分布式發電系統的主動式孤島檢測

夏向陽，唐衛波，毛曉紅

(1. 長沙理工大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙，410077；2. 廣州有色金屬研究院，廣東 廣州，510651)

近年來，分布式發電 DG(Distributed generation)技術以其獨有的環保性、經濟性和靈活性而成為現代電力系統中新的研究熱點[1-2]。與此同時，智能電網建設以及國家節能減排的要求將進一步促進分布式發電技術的應用與發展。隨著配電網中分布式電源并網日益增多，在利用孤島效應的條件尚未成熟的條件下，逆變器孤島發生的可能性和對系統用戶的影響越來越大，它不僅會對逆變器系統和用電設備造成損壞，而且會對電力檢修人員造成危險。現有的國際標準均將孤島效應的防止提到了非常重要的位置，所有并網逆變器必須具有防孤島效應的功能[3-4]。因此，孤島檢測技術的研究具有重要的理論意義和實用價值。目前，針對并網逆變器的本地檢測方法的研究與應用較廣泛。逆變器側孤島檢測方法可分為被動式和主動式2種。被動檢測法通過直接檢測公共點處的電壓幅度或頻率是否出現異常從而判斷是否發生了孤島效應。現有的被動檢測方法主要有過電壓/欠電壓、過頻/欠頻檢測，電壓相位突變檢測和電壓諧波檢測[5]。被動式檢測無需對系統運行施加任何擾動，對電能質量無影響，而且在多臺逆變器并聯運行的情況下，檢測效率不會降低。但是，其存在較大的檢測盲區(Nondetection zone，NDZ)。主動式檢測方法常見的有主動頻率偏移法(Active frequency drift, AFD)[6]、滑模頻率偏移法(Slip-mode frequency Shift, SMS)[7]和Sandia電壓偏移法[8]等。主動式檢測方雖然檢測盲區較小甚至沒有，但其給電網電能質量帶來一定影響。改進型主動電流擾動法[9]對電能質量無影響，但其擾動周期不能設置過小，過小會對并網輸出功率影響較大。基于上述情況，本文作者提出一種基于電壓相位突變檢測與改進型主動電流擾動法相結合的新型組合式孤島檢測方法。該方法兼顧了兩者優點，克服了各自的不足；同時，在多個并網發電系統并聯運行的情況下也能實現無盲區檢測。

1 孤島效應及其檢測原理

所謂孤島效應[10]，是指當電網供電因故障事故或停電維修而跳脫時，各個用戶端的分布式并網發電系統未能即時檢測出停電狀態而將自身切離市電網絡，形成由分布電站并網發電系統和周圍的負載組成的 1個自給供電的孤島，如圖1所示。本文以最具有普遍性的電阻R、電感L和電容C并聯作為該系統的負載。A為并網逆變器與電網的公共連接點。

圖1 孤島效應檢測原理圖Fig.1 Schematic diagram of islanding detection

當斷路器S1和S2閉合時，系統處于并網發電狀態，此時，并網系統向公共連接點A點流入的有功和無功功率為 P+jQ；負載得到的功率為 PL+jQL；電網提供的有功和無功功率為ΔP+ΔjQ，于是，有：

系統在并網發電運行時通常工作于單位功率因數，則Q=0，而ΔQ =QL。RLC負載的有功和無功功率的計算公式為：

其中：UA為節點A處的電壓。當電網未斷開時，電壓的頻率及幅值始終受電網控制基本保持不變；當電網斷開，即孤島發生后，若ΔP或ΔQ很大，則表明系統輸出功率與負載功率不匹配，逆變器輸出電壓或頻率會發生很大的變化；當電壓或頻率變化超出正常范圍時，保護電路即可檢測到孤島的發生；但當ΔP或ΔQ較小時，保護電路會因電壓和頻率未超出正常范圍而檢測不到孤島的發生[11]，即產生孤島檢測盲區，這樣，逆變器可能繼續向負載供電，從而形成由并網發電系統和周圍負載構成的一個自給供電的孤島發電系統。

2 電壓相位突變檢測法

分布式并網系統正常工作時，A點的電壓AU˙由電網電壓gU˙所鉗位，即有：

式中：Um為電網電壓幅值；0φ為電網電壓初始相位。

逆變器并網運行時，應使逆變器輸出電流oI˙與電網電壓同相位，以實現單位功率因數并網發電，即

式中：Im為并網逆變器額定輸出電流幅值。

此時，負載電流由A點電壓決定，即由電網電壓決定，因此，有

由此可見：并網運行時負載電流與電網電壓的相位差由負載阻抗角φ決定。當電網突然斷開后，即等效于斷路器QF斷開，出現了逆變系統單獨給負載供電的孤島現象。在孤島現象發生前，逆變器輸出電流Io與電網電壓Ug僅在過零點發生同步。在過零點之間，Io要跟隨系統內部的參考電流而不會發生突變。因此，孤島現象發生后負載電流會突變為逆變器的輸出電流，即

這時，A點電壓由逆變器輸出電流Io和負載阻抗Z所決定，即有：

將式(7)與式(3)對比可見：孤島現象后，PCC點電壓的相位將會發生變化，因此，可以采用電壓相位突變檢測法判斷孤島現象是否發生。當負載為非純阻性時，即負載阻抗角φ不為0°，則在孤島現象發生后，公共點A的電壓UA與逆變器輸出電流Io之間會產生一定的相位差φ，使輸出電壓UA發生相位突變；若相位偏移超出正常的范圍，則說明孤島現象發生，控制器將斷開或關閉并網系統。

電壓相位突變檢測算法簡單，易于實現，屬于被動式檢測法，不會影響逆變系統輸出電能的質量，也不會影響系統的暫態響應。電壓相位突變檢測與過/欠頻檢測相類似，在電網頻率下，當負載阻抗角φ接近0°即負載近似呈阻性時，該方法失效。

3 改進型主動電流擾動法

主動電流擾動法是針對電流型并網系統而提出的一種簡單易行的主動型孤島效應檢測方法。該方法通過對逆變器輸出電流的幅值周期性地擾動，在電網斷電時影響公共節點的電壓，使其超出過電壓/欠電壓保護閾值，從而檢測出孤島[9]。其控制原理框圖如圖 2所示。

在DG并網系統中，在正常情況下，A點的電壓總是被鉗位在電網電壓，若逆變器輸出功率與負載消耗功率相匹配，則在不添加擾動情況下電網斷電時，A點的電壓不發生變化，會導致孤島發生。

當電網發生故障斷電時，A點的電壓由輸出電流和本地負載決定，即

圖2 主動電流擾動法控制原理圖Fig.2 Control schematic diagram of active current disturbing

一旦到達擾動時刻，輸出電流幅值改變，則負載上電壓隨之變化，并超出過/欠壓保護的閾值范圍，即可檢測到孤島發生，即使功率相匹配，孤島也可以被檢測出來[9]。其檢測算法仿真結果如圖 3所示。電網正常時，A點的電壓總是被鉗位在電網電壓，A點電壓不發生變化，逆變器正常工作，仿真波形如圖2所示；當電網在0.6 s處斷開時，從圖3可以看出：在0.76 s處公共節點電壓降低一半，從而檢測到孤島發生。該方法在 0.16 s內檢測到孤島現象，小于 IEEE Std.2000—929[3]所規定的保護時間。

圖3 主動電流擾動法仿真波形Fig.3 Simulation waveforms of active current disturbing

主動電流擾動法的主要優點是控制簡單，實現方便，對電網無諧波污染，但其對并網系統的輸出效率有較大的影響。若孤島時刻負載有功需求恰好與擾動輸出有功需求相匹配，則孤島檢測失敗。同時，在連接有多臺并網逆變器的系統中，即使所有并網逆變器都采用該方案，也會產生稀釋效應，最終使公共點的電壓變化很小，不足以被檢測到，從而導致檢測失敗。為此，下面介紹一種改進型主動電流擾動方案[10]。

改進的檢測算法是：在加周期性的擾動之前，首先判斷輸出電壓的變化情況，然后施加與電壓變化方向相同的擾動。在不加擾動時，輸出電流跟隨給定電流ig(與電網同頻同相的正弦信號)，則逆變器輸出電流io=ig，添加擾動信號igd之后，逆變器輸出電流為：

式中：Ig為電流給定幅值；Id為周期性擾動信號的幅值；ω為電網角頻率。

式中：Uo(k)為本周期逆變器輸出電壓最大幅值；Uo(k-1)為上1個周期逆變器輸出最大幅值；Id為相應的擾動量。

設檢測閥值范圍為(0.88～1.10)Un(其中，Un為電網額定電壓幅值)。若要實現無盲區檢測，則常規的主動電流擾動法由于不判斷輸出電壓的變化方向，其擾動比例至少為 0.10+0.12即0.22，則并網時對進網功率的變化比例為 0.22。而改進后的方案，擾動比例為0.12，于是，并網時對進網功率的變化比例為0.12。

從以上分析可以看出：這種控制方法不會存在孤島檢測中失效的情況，所需要的擾動量較小，對進網功率的影響較小。同時，對于多個分布式發電系統并聯的情況，也能夠作到擾動一致，使耦合點端電壓向相同的方向變化，從而快速準確地檢測出孤島的發生。

4 新型組合式檢測法

在孤島檢測技術實際應用中，北美一般采用基于頻率、相角、電壓偏移等不同的主動檢測技術；歐洲則一般采用頻率變化率或主動檢測方法作為補充[12]。在國內，規定并網系統至少采用被動與主動式孤島檢測方法各1種。

4.1 新型組合式檢測法基本原理

根據前面對電壓相位突變檢測和改進型主動電流擾動法的分析可知：電壓相位突變檢測法具有檢測速度快、算法簡單、易于實現的優點，屬于被動檢測方法, 不影響系統輸出的電能質量，也不會影響系統的暫態響應；當負載阻抗角接近0°即負載近似呈阻性時,該方法失效。改進型主動電流擾動法雖然能實現無盲區檢測，同時在多個分布式發電系統并聯的情況下也能檢測出孤島的發生，但是，改進型主動電流檢測法只有在擾動周期到來的情況下才能檢測出孤島，而檢測周期又不宜過小，否則，對并網的效率影響較大，因此，其不能快速地檢測出孤島的發生。由于孤島檢測具有快速性，改進型主動電流擾動檢測法不能單獨使用，需要與其他檢測方法結合使用。

基于上述分析，提出一種基于電壓相位突變檢測與改進型主動電流擾動法相結合的新型組合式檢測方法，其程序控制流程圖如圖4所示。該算法中，電壓相位突變檢測與改進型主動電流擾動法分別作為獨立的檢測模塊，電壓相位突變檢測主要針對本地負載呈電抗性的情況，IEEE Std 929—2000標準規定，電壓頻率超出額定頻率0.5 Hz或低于額定頻率0.7 Hz時需要進行孤島保護。按照0.5 Hz折算的相位超前或滯后角度為3.6°，因此，電壓相位突變檢測中設定的相位閥值為3.6°。

圖4 新型組合式孤島檢測法流程圖Fig.4 New combined islanding detection flow chart

4.2 新型組合式檢測法仿真分析

為了驗證理論分析的正確性，在Matlab仿真環境下對該方法進行仿真分析。仿真參數設為：主電路為單相全橋逆變器，濾波電感為1 mH，500 V直流電源等效分布式電源，電網相電壓為220 V/50 Hz。電壓閥值設為最低88%Un即273.6 V，最高閥值設為110%Un即342.1 V。其中：Un為正常電網電壓幅值311 V；擾動比例取0.15；仿真時間為0.5 s。

在負載電阻呈電抗性時，可以分感性與容性2種情況進行討論。在感性負載情況下，系統在0.04 s時孤島發生，其仿真波形如圖5所示。從圖5可見：A點電壓在0.058 s處提前正向過0°，且相位突變角大于 3.6°，從而判斷孤島發生；在容性負載情況下，系統在0.06 s時孤島發生，其仿真波形如圖6所示。PCC點電壓在0.082 s處延遲正向過0°，且相位突變角小于-3.6°，同樣檢測到孤島現象發生。

當負載呈純阻性或負載阻抗角 ||φ＜3.6°時，電壓突變檢測法失效，此時，可通過改進型主動電流法檢測出孤島的發生。針對逆變器輸出功率P與負載功率Pload的匹配度(P=Pload的情況與圖 3的相似)，分別對P＞Pload與P＜Pload2種情況進行驗證。

圖7所示為P＞Pload時的仿真波形。由圖7可知：電網電壓在0.1 s處斷電，并判斷輸出電壓變化方向是變大，然后施加和電壓變化方向相同的擾動，該擾動加強了輸出電壓的變化。在斷網后輸出電壓幅值變為360 V，超出了規定的電壓閥值，逆變器在0.38 s時檢測到孤島的發生。而對于圖8的情況，分析結果類似。

由圖7和圖8可知：在負載電阻呈電抗性時，電壓相位突變檢測能快速地檢測孤島的發生；而當負載呈電阻性時，則利用改進型主動電流擾動法檢測出孤島現象。新型的組合式檢測法兼顧了兩者優點，克服了各自的不足；同時，在多個并網發電系統并聯運行的情況下也能實現無盲區檢測，因此，該方法具有較大的工程應用價值。

圖5 感性負載情況下的仿真波形Fig.5 Simulation waveforms under inductive load

圖6 容性負載情況下的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms under capacitive load

圖7 P＞Pload時的仿真波形Fig.7 Simulation wave forms of P＞Pload

圖8 P＜Pload時的仿真波形Fig.8 Simulation waveforms when P＜Pload

5 結論

(1) 電壓相位突變檢測算法簡單，易于實現，在本地負載呈電抗性的情況下能快速檢測出孤島的發生，同時不影響逆變系統輸出電能的質量及系統的暫態響應。但當負載阻抗角φ接近0°即負載近似呈阻性時，該方法失效。

(2) 改進型主動電流擾動法雖然在多個并網發電系統并聯運行的情況下也能實現無盲區檢測，但其檢測時間受擾動周期限制，必須在擾動時刻到達時才能檢測出孤島的發生。

(3) 新型組合式檢測方法兼顧了主動與被動式檢測兩者的優點，克服了各自的不足。該算法參數整定簡單、容易實現，因此，可廣泛應用于太陽能、風能等逆變型分布式并網發電系統中。

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