，南京210096；2.江蘇方天電力技術有限公司，南京211102）

孤島檢測是分布式發電系統并網逆變器必須具備的功能，針對被動型檢測方法盲區大及主動型方法對電能質量產生影響這兩個不足，提出了主被動結合的混合型孤島檢測方法。該方法分析并推導出被動型方法盲區判別式，在工頻周期內對系統運行狀態進行計算和盲區判別，判斷是否引入電流偏移實現Sandia頻率偏移法的孤島檢測。在被動型方法的盲區內引入Sandia頻率偏移法的混合型孤島檢測方法能有效地檢測出孤島狀態，實現無盲區檢測，也能較大地減小主動式方法對電網電能質量產生的影響。通過Matlab仿真驗證了該混合型方法的有效性。

分布式發電；盲區；判別；孤島檢測；Sandia頻率偏移

“孤島”是指公共電網停止供電后，分布式發電會給負載持續供電的狀態[1]。非計劃孤島運行可能會對用戶和配電設備造成十分嚴重的損害，因此孤島檢測是其必備的重要功能。

目前國內外研究孤島檢測方法主要包括兩類：本地孤島檢測法和基于遠程通訊的孤島檢測法。基于遠程通訊的檢測法利用電力載波通信技術在電網側檢測，檢測的可靠性高但設備投資大[2]。本地孤島檢測法即為基于逆變器的檢測方法，分為被動型和主動型兩種。被動型通過檢測孤島形成前后公共耦合點PCC（pointof common coupling）的電氣量發生的變化來實現，包括分布式發電系統一般都具備的過/欠電壓保護O/UVP（over/under voltage protection）及過/欠頻率保護O/UFP（over/under fre? quency protection）。文獻[3]表明被動型檢測存在檢測盲區大的不足；但在實際并網運行時，O/UVP及O/UFP不能檢測的孤島情況較少。主動型檢測方法包括主動頻率偏移法、SFS法、滑膜頻率偏移法及電壓反饋法等。這類方法通過對分布式電源的輸出注入一個擾動，監測系統響應的變化量來判斷孤島是否發生。文獻[4]提出了相位正弦擾動法，提高了輸出功率因數；文獻[5]利用分段函數改進頻率偏移法，降低電流諧波失真度；文獻[6]指出了主動型方法與被動型相比，盲區可極大地減小甚至消除，但會對電網的電能質量產生影響。

針對上述不足，本文提出一種基于盲區判別的主被動混合孤島檢測方法，該方法通過對O/UVP和O/UFP進行盲區分析，推導出判別式；對系統運行狀態進行實時盲區判別，以選擇合適的檢測方法，在被動式方法的盲區內采用SFS型的主動式方法，保證無盲區檢測并減小對電網電能質量的影響。

1 O/UVP及O/UFP的盲區分析

圖1為分布式發電系統接入電網的示意，分布式發電系統采用恒定電流源輸出的控制方式。當電網斷開，分布式發電系統會繼續給負載RLC供電。

如圖1所示，假設DG的輸出功率為P+j Q，電網供應的功率為ΔP+jΔQ，所以RLC負載吸收的功率為Pload+j Qload，其中Pload=P+ΔP，Qload=Q+ΔQ；由于分布式發電系統輸出無功較小，可近似Q≈0，DG的輸出電流為。

采用分布式發電系統一般都具備的O/UVP和O/UFP為被動型孤島檢測方法。O/UVP檢測是通過檢測并網點PCC的電壓幅度并與規定的電壓限值相比較來實現。因電網斷開瞬間阻抗變化小于0.5%[3]，故電網斷開后的并網點的電壓幅度變為

當PCC點的新的電壓幅值保持在電壓限值以內時，O/UVP將不能起作用，所以對于恒電流控制的DG的O/UVP的盲區為

式中：Umax為電壓閾值的上限；Umin為電壓閾值的下限；由標準GB/T19939—2005[7]可知，正常的電壓范圍為88%～110%，即，將此電壓范圍帶入式（2）中可以得到O/UVP的盲區為

O/UFP檢測是通過檢測PCC點的頻率值并與規定的頻率閾值相比較。如圖1所示，在電網斷開前RLC負載吸收的有功和無功為

在電網斷開后，為了保持單位功率因數，在逆變器鎖相環的作用下，PCC點電壓的頻率將會變為RLC負載諧振頻率。將式（5）和式（4）相除，可得到

式中：fmin為電壓閾值的下限；fmax為電壓閾值的上限；正常的頻率范圍為49.5 Hz～50.5 Hz，即；當PCC點的電壓頻率沒有超過閾值時，O/UFP不能動作。由于Qf≤2.5，取Qf=2.5，此時O/UFP的盲區為

聯立式（3）和式（8），得到被動型檢測方法O/UVP和O/UFP的盲區判別式為

根據式（9）確定的被動式檢測方法的盲區分布如圖2所示。

2 SFS的原理及參數選擇

主動式孤島檢測法采用SFS法，通過并網逆變器向電網注入略微變形的電流。在并網運行時，系統的頻率會保持不變；在電網斷開時，運用正反饋使電壓的頻率因電流波形的變形發生持續偏移，從而判斷孤島的發生。文獻[8]通過參數設計消除了SFS的盲區，本文采用此種改進參數的SFS法，斬波系數定義為

式中：cfk為第k個周期的斬波系數值；cf0稱為初始斬波系數，是ua與電網電壓沒有頻率偏差時斬波系數的大小；K為正反饋增益；fg為電網電壓額定頻率；fk為第k個周期的電壓頻率。

與主動式頻率偏移法相比，SFS的斬波系數不是一個常量，而是一個與頻率偏移線性相關的量，頻率越大，斬波系數就越大，從而使輸出電流的偏移增大，這個就形成了正反饋的過程。SFS法的相位偏移為

而負載的相位角為

式中：f為孤島時頻率；f0為負載諧振的頻率；Qf為負載的品質因數。

在SFS方法中，將上述兩個相位角相等得出盲區判別式。若要保證孤島檢測即盲區的消除，對所有的負載方案下，兩式相等都是一個不穩定的運行點，此條件可表示為

選擇參數K可保證頻率能夠偏離O/UFP閾值以外，將式（11）和式（12）代入，并假設f=f0，可得

當滿足此條件時，SFS方法的盲區將為零。已知Qf≤2.5，f0約等于電網頻率，可推出K＞0.063 7，取K=0.07時，即可近似認為此時SFS法無盲區。

3 主被動結合的混合孤島檢測方法

3.1 盲區判別方法

此種混合型孤島檢測方法即由系統中運行狀態，根據被動型方法的盲區判別式判斷是否處于盲區內，從而選擇檢測方法。式（9）為被動型方法的盲區判別式，判別所需量包括分布式發電系統的輸出功率P，負載吸收的有功功率P+ΔP及無功功率ΔQ。對于光伏系統，P可用通過逆變器的輸出電流和電壓計算可得，其余量為

式中：U為系統中PCC點電壓的有效值；Iload為流入負載電流的有效值；Δθ為并網點電壓和負載電流的相位差。

U和Iload的測量運用數字化原理，根據采樣定理進行等間隔采樣，通過對獲得的時間離散信號序列進行數值積分求有效值。兩信號間的相位差為Δθ，測量采用數字相關原理的相位差測量方法[9]。

由測量可得U、Iload和Δθ計算出P+ΔP及無功功率ΔQ，代入式（9）進行盲區判別，選擇孤島檢測方法。

3.2 混合型孤島檢測方法的流程圖

在通常情況下，分布式發電的輸出功率同負載消耗功率的匹配度高的可能性很小，被動型檢測方法能成功動作；在特殊的負載條件下，則需要主動型的方法檢測判斷。若采用混合型孤島檢測方法，在每個工頻周期的過零點對系統測量的關鍵量計算分析并盲區判別，由負載參數實時選擇檢測方法。若在盲區外即采用被動型檢測方法；若處于被動型方法的盲區內，即轉換成SFS主動型檢測方法，此時逆變器輸出略有變形的電流，從而正確檢測出孤島狀態。其算法流程如圖3所示。

4 仿真及分析

本文采用Matlab/Simulink對所提出的方法進行仿真驗證。仿真模型如圖1所示，仿真參數如下：并網光伏系統的額定輸出功率為5 kW；電網電壓為220 V，頻率為50Hz。選擇不同的負載條件進行仿真，測試負載參數設置如表1所示。

對于第1、2種負載參數情況，經盲區判別式判斷，在被動型檢測方法的盲區外，即選擇被動型檢測方法，通過O/UVP、O/UFP檢測出孤島發生。以第2種情況的仿真結果為例，仿真設置電網在0.1 s的時候斷開，如圖4所示，圖4（a）為并網點電流波形，檢測到的電流波形為無變形的正弦波；圖4（b）為電壓信號的頻率變化曲線，穩定的頻率為負載達到的諧振頻率；圖4（c）為輸出的孤島檢測信號，0表示正常運行情況，1表示檢測出孤島發生，如圖在0.16 s左右成功檢測出孤島發生。此種情況下，孤島檢測的裝置并未對并網的電流質量產生影響。

對于第3種負載情況，經判別在被動型檢測方法的盲區內，即并網點的電壓及頻率都未超出閾值，被動型檢測方法不能成功動作。若沒有跳轉成主動型孤島檢測方法，僅采用被動型的方法，其仿真運行情況如圖5所示，圖5（a）為電壓頻率波形，穩定于當前負載的諧振頻率，圖5（b）為孤島判斷信號的變化曲線，圖示中孤島識別信號一直為0，未變為1，被動型檢測方法在電網斷開后的0.5 s內仍未檢測出孤島。

若采用本文的混合型檢測方法，由于經過盲區判別，會轉換成SFS孤島檢測方法。對并網點的電流波形加入偏移，得到的仿真波形如圖6所示。圖6（a）為SFS方法下的電壓頻率信號波形；圖6（b）為SFS方法下孤島判斷信號變化曲線。盡管穩定的諧振頻率未超過閾值，但引入的頻率偏差由于正反饋的作用會持續增大，從而使頻率值超過閾值，觸發孤島判斷信號的變化，成功檢測出孤島的發生。

為便于觀察，設置SFS法的cf0=0.1，K=0.1，在0.08 s時負載跳轉成情況3，此時為一個工頻周期的起點，進行一次盲區判別，由圖中可知在0.09 s時已轉為SFS檢測方法，電流波形加入偏移，電網在0.1 s斷開，約在0.18 s成功檢測出孤島，檢測時間符合要求。電流波形如圖6（c）所示，加入盲區判別，僅在負載變化為被動型方法不能檢測時，給電流加入偏移，其他情況為正弦波形的電流，減小了對電能質量的影響。

5 結語

本文對O/UVP和O/UFP法的盲區進行了分析和推導，研究了基于參數選擇的無盲區SFS法，在此基礎上提出了一種基于被動型盲區判別的混合型孤島檢測方法。通過系統狀態相關量計算并進行盲區判別，在被動型方法不能成功檢測的情況下切換成SFS的檢測方法，實現主被動結合的混合型檢測。該算法實現簡單，通過仿真實驗驗證了該方法的有效性，且結合了被動型和主動型方法兩者的特點，在檢測無盲區的基礎上極大地減小孤島檢測方法對電能質量的影響。

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A Hybrid Islanding Detection M ethod Based on Discrim ination of Non-detection Zone

GAO Lei1，JIANGPing1，GUWen2，YANGHongyu2，TANGYiming2
（1.Schoolof Electrical Engineering，SoutheastUniversity，Nanjing 210096，China；2.Jiangsu Frontier Electric TechnologiesCo.，Ltd.，Nanjing211102，China）

Islanding detection isan important function of distributed generation（DG）system with connected converter．To solve the problem of largenon-detection zone（NDZ）ofpassivemethodsand obviouseffectofactivemethodson pow?er quality，a new hybrid method is proposed by combining the passive and activemethods.The NDZ criterion is ana?lyzed and derived with passivemethods，and Sandia frequency shift（SFS）method is introduced based on the detection criterion by calculating the data from the operation system within one frequency cycle．By combining the passivemeth?od and SFS，the hybrid method has the advantage of realizing detection without NDZ and less effect on power quality due to the activemethod．The simulation results in MATLB verify the effectivenessof the hybridmethod．

distributed generation（DG）；non-detection zone（NDZ）；discrimination；islanding detection；Sandia fre?quency shift（SFS）

TM615

A

1003-8930（2017）03-0074-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.012

高蕾（1991—），女，碩士研究生，研究方向為可再生能源在電力系統中應用。Email：gaolei132@126.com

2015-05-04；

2016-04-28

蔣平（1954—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力系統運行控制。Email：jping@seu.edu.cn

顧文（1969—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電廠及新能源技術監督和試驗。Email：wengu@sina.com