基于組合決策的孤島檢測技術在微電網中的應用

蔣燕，張艷，張祖麗，張繼紅，張玉瓊

(1.重慶電力高等專科學校，重慶400053；2.青海海西供電公司，青海格爾木816000；3.重慶電力調控中心，重慶400053；4.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102)

孤島檢測是微電網由并網向孤島平穩過渡過程中一個必要的檢測環節。根據檢測原理不同，可分為主動檢測法和被動檢測法。主動檢測法[1]是通過人為向系統引入微小電壓、電流或頻率擾動信號進行檢測判定，優點是盲區較小、靈敏度較高，缺點是如引入系統的擾動控制不當，會導致微電網進入孤島狀態后無法穩定運行。被動檢測法[2]是通過采集本地信號，在不外加任何擾動的情況下進行孤島檢測，其優點是原理簡單，設備投入少，易于實現，適用于微電網需求，缺點是檢測盲區較大，不適合單獨使用。為保障微電網運行狀態轉換的平穩性，同時考慮檢測精度、靈敏度及擾動對系統穩定運行的影響，文中提出了適用于微電網特點，以被動檢測為主，主動檢測為輔的組合決策孤島檢測技術。

1 常用被動孤島檢測法及原理

1.1 相位突變檢測法

相位突變法是利用逆變電源輸出電流與公共連接點（PCC）電壓間相位差變化來檢測孤島的發生。并網狀態下，PCC電壓受主網鉗制，微電源輸出電流與PCC電壓同相位[3]。當孤島產生時，由于負載阻抗角的存在，使得PCC處電壓相位發生跳變，與電流的相位差轉變為負載的阻抗角。因此，通過逆變器輸出電流與PCC電壓的相位差變化即可判定孤島的產生。相位突變檢測法簡單、易于實現，不會對逆變器輸出的電能質量和系統的暫態穩定產生影響。但當負載阻抗角接近0時，即負載近似呈阻性時，該方法失效，需采用其他孤島檢測手段進行輔助判斷。

1.2 頻率變化率法

頻率變化率法的理論基礎是假設在孤島形成瞬間，分布式電源發出的電力和孤島負荷間存在功率差額，即不平衡功率。這種不平衡功率致使孤島產生瞬間頻率變化，因此采用頻率變化率df/dt作為判據，可以檢測孤島的產生[4]。

式中：PL為負荷功率；PMG為微電源輸出功率；fN為系統額定頻率；H為分布式發電機慣性系數；PGN為分布式發電機額定容量。頻率變化率法的檢測靈敏度受功率不平衡度影響較大。功率不平衡度較大時能可靠檢測；功率不平衡度較小時，檢測靈敏度差。因此，頻率變化率法一般需與其他檢測手段配合使用。

2 選擇性投切并聯電容回路的主動檢測法

選擇性投切并聯電容回路孤島檢測法[5]是通過向微電網與主網聯絡線微電網側投入并聯電容回路，引入無功電流擾動信號來進行孤島檢測，是一種典型的主動檢測法。該方法通過檢測PCC處的無功流量控制并聯電容回路的投入，消除了微電網與主網間聯絡線上微潮流或零潮流時被動檢測法失效的弊端。如圖1所示電路，當檢測回路檢測到連接點PCC處無功流量為0時，將并聯電容回路投入，再檢測PCC處無功流量，如仍為0，則判定孤島發生。基于選擇性投切并聯電容回路的主動孤島檢測邏輯如圖2所示。

圖1 PCC點斷開時投入電容后無功流向

投切并聯電容回路的主動檢測法可快速準確的檢測出孤島狀態，靈敏度較高。由于投切電容并聯回路會向系統引入擾動，需要合理控制擾動大小，在確保微電網孤島運行穩定的情況下實現孤島檢測。因此，從系統運行穩定性和可靠性出發，主動檢測法一般作為后備檢測手段，在其他檢測方法的非正常工作區域投入使用。

圖2 選擇性投切并聯電容回路的主動檢測邏輯

3 組合決策孤島檢測法

3.1 組合決策孤島檢測法的基本原理

鑒于主動、被動兩類檢測方法在檢測盲區上存在互補性，提出以被動為主、主動為輔的組合決策孤島檢測法。即孤島檢測時以相位突變和頻率變化率組合作為主要的檢測手段，對于微電網內部阻抗接近純阻性且內部功率基本平衡的情況，采用投入電容回路作為輔助檢測手段，通過引入PCC潮流變化和投入電容后阻抗角變化進行組合判斷，提高孤島檢測可靠性和準確率。基于被動為主、主動為輔的組合決策孤島檢測法的邏輯如圖3所示。

需要說明的是：在實際系統中大部分情況下采用相位突變法和頻率變化率法組合即可，只有在極少數微電網阻抗角接近于0且功率平衡的情況下才需要電容回路的投入作為后備檢測手段。

3.2 微電網組合決策孤島檢測仿真分析

分別采用相位突變檢測法、頻率變化率檢測法、并聯電容回路投切檢測法以及組合決策法對微電網仿真電路進行孤島檢測仿真計算分析，驗證組合決策孤島檢測技術在微電網的適用性。

3.2.1 仿真算例建模及檢測判據說明

以圖4微電網系統作為仿真電路，使用Matlab/Simulink仿真工具進行算例系統建模，如圖5所示。圖5微電網中的微電源通過逆變器與主電網相連，采用脈寬調制技術（PWM）對逆變器接口進行控制，保證微電網并網運行時與主電網同頻、同壓、同相位。仿真電路參數設定如下。

圖3 被動為主、主動為輔的組合決策邏輯框

（1）主電網。等值為無窮大電源，電壓1.0 p.u，頻率50 Hz，等值電阻R=0.05316Ω，等值電感L=0.482mH。

（2）PWM控制單元。電壓調節器比例增益Ku=0.25，積分增益Tu=25；電流調節器比例增益Ki=2.5，積分增益Ti=250。

（3）負載。為校驗各種檢測方法有效性，對微電網從主網受電和微電網功率基本自平衡2種方式考慮各種負載特性。微電網從主網受電，各種負載參數：感性負載，R=40 Ω，L=0.6 H，C=16.9μF；容性負載：R=40 Ω，L=0.06 H，C=169μF；阻性負載，R=40 Ω，L=0.06 H，C=16.9μF；純電阻負載，R=200 Ω。微電網功率基本自平衡，各種負載參數：感性負載，R=28 Ω，L=0.5 H，C=12.7μF；容性負載，R=28 Ω，L=0.05 H，C=127μF；阻性負載，R=28 Ω，L=0.05 H，C=12.7μF；純電阻負載，R=28 Ω。

對微電網不同運行方式、不同負荷特性下微電網與主網聯絡線三相跳閘，形成孤島。采用相位突變檢測法、頻率變化率檢測法、并聯電容回路投切檢測法及組合決策法進行孤島檢測。其檢測判據如下：

（1）相位突變檢測判據設定為5°，即相位差大于5°即判定為孤島；

（2）頻率變化率檢測的時間常數取濾波時間常數（0.10s），門檻值為0.1 Hz/s，即頻率變化率大于0.1 Hz/s、持續時間超過0.10s即判定為孤島；

（3）并聯電容回路的投切采用理想開關，即聯絡線電流過零瞬間投入電容（0.1μF/相）。電容投入后實時檢測并聯電容回路上的電氣量，以電壓有效值作為判定量，判定是否為孤島。

3.2.2 幾種孤島檢測法檢測效果對比

對圖5仿真算例采用上述幾種孤島檢測法對各種負載情況進行仿真計算，檢測時間及效果如表1所示。

表1 幾種檢測方法的檢測時間及效果對比s

（1）當微電網為非阻性負載（容性和感性）時，電壓相位突變法可以快速檢測出孤島；當微電網為阻性或純電阻負載時，電壓相位突變法失效；

（2）當微電網從主網受電時，頻率變化率法可以成功檢測孤島，其中阻性和電阻負載能夠快速進行孤島檢測，而容性和感性負載由于進入孤島后導致微電網電壓下降進而造成有功功率不平衡程度減弱，導致檢測時間延長，檢測速度較慢，整體而言，頻率變化法檢測速度較電壓相位突變法慢；當微電網功率自平衡時，頻率變化率法失效；

（3）當微電網功率自平衡且為阻性或純電阻負載時，電壓相位法和頻率變化率法均失效，主動投切電容回路法可以快速檢測出孤島；

（4）組合決策法以組合被動檢測方法（電壓相位突變為主判據、頻率變化為輔助判據）為主要檢測手段，以主動投切電容回路法作為輔助檢測手段，是現有檢測方法的綜合應用，即在幾種方法均有效的情況下，采取檢測時間最短的方法，從而提高了微電網孤島檢測的成功率、檢測速度和靈敏度。

4 結束語

在分析電壓相位突變檢測、頻率變化率檢測和主動投切電容回路3種孤島檢測方法的原理及檢測特性基礎上，提出了被動為主、主動為輔的組合決策孤島檢測法，使用Matlab/Simulink工具搭建微電網仿真模型，對微電網的不同運行方式、不同負荷特性下聯絡線跳閘，孤島形成過程及采用各種孤島檢測法進行孤島檢測的過程進行仿真計算和對比分析，結果表明組合決策孤島檢測法消除了單一孤島檢測法存在的檢測盲區，提高了檢測速度和靈敏度，是一種適用于微電網的孤島檢測方法。

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[5] 朱銘煉，于正友，龔春英.一種新穎的主動移頻式孤島檢測方法[J].電力電子技術，2009，43（11）：31-32.