一種有效減小盲區的孤島檢測方法

【摘要】孤島檢測作為電網運行狀態轉變的一個必要檢測環節，在較大程度上限制了分布式發電系統的發展，引起越來越多的研究人員關注。本文從被動檢測法入手，提出了一種有效減小盲區的孤島檢測方法。該方法采用公共耦合點PCC處相位變化與電壓變化的比值作為檢測標準，不僅具有低成本、易實現的優點，而且與傳統的檢測方案相結合，進行多重判斷，具有很高的可靠性。本文用Matlab/Simulink進行仿真實驗，結果表明該方法不僅有效減小了盲區，并且在負載突變的情況下不會誤判，抗干擾性強，比傳統被動法更加快速、有效。

【關鍵詞】孤島；被動檢測法；盲區；分布式光伏發電系統；并網發電

1.前言

太陽能光伏發電是將太陽能電池組件產生的不穩定的直流電，通過逆變器等元件轉換成交流電，直接供給用戶（離網光伏發電系統）或者與電網并網給用戶供電（光伏并網發電系統）。光伏發電系統PV（Photovoltaic Power Generation System）主要是以和大電網并聯的形式出現，與大電網同時給負載供電。PV可以等效為電流源，大電網可以等效為電壓源。系統正常工作時，PV的電壓受大電網鉗制，PV的電壓總與大電網保持一致。因此，當大電網由于某種原因停電時，PV就處于單獨供電的情況，不再受大電網的控制，處于失控狀態，我們把這種現象叫做孤島效應。

孤島的危害[1-2]：

（1）此時，逆變器處于失控狀態，若系統參數超出正常閾值范圍，可能導致用電設備損壞。

（2）給電力維修人員和用戶的人身安全造成嚴重的威脅。

（3）當逆變器的容量小于負載的容量時，逆變器由于過載運行而易被燒毀。

（4）在大電網恢復供電時（逆變器再次并網運行），可能會導致與電網相位不同步。

2.有效減小盲區的孤島檢測方法

光伏并網發電系統結構如圖1所示，由光伏發電系統、負載、大電網（AC）組成[3-4]，由太陽能產生的直流電（DC）經過逆變器、LC濾波器轉變成220伏交流電，同大電網一起供給負載（Load）。其中，、為PV輸出的有功和無功，、為負載消耗的有功和無功，、為電網端消耗或者輸出的有功和無功，PCC（Point of Common Coupling）為公共耦合點，該點電壓為。

孤島檢測的難點在于如何在負載和逆變器輸出功率平衡時快速檢測出孤島。當孤島產生后，PV輸出的功率除了自身消耗和損耗之外全部供給負載，當PV輸出的有功和負載匹配時，即，由（4）式可知，，也就是說孤島后不變；當PV輸出的有功、無功和負載均匹配時，即，由（5）式可知，，孤島后不變，又因為，則，所以不變。故當PV和負載的有功、無功匹配或者接近的時候，電壓和頻率等系統參數沒有變化或者變化很小，不會超出閾值，很難檢測出來。反之，當PV和負載的有功和無功不匹配的時候，孤島后由于功率差額大，頻率和電壓等系統參數波動大，很容易超出閾值，檢測出孤島。我們把孤島后由于某些原因檢測不出來的這部分區域稱之為盲區NDZ[5]（Non-detection Zone），減小盲區是被動檢測法需要解決的主要問題。鑒于此，本文提出了一種有效減小盲區的孤島檢測方法。

由（9）式可知，孤島后的相對變化比、變化大，在系統參數變化較小的時候檢測結果最明顯。所以，本文采用作為檢測標準，由上述分析可知，該方法比傳統檢測法更快速、有效。

3.仿真分析

根據國際標準IEEE Std.2000-929換算后，中國電壓的正常閾值為205V≤≤235V，頻率的正常閾值為49.5HZ50.5HZ，最大允許檢測時間為2s。法和法的閾值通過仿真實驗確定。本文利用Matlab/Simulink中的SimPowerSystem工具箱，采用TR-BDF2算法，進行仿真實驗。

3.1 系統結構圖

孤島檢測的結構示意圖如圖2所示，檢測光伏并網發電系統的PCC處的電壓，并用鎖相環PLL采集電網電壓的頻率、相位，按照流程圖3進行檢測（檢測各參數是否超出閾值），再通過PID和PWM控制將信號轉換成逆變器的控制信號，從而控制逆變器的運行狀態，達到檢測目的。系統正常運行時，參數均在正常閾值范圍內，PWM輸出逆變器的驅動信號；反之，系統參數超出正常閾值時，則孤島發生，PWM輸出逆變器的封鎖信號，逆變器停止工作。

檢測流程如圖3所示，當PV和負載的功率不匹配的時，電壓和頻率可以很快將孤島檢測出來，反之，PV和負載的功率接近或者匹配時，前兩者失效，法起作用，故本文將這三種方法相結合。

3.2 實驗結果

（1）法和法的檢測效果對比

法和法在逆變器的輸出功率和負載的有功、無功接近或匹配時的檢測結果分別如圖4（a）、（b）所示，孤島前后法變化分明，超出了設定的閾值范圍，從而檢測出孤島。而法變化很小，若將閾值設置的太低，則很容易產生誤判，根據反復實驗結果，此時仍在閾值范圍內，該方法檢測失效。所以在同種情況下，的檢測效果更佳，故本文采用作為檢測標準。

（2）逆變器的輸出功率和負載的有功、無功接近時各方法仿真結果

本文把仿真時間均設置為2s，大電網0.7s斷開，逆變器的輸出功率和負載的有功、無功接近時，如圖5～8所示分別為過/欠壓法、過/欠頻法、法、法的檢測結果，圖中（a）、（b）分別為采用各方法時的電網運行狀態（1表示電網正常運行，0表示產生孤島）、PCC處的電壓和電流，為清楚的顯示電壓和電流的變化，電壓設置為原來的1/4。根據流程圖3的檢測過程，由圖5、6、8可知，當逆變器的輸出功率和負載的有功、無功接近或者匹配的時，過/欠壓法和過/欠頻法均失效后，法在孤島后0.02s檢測出孤島。由圖7、8對比可知，法檢測失敗，而法快速檢測出孤島。由此可見，該方法不僅檢測速度快，而且有效減小了檢測盲區。本文將過/欠壓法、過/欠頻法、法相結合，不僅可以發揮各方法的優點，而且多重檢測提高了檢測結果的可靠性。

（3）抗干擾性檢測

由4-8圖可知，減小盲區的檢測方法能敏感檢測系統參數的變化，故本文做了負載突變的抗干擾性能測試。負載突變時法的檢測結果如圖9（a）、（b）所示，分別為負載突然較少50%、90%時法的檢測結果，的值均小于設定閾值。所以該方法在受到負載突變干擾時不會誤判，抗干擾性很強。

4.結論

由于被動檢測法在負載和PV的功率接近或者匹配時檢測不出來，盲區很大，本文提出了一種以為檢測標準的孤島檢測方法，并與過/欠壓、過/欠頻檢測法結合以減小盲區。在功率不匹配時，過/欠壓、過/欠頻檢測法可以快速將孤島檢測出來，在功率匹配時過/欠壓、過/欠頻檢測法失效，采用法進行檢測。在法的基礎上結合過/欠壓法、過/欠頻法，發揮各方法優點，不僅檢測速度快，而且有效減小了檢測盲區。本文通過Matlab/Simulink進行仿真實驗，結果表明該方法在負載和PV的功率接近或者匹配的時候，能夠將孤島快速檢測出來，并且在受到干擾時（如負載突變）也不會誤判，所以該方法不僅檢測快，而且可靠性高。

參考文獻

[1]A.M.Massoud，K.H.Ahmed，Harmonic distortion-based island detection technique for inverter-based distributed generation，IET Renew.Power Gener，2009，3（4）.

[2]王西偉，熊煒等.分布式并網發電系統孤島效應分析及檢測方法的研究[J].電工電氣，2012（6）.

[3]曾議，吳政球等.分布式發電系統孤島檢測技術[J].電力系統及其自動化學報，2009，21（3）.

[4]高金輝，李迎迎等.一種新穎的孤島檢測方法研究[J].電力系統保護與控制，2010，19（38）.

[5]張有兵，穆淼婕等.分布式發電系統的孤島檢測方法研究[J].電力系統保護與控制，2011，39（1）.

作者簡介：

張瑞葉（1988—），女，河北師范大學物理科學與信息工程學院碩士研究生在讀，研究方向：電力電子與電力傳動。

張少如（通信作者）（1971—），女，博士，河北師范大學物理科學與信息工程學院副教授，碩士生導師，研究方向：電力電子與電力傳動。