微電網(wǎng)基于下垂控制的改進孤島檢測技術研究*

方彬鵬，汪海寧，吳子成

（合肥工業(yè)大學教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心，合肥230009）

0 引 言

隨著分布式技術的不斷發(fā)展，越來越多的分布式能源接入到大電網(wǎng)中，孤島效應成為了分布式發(fā)電系統(tǒng)的一個普遍存在的問題［1-3］。孤島效應是指在分布式能源與電網(wǎng)突然斷開，而分布式能源卻沒有檢測到斷開而繼續(xù)處于工作狀態(tài)，連同周圍負載形成一個自給供電的孤島現(xiàn)象［4-5］。孤島檢測的方法目前主要分為兩類，分別是被動孤島檢測和主動孤島檢測，被動孤島檢測主要有過／欠電壓、過／欠電流檢測、相位檢測和諧波檢測等；主動孤島檢測主要有主動頻移法（AFD）、滑模頻移法（SMS）、功率擾動法以及阻抗測量法等［6-9］。被動檢測不會給電網(wǎng)引入擾動，但是有較大的不可檢測區(qū)（NDZ）；主動檢測的不可檢測區(qū)較小，但是會給電網(wǎng)注入諧波，影響電能質(zhì)量。

微電網(wǎng)是一種將分布式電源、負荷、儲能裝置、變流器以及監(jiān)控保護裝置有機整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)。憑借微電網(wǎng)的運行控制和能量管理等關鍵技術，可以實現(xiàn)其并網(wǎng)或孤島運行、降低間歇性分布式電源給配電網(wǎng)帶來的不利影響，最大限度地利用分布式電源出力，提高供電可靠性和電能質(zhì)量［10］。微電網(wǎng)要求實現(xiàn)孤島和并網(wǎng)運行的切換，因此孤島檢測是微電網(wǎng)必不可少的功能。目前微電網(wǎng)孤島檢測的研究主要集中在主動檢測法，文獻［11］根據(jù)負載的性質(zhì)不同，改進主動頻移法的系數(shù)，減小檢測盲區(qū)，但是為了判斷負載特性需要注入更大擾動，影響了電能質(zhì)量；文獻［12］通過向微電網(wǎng)注入負序分量，在電網(wǎng)斷開后，會造成公共連接點的負序分量發(fā)生很大變化，達到孤島檢測的目的，但是電網(wǎng)電壓不對稱的情況下會造成誤判；文獻［13］根據(jù)孤島發(fā)生后對微電網(wǎng)不同狀態(tài)量的改變來判斷孤島的發(fā)生，對電能質(zhì)量沒有影響，而受微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和負載及微源接入的影響較大，而且閥值難以確定；文獻［14］提出根據(jù)分壓器原理來檢測孤島的方法，通過注入高次諧波使孤島時分壓器電壓發(fā)生改變來判斷孤島的發(fā)生，能夠有效的檢測出孤島，但是注入高次諧波會對電能質(zhì)量有一定影響，而且添加輔助電路，使檢測難度加大。

文獻［15］根據(jù)下垂控制中頻率和有功功率成線性關系這一特性，提出了一種基于下垂控制的頻率正反饋的孤島檢測方法，文中在這種方法的基礎上，直接在參考功率上添加擾動，并將基于下垂控制的孤島檢測應用于微電網(wǎng)中，而且針對不同情況使用不同擾動系數(shù)，從而在系統(tǒng)正常運行時減少對電能質(zhì)量的影響，加快孤島檢測速度，而且改進后的方法無檢測盲區(qū)。

1 孤島檢測在微電網(wǎng)中的應用

微電網(wǎng)要求在并網(wǎng)和孤島兩種模式下運行，因此需要有孤島檢測算法來判斷微電網(wǎng)是否與電網(wǎng)斷開，從而確定微電網(wǎng)以哪種模式運行，微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

光伏電池和蓄電池等微源通過電力電子裝置實現(xiàn)功率變換，既可為本地負載供電，也可以通過智能網(wǎng)關接入到電網(wǎng)；智能網(wǎng)關是微電網(wǎng)和大電網(wǎng)之間的連接點，當電網(wǎng)故障時，可以通過智能網(wǎng)關將微電網(wǎng)切換到孤島模式運行，同時智能網(wǎng)關能夠檢測并網(wǎng)點的電壓、電流以及頻率等參數(shù)。虛線為通訊線，微網(wǎng)中的各個設備通過光纖與微電網(wǎng)中央控制器（MGCC）連接，MGCC能夠控制微網(wǎng)中設備的啟停和開關的關斷以及系統(tǒng)的并離網(wǎng)切換，在孤島運行模式時，能夠調(diào)節(jié)微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure ofmicro-grid

在微電網(wǎng)中，系統(tǒng)的電壓和頻率都上傳給MGCC，因此MGCC可以通過判斷電壓和頻率大小是否超過限定值來確定微電網(wǎng)是否處于孤島狀態(tài)。對于文章提出的孤島檢測方法，可以將其放在儲能逆變器的控制器里，由儲能逆變器對微點網(wǎng)施加功率擾動，MGCC來監(jiān)測頻率的變化，一旦頻率變化過大超出閥值，MGCC就根據(jù)當前狀態(tài)做出決定，給底層設備下發(fā)指令，微電網(wǎng)由并網(wǎng)運行切換為孤島模式運行。如果微電網(wǎng)里有多臺儲能逆變器，只需一臺儲能逆變器運行孤島檢測算法，同時MGCC會檢測儲能逆變器的接入狀態(tài)，通過邏輯判斷，用處于正常狀態(tài)的逆變器替換故障的逆變器來運行孤島檢測算法，這樣減小了孤島檢測算法對微電網(wǎng)系統(tǒng)的擾動，提高電能質(zhì)量。

2 逆變器下垂控制策略

逆變器接入微電網(wǎng)公共交流母線的簡化等效模型如圖2所示。

圖2 逆變器并網(wǎng)模型Fig.2 Model for grid-connected operation of inverter

圖2中，Einv為逆變器輸出電壓，Eg為微電網(wǎng)交流母線電壓，δ為逆變器輸出電壓與母線電壓的夾角，R和X為線路阻抗。逆變器的輸出有功功率P和無功功率Q分別為：

式中 θ為線路阻抗角，θ＝arctan（X／R）。

并網(wǎng)運行時，逆變器輸出電壓Einv與母線電壓間的相角差很小，因此 δ≈0，所以 sinδ＝δ，cosδ＝1；此時，如果線路阻抗呈感性，即 X?R，sinθ≈1；cosθ≈0；式（1）和（2）可以簡化為：

可以看出，有功功率P主要與相角差有關，無功功率Q主要與電壓幅值差有關，因此，控制逆變器輸出電壓與母線電壓間的相角差可調(diào)節(jié)有功輸出，控制電壓差可以調(diào)節(jié)逆變器的無功輸出，通常用頻率f來代替相角。控制方程如下：

式中P和Q分別為逆變器的輸出有功功率和無功功率；f和E為逆變器的輸出頻率和電壓；f0和E0為下垂參考頻率和下垂參考電壓，并網(wǎng)運行時為電網(wǎng)頻率和電壓m和n為下垂系數(shù)，逆變器下垂控制框圖如圖3所示。

圖3 微電網(wǎng)逆變器下垂控制框圖Fig.3 Droop control block diagram of inverter ofmicro-grid

3 孤島檢測的基本原理

孤島檢測通過判斷公共連接點（PCC）處的電壓幅值和頻率是否超出正常范圍以確定孤島的發(fā)生。反孤島檢測電路如圖4所示，其中，Pinv、Qinv為逆變器輸?shù)挠泄蜔o功，Pload、Qload為負載消耗的有功和無功，電網(wǎng)提供給負載的有功和無功為ΔP、ΔQ，公共連接點處的電壓和頻率為UPCC和fPCC。

圖4 反孤島測試電路Fig.4 Anti-islanding test circuit

當Q2閉合時，逆變器處于并網(wǎng)狀態(tài)，負載所需的功率由逆變器和電網(wǎng)共同提供，公共連接點處的功率關系如式（7）和式（8）所示，負載功率和電壓與頻率的關系如式（9）和式（10）所示。此時逆變器的輸出電壓和輸出頻率和電網(wǎng)電壓和頻率相同。

當Q2斷開時，負載的功率完全由逆變器提供，因此逆變器的輸出功率等于負載所需的功率，公共連接點處的電壓和頻率會發(fā)生改變，如果ΔP和ΔQ過大，則頻率和電壓就會超出正常范圍，就可以判斷電網(wǎng)已經(jīng)斷開。如果ΔP和ΔQ很小，則逆變器的輸出功率和負載所需的功率基本匹配，此時逆變器的輸出電壓和頻率變化很小，就不能檢測出孤島的發(fā)生，因此需要更有效的方法來減小不可檢測區(qū)（NDZ）。檢測盲區(qū)如下：

式中Umax和Umin逆變器輸出電壓的上下限；fmax和fmin逆變器頻率的上下限；Qf為負載的品質(zhì)因數(shù)。

4 基于下垂控制的孤島檢測

4.1 原理分析

由式（5）可知，采用下垂控制的逆變器輸出有功功率和頻率呈線性關系。逆變器并網(wǎng)運行時，頻率跟隨電網(wǎng)頻率保持不變，逆變器的輸出功率P等于下垂參考有功P*；電網(wǎng)斷開后，逆變器的輸出功率由負載決定，參考有功功率與負載有功功率不匹配時，會導致逆變器的頻率偏移，此時，Δf＝mΔP，Δf為輸出頻率與參考頻率之差，ΔP為輸出有功和參考有功之差。電網(wǎng)發(fā)生故障而斷開，逆變器輸出頻率變化過程如圖5所示。

圖5 基于下垂控制的孤島檢測原理圖Fig.5 Schematic diagram of islanding detection based on droop control

由圖5可知，當電網(wǎng)斷開瞬間，P＝P*，Δf＝mΔP＝0，頻率不發(fā)生偏移，不能檢測出孤島；ΔP很小時，頻率偏移出正常范圍要過長時間，這不滿足孤島檢測允許時間的要求［16-18］。因此，在參考有功上添加一個功率擾動來加快頻率的偏速度，添加擾動后的參考功率為：

式中P0為逆變器添加功率擾動的參考功率；PD為間歇性擾動功率；k為擾動系數(shù)，擾動功率在電壓過零點間歇性的添加。控制框圖如圖6所示。

圖6 添加擾動的有功-頻率下垂控制框圖Fig.6 Active power-frequency droop control block diagram with power disturbance

逆變器并網(wǎng)運行，添加有功擾動不會改變逆變器輸出頻率，有功功率會發(fā)生微小波動；如果電網(wǎng)斷開，則頻率會發(fā)生偏移，頻率變化為：

式中fg為電網(wǎng)頻率。

由式（6）可知，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開后，功率不匹配會引起頻率的不斷偏移，最終頻率能夠超出正常范圍而檢測出孤島發(fā)生，因此這種孤島檢測算法不存在檢測盲區(qū)。

4.2 擾動系數(shù)的選擇

由式（13）可知，給電網(wǎng)施加的功率擾動主要取決于擾動系數(shù)k和擾動功率PD，PD由逆變器的功率等級確定；選取合適的擾動系數(shù)對孤島檢測十分重要，如果k過大，會造成較大的功率波動；如果k過小，頻率偏移出正常范圍的時間就會過長。逆變器并網(wǎng)運行，在參考有功上添加功率擾動，如果頻率發(fā)生改變，有可能是電網(wǎng)斷開，也有可能是電網(wǎng)頻率發(fā)生波動，只有頻率朝同一個方向改變多次，才可以認為極有可能發(fā)生了孤島，此時增大擾動系數(shù)，加快頻率偏移。擾動系數(shù)的設置如式所示：

式中N為檢測算法中的計數(shù)參數(shù)，如果頻率朝同一個方向偏移一次，N就自動加1，如果前后兩次頻率變化方向不一樣，則N置零；KP為頻率差的比例系數(shù)。逆變器正常并網(wǎng)運行時，有功擾動系數(shù)很小，不會對電能質(zhì)量造成太大影響；當頻率連續(xù)變化5次后，認為電網(wǎng)可能斷開，將輸出頻率與工頻之差作為反饋引入擾動系數(shù)，頻率偏移越大，則擾動系數(shù)越大，這樣能夠更快的檢測出孤島。孤島檢測算法流程圖如圖7所示。

圖7 孤島檢測算法流程圖Fig.7 Flow chart of islanding detection algorithm

5 仿真驗證與結(jié)果分析

為了驗證孤島檢測算法的有效性，在Matlab／Simulik平臺上進行仿真。由于諧振頻率等于電網(wǎng)頻率的并聯(lián)RLC負載可形成最嚴重的孤島狀況，而且負載品質(zhì)因數(shù)越大，負載諧振能力越強，但是實際電網(wǎng)中的負載品質(zhì)因數(shù)大于2.5的情況一般不可能發(fā)生［6］，因此選取的 RLC組合參數(shù)為 R＝1.07Ω，L＝7.65×10-3H，C＝1.3×10-3F，品質(zhì)因數(shù) Qf＝2.5，諧振頻率為50 Hz。

在仿真中，擾動功率 PD＝500 W，在0.2 s時使大電網(wǎng)斷開。檢測的過欠頻閥值為50.5 Hz和49.5 Hz。仿真結(jié)果如圖8～圖13所示。

圖8 逆變器輸出電流Fig.8 Output current of inverter

圖9 逆變器輸出電壓Fig.9 Output voltage of inverter

圖10 逆變器輸出功率Fig.10 Output power of inverter

由圖8和圖10可知，在電網(wǎng)斷前，逆變器輸出電流和功率有較小的波動，這是由于孤島檢測算法給逆變器參考功率施加間歇性的擾動，但是對電能質(zhì)量影響較小；電網(wǎng)斷開后，有功功率變化很小，說明逆變器輸出有功和負載有功幾乎匹配。由圖9和圖10可知，電網(wǎng)斷開后，受孤島檢測算法的作用，頻率發(fā)生偏移而不等于諧振頻率，因此負載需要部分無功功率，下垂控制中電壓和無功功率成線性關系，所以逆變器輸出電壓也會發(fā)生輕微變化。在0.28 s時，檢測出孤島發(fā)生，微電網(wǎng)系統(tǒng)切換到孤島模式運行，逆變器的參考電壓和頻率為固定值，且孤島檢測算法不再作用，因此逆變器輸出電壓、電流和功率保持穩(wěn)定。

圖11 未加孤島檢測算法的逆變器頻率Fig.11 Frequency of inverter without islanding detection algorithm

圖11是未添加孤島檢測算法的逆變器輸出頻率，逆變器在0.2 s脫離電網(wǎng)后，逆變器的輸出頻率跳變一次后不再改變，一直處于正常范圍內(nèi)，因此系統(tǒng)會一直以并網(wǎng)模式運行，因此無法檢測出孤島狀態(tài)。

圖12 添加孤島檢測算法的逆變器頻率Fig.12 Frequency of inverter with islanding detection algorithm

圖12為添加了孤島檢測算法但沒有改進擾動系數(shù)的逆變器輸出頻率，因此電網(wǎng)斷開后逆變的輸出頻率偏移較慢，在0.36 s時檢測到孤島的發(fā)生，隨后切換到孤島模式運行。

圖13 添加改進的孤島檢測算法的逆變器頻率Fig.13 Frequency of inverter with improved islanding algorithm

圖13為添加了改進擾動系數(shù)的孤島檢測算法的逆變器輸出頻率，輸出頻率在0.1 s內(nèi)達到閥值，檢測到孤島發(fā)生并切換到孤島模式運行，頻率馬上又恢復到50 Hz。與圖12相比，改進后的孤島檢測方法速度更快。

6 結(jié)束語

根據(jù)下垂控制中有功功率和頻率所成的線性關系，提出在參考功率上添加功率擾動的孤島檢測方法，為了減小對電能質(zhì)量的影響，改進了擾動系數(shù)的選取，同時，針對微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和特點，提出了孤島檢測方法在微電網(wǎng)中應用的方案。通過仿真實驗，證明孤島檢測算法的有效性，改進后的孤島檢測算法能夠更加快速的檢測出孤島的發(fā)生并且迅速的切換到孤島模式下運行。