利用閉鎖濾波裝置的孤島檢測方案

朱時雨

(國家電網(wǎng)有限公司東北分部，遼寧 沈陽 110181)

1 電力系統(tǒng)微網(wǎng)中的孤島效應

在電力系統(tǒng)中，微網(wǎng)由微電源、電力電子裝置、儲能系統(tǒng)及負荷等構成，微網(wǎng)與配電網(wǎng)絡通過隔離開關并列運行[1-2]。微電源供應能源、電力電子裝置實現(xiàn)電能轉化與系統(tǒng)調(diào)節(jié)、儲能系統(tǒng)保證了非正常情況下電力負荷的正常用電。當電網(wǎng)發(fā)生故障或計劃檢修等原因非正常運行時，微電源系統(tǒng)持續(xù)向本地負載提供有功和無功功率的現(xiàn)象，被稱為孤島效應[3]。孤島的發(fā)生形成了一個自給自足的供電網(wǎng)絡，圖1虛線內(nèi)網(wǎng)絡即為孤島網(wǎng)絡。

圖1 孤島效應網(wǎng)絡結構

孤島效應的危害主要體現(xiàn)在兩個方面：一是當孤島系統(tǒng)被重新接入配電網(wǎng)絡時，重合閘裝置的非同期合閘會產(chǎn)生較大的沖擊電流，沖擊電流會對電網(wǎng)中的電氣設備產(chǎn)生巨大危害；二是由于孤島效應的存在，會對電網(wǎng)維修工作人員的生命安全帶來嚴重危脅。

2 孤島檢測方案

目前，主要的孤島檢測方法大致分為兩大類：被動式孤島檢測法與主動式孤島檢測法[4-5]。

2.1 被動式孤島檢測方案

a.過/欠電壓、過/欠頻率孤島檢測方案

過/欠電壓孤島檢測方案是通過監(jiān)測孤島系統(tǒng)中有功功率與負載需求有功功率不匹配時產(chǎn)生的電壓幅值變化來完成孤島檢測，過/欠頻率孤島檢測方案是通過監(jiān)測孤島系統(tǒng)中無功功率與負載需求無功功率不匹配時產(chǎn)生的頻率變化來完成孤島檢測[6-7]。過/欠電壓、過/欠頻率孤島檢測方案的優(yōu)勢在于經(jīng)濟性好，對電能質(zhì)量無干擾性，但最大缺點是檢測盲區(qū)過大。

b.相位跳變檢測方案

分布式電源并網(wǎng)逆變器的端電壓相位在孤島效應產(chǎn)生時會由于失去電網(wǎng)控制而發(fā)生躍變，通過監(jiān)測該相位變化情況即可判斷孤島情況發(fā)生與否。相位跳變檢測方案的實用性較強，但目前確定一個可靠而廣泛適用的閾值來作為判斷依據(jù)是該方案的一個難點。

2.2 主動式孤島檢測方案

a.主動頻移孤島檢測方案

該方案核心思想是對并列運行的配電網(wǎng)注入連續(xù)略微形變的電流，導致系統(tǒng)形成一個持續(xù)變化的頻率，通過檢測頻率的偏移而達到孤島檢測的目的[7]。如圖2所示的方法是利用插入死區(qū)的方式等效注入略微畸變的電流。

圖2中，iinv為并網(wǎng)逆變器輸出電流；Tu為電壓周期；tz為死區(qū)時間。

圖2 利用主動頻移孤島檢測方案的電流波形

該方法有較好的實踐性，同時克服了被動檢測法盲區(qū)大的缺點，但其畸變的電流會導致系統(tǒng)電能質(zhì)量下降。

b.阻抗測量孤島檢測方案

正常情況下，將電網(wǎng)等效成電壓源，此時公共耦合點處的阻抗特性是小阻抗特性；當孤島形成時，公共耦合點處為負載阻抗，此時公共耦合點處的阻抗特性是高阻抗特性[8]。其具體實現(xiàn)方法為初次檢測公共耦合點處的電壓和電流，完畢后施加擾動，然后檢測該時刻的公共耦合點處的電壓和電流，最后用第2次的測量值與第1次的測量值做差，利用其差值得到所需擾動信號的電壓、電流值，各個頻率處的阻抗值可以由式(1)得出：

式中:F代表傅里葉變換。

該方法優(yōu)點是可以快速得到測量結果，但對采樣和數(shù)字處理環(huán)節(jié)要求較高，同時當多個光伏并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運行時，檢測信號會相互干擾，造成誤差。

3 基于閉鎖濾波裝置的微網(wǎng)孤島檢測方案

3.1 方案原理

分布式電源會向電網(wǎng)注入大量諧波，為防止諧波干擾用電設備正常運行，微網(wǎng)系統(tǒng)在分布式電源輸入端會配置濾波裝置。本方案利用閉鎖濾波裝置這一操作，來實現(xiàn)微網(wǎng)的孤島檢測。

圖3為本方案原理示意圖。圖3模擬T(T≥1)條負荷支路的分布式電源微網(wǎng)結構。圖3中濾波裝置外設一個判斷控制系統(tǒng)，當判斷控制系統(tǒng)發(fā)出正常信號時，分布式電源輸出的電氣量經(jīng)過濾波裝置濾波后進入微網(wǎng)，此時濾波裝置正常運行；當判斷控制系統(tǒng)發(fā)出閉鎖信號時，濾波裝置停止工作，分布式電源輸出的電氣量不經(jīng)過濾波裝置直接進入微網(wǎng)，此時分布式點電源會將大量諧波注入電網(wǎng)。當微網(wǎng)正常運行時，由于電網(wǎng)的鉗制作用，濾波裝置是否正常運行，其公共耦合點(PCC點)的電壓諧波畸變率變化不大。當發(fā)生孤島現(xiàn)象時，情況會發(fā)生不同，在濾波裝置正常運行情況下，分布式電源輸出的電氣量在濾波裝置的作用下被有效過濾，因此諧波含量較少，這時PCC點的電壓諧波畸變率變化微小。在濾波裝置閉鎖情況下，由于缺少濾波環(huán)節(jié)，大量諧波被注入，將導致PCC點的電壓諧波畸變率大于濾波裝置正常運行的情況。

圖3 基于閉鎖濾波裝置的微網(wǎng)孤島檢測原理

經(jīng)過以上分析，將濾波裝置間歇性閉鎖，通過比較濾波裝置正常情況與閉鎖情況下PCC點電壓諧波畸變率的數(shù)值大小，就可以判斷出系統(tǒng)是否發(fā)生了孤島現(xiàn)象。本文根據(jù)IEEE Std.929—2000及GB/T 19939—2005《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術要求》的規(guī)定，并結合實際工程運行經(jīng)驗，將PCC點電壓諧波畸變率的閾值設定為5%，即當濾波裝置閉鎖前后PCC點電壓諧波畸變率大于5%，并持續(xù)時間超過0.5 s，判定系統(tǒng)發(fā)生孤島狀態(tài)；反之判定為非孤島狀態(tài)。

同時，考慮到頻繁閉鎖濾波裝置不但會影響系統(tǒng)的電能質(zhì)量，而且也會造成濾波裝置的損耗。因此本文將判斷控制系統(tǒng)設計為規(guī)定時限內(nèi)頻率偏差值與PCC點近側電流有效值的“或”邏輯結構，以使濾波裝置的閉鎖次數(shù)合理化，具體判斷控制系統(tǒng)邏輯實現(xiàn)敘述如下：ft為規(guī)定時限內(nèi)系統(tǒng)前后2個時間點的頻率差值(根據(jù)GB/T 15945—2008《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率偏差》規(guī)定，設置頻率偏差允許值為±0.2 Hz)，I1、I2、I3、…、IT為PCC點近側電流有效值(T為支路數(shù))，那么當ft的絕對值大于0.2 Hz或I1×I2×I3×…×IT=0時，判定系統(tǒng)為不正常運行狀態(tài)，此時判斷控制系統(tǒng)發(fā)出閉鎖指令閉鎖濾波裝置。反之判定為系統(tǒng)正常狀態(tài)，濾波裝置正常運行。孤島檢查流程如圖4所示。

圖4 基于閉鎖濾波裝置的微網(wǎng)孤島檢測方案流程

3.2 方案仿真分析

本文使用Matlab實現(xiàn)檢驗仿真分析。試驗參數(shù)如下。

電源系統(tǒng)：線電壓為380 V，容量無限大，頻率為50 Hz，線路阻抗R0=0.1 Ω，L0=0.01 H。

分布式系統(tǒng)參數(shù)：容量為50 kW，開關頻率為2000 Hz。

負載系統(tǒng)：R=50 Ω，L=0.08 H。

濾波裝置參數(shù)：Lf=0.15 mH，Lg=0.075 mH，Cf=190 μF，阻尼電阻為0.5 Ω。

a.發(fā)生孤島情況仿真分析

本文設置仿真系統(tǒng)運行時間為3 s，在1.5 s發(fā)生孤島情況，仿真情況具體說明如下。

如圖5所示，在系統(tǒng)正常運行情況下，系統(tǒng)PCC點電壓諧波畸變率為0.23%，符合國家標準。當系統(tǒng)發(fā)生孤島情況后，系統(tǒng)PCC點電壓諧波畸變率上升為6.63%，超過設定閾值1.63%，根據(jù)分析可知，基于閉鎖濾波裝置的微網(wǎng)孤島檢測方案可以正確有效完成孤島檢測。

圖5 1.5 s孤島發(fā)生前后PCC點電壓諧波畸變率

b.偽孤島情況仿真分析

為防止本方案對偽孤島情況的誤判，本文利用該仿真模型，對系統(tǒng)發(fā)生三相故障、相間故障以及單相接地故障進行模擬，模擬系統(tǒng)運行時間為3 s，1.2 s發(fā)生上述故障情況，在1.6 s恢復系統(tǒng)正常運行狀態(tài)。

由圖6所示，當系統(tǒng)發(fā)生三相故障及故障切除時刻，PCC點電壓諧波畸變率會發(fā)生突變，且變化量約為本文設定的5%閾值，但其保持時間小于本文設定的0.5 s，因此本方案可以完美地防止偽孤島情況的誤判。由表1可知，對于不同的故障類型，該方案均可避免偽孤島情況的誤判。

表1 不同故障類型情況故障期間PCC點電壓諧波畸變率數(shù)值 單位：%

圖6 發(fā)生三相故障前后PCC點電壓諧波畸變率

4 結語

基于閉鎖濾波裝置的微網(wǎng)孤島檢測方案，其原理是通過檢測比較閉鎖濾波裝置前后公共耦合點電壓諧波畸變率變化情況，從而判斷是否發(fā)生孤島效應，經(jīng)理論分析以及Matlab仿真，驗證了本文提出方法具備可操作性。