周　唯，馬少華

(沈陽工業(yè)大學 電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870)

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基于微電網(wǎng)孤島檢測原理的防孤島運行方法分析

周唯，馬少華

(沈陽工業(yè)大學 電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870)

孤島是分布式發(fā)電系統(tǒng)的一個基本問題。孤島現(xiàn)象會對DG設備的壽命、繼電保護裝置的正常工作、系統(tǒng)中的絕緣等造成不同程度的威脅，因而快速、可靠地檢測出孤島非常重要。針對由負載性質(zhì)及大小的變化而引起的檢測方法失效問題，為了實現(xiàn)負載運行的多樣性，提出了采用組合式檢測方法和監(jiān)測聯(lián)絡線上的功率缺額來解決。組合式檢測方法可以有效互補檢測盲區(qū)，保證聯(lián)絡線的功率缺額，也可以保證特征電氣量超過檢測閾值。通過仿真驗證，證明了該方法的有效性。為負載運行的多樣性提供了保障。

孤島檢測原理；檢測方法；負載性質(zhì)；功率缺額

目前，傳統(tǒng)資源的日益枯竭，全球環(huán)境的不斷惡化以及大電網(wǎng)自身存在的缺陷等問題使得分布式發(fā)電技術(shù)得到迅速發(fā)展。所謂孤島[1]是指主電網(wǎng)因故障或進行檢修而處于失電狀態(tài)時，分布式發(fā)電系統(tǒng)仍可能持續(xù)工作，并與本地負載連接處于獨立運行狀態(tài)。孤島產(chǎn)生后，會影響配電系統(tǒng)的保護開關動作程序，在重合閘時可能對用電設備造成損害。因此，孤島檢測是分布式發(fā)電裝置必須具備的一種保護功能。目前，并網(wǎng)逆變器型的分布式發(fā)電系統(tǒng)的本地式孤島檢測技術(shù)主要包括被動式和主動式兩大類。孤島形成前后，電氣量一般會發(fā)生變化，被動檢測通過觀察PCC點的電壓、頻率以及相位的變化來判斷有無孤島產(chǎn)生。主動檢測法是在逆變器的控制信號中加入很小的電壓、電流或相位擾動信號。并網(wǎng)運行時，由于受電網(wǎng)鉗制，擾動信號作用很?。欢敼聧u發(fā)生時，擾動信號的作用比較明顯。因此，可通過檢測PCC點的系統(tǒng)響應，來判斷是否有孤島發(fā)生[2-3]。每種檢測方法都有其自身的優(yōu)、缺點，例如：被動檢測方法雖然無須外加設備，也無須引入擾動，對電能質(zhì)量無影響且實現(xiàn)簡單，但檢測盲區(qū)比較大，檢測閾值難以確定；而主動檢測法可以有效地改善檢測盲區(qū)問題，但會帶來電能質(zhì)量問題，同時負載性質(zhì)對主動檢測法也有影響。因而采用多種檢測方法的組合式孤島檢測越來越受到人們的關注。

圖1　微網(wǎng)并網(wǎng)示意圖

1　孤島檢測的基本原理及相關方法

微電網(wǎng)分為并網(wǎng)運行和孤島運行兩種運行方式。微源與主網(wǎng)并網(wǎng)運行的示意圖如圖1所示，微源通過逆變器后與主網(wǎng)相連于公共連接點(PCC)處[4]。

并網(wǎng)運行時電網(wǎng)和逆變電源共同為負載提供功率，可得到：

Pload=P+△P,Qload=Q+△Q

(1)

(2)

(3)

將式(1)、(2)帶入(3)中整理可得：

(4)

孤島產(chǎn)生后，主網(wǎng)不再向負載供入能量，逆變電源的功率輸出不會瞬間變化，因此在孤島形成的一瞬間，孤島內(nèi)部一般會產(chǎn)生功率缺額，即△P≠0、△Q≠0。致使PCC點的電壓、頻率發(fā)生相應的變化。

當有功功率缺額和無功功率缺額在某一范圍內(nèi)時，是不足以使頻率或幅值超出檢測的上、下限閾值[5]。其中有功功率的缺額是影響檢測盲區(qū)大小的主要因素。

現(xiàn)有的各種檢測方法都存在一定的適用范圍，對于某些特定的情況都會發(fā)生失效[6-7]。

2　實驗檢測方法的有效性分析

對實驗室中運行的微網(wǎng)系統(tǒng)進行運行波形采集，觀察不同負載性質(zhì)及不同功率缺額下檢測方法的有效性，示波器采用四個采集通道，探針連接示意圖如圖2所示，通道一檢測市電電流，通道二檢測微源電流，通道三接于QF2斷口處，用于觸發(fā)，通道四測量并網(wǎng)點PCC處的電壓。當微源電流(通道二)、PCC點電壓(通道四)為零時，即孤島檢測方法檢測出孤島，將微源從微網(wǎng)中解列出來。 孤島檢測方法采用被動檢測法和Sandia頻率偏移法相結(jié)合的檢測方法。

為驗證負載性質(zhì)對檢測方法的影響，測量了三組不同負載性質(zhì)下，檢測方法的檢測性能。示波器檢測波形如圖3、圖4、圖5所示。其中，圖3為純阻性負載時與主網(wǎng)斷開過程，圖4是感、阻性負載且Qf=1，圖5是感、阻性負載Qf=2.5的情況。從圖3～圖5中可以看出，純阻性負載時約0.5個周期便將微源解列，感、阻性負載Qf=2.5時，約1.5個周期。隨負載品質(zhì)因數(shù)的升高檢測時間變長。

圖2　示波器探針連接示意圖

圖3　純阻性負載

有功功率缺額是影響檢測盲區(qū)的主要因素，將聯(lián)絡線功率分別設置為5 kW、1 kW、0 kW，示波器檢測波形如圖6、圖7、圖8所示，聯(lián)絡線的功率缺額越大，孤島檢測的時間越短，當聯(lián)絡線的功率缺額為0時，即沒有功率缺額的情況下孤島檢測方法失效，發(fā)生了孤島運行現(xiàn)象。

圖5　負載品質(zhì)因數(shù)為2.5

圖6　聯(lián)絡線功率設置為5kW

圖7　聯(lián)絡線功率設置為1kW

圖8　聯(lián)絡線功率設置為0kW

3　防止檢測方法失效的措施

檢測盲區(qū)的客觀存在，負載性質(zhì)的多樣性都為孤島檢測方法的有效性帶來了挑戰(zhàn)[8]。如何確實解決運行中檢測方法的失效是一個值得探討的問題。在實際的系統(tǒng)運行中，負載是動態(tài)變化的，實時的投切會改變聯(lián)絡線上的功率和負載的性質(zhì)，因而影響到檢測方法的有效性。針對負載性質(zhì)對檢測方法的影響，采用組合式的檢測方法，盡量使多種檢測方法的檢測盲區(qū)相互互補，達到較小死區(qū)，增加系統(tǒng)運行的多樣性。在Simulink中建立微網(wǎng)并網(wǎng)運行模型，如當檢測方法采用電壓相位突變法時，對純阻性負載檢測方法將失效，若加入Sandia頻率偏移法與其共同作為檢測方法。則可快速檢測出孤島，在t=0.1s時與主網(wǎng)斷電，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9　純阻性負載下式孤島檢測

圖10　功率檢測裝置的微電網(wǎng)并網(wǎng)示意圖

聯(lián)絡線功率變化對檢測方法的有效影響，可以在聯(lián)絡線上裝設功率測量裝置，當功率測量裝置測量到聯(lián)絡線上功率缺額不滿足檢測要求時，采取相應的措施。裝設檢測裝置的微網(wǎng)并網(wǎng)示意圖如圖10所示。

采取的措施分為兩類，第一類是不再維持并網(wǎng)運行，直接將并網(wǎng)系統(tǒng)平滑切換為孤島運行。第二類是將負載按重要性進行等級劃分為一類、二類、三類。當功率測量裝置測量到聯(lián)絡線上功率缺額不滿足檢測的要求時主動切除等級較低的負載，以保證功率缺額的存在。若切除負載后仍不能滿足功率缺額要求，再進行平滑切換為孤島運行模式。

4　結(jié)論

(1)有功功率缺額是影響檢測方法有效性，帶來檢測盲區(qū)的主要原因。

(2)針對負載性質(zhì)對檢測方法的影響，通過采用組合式檢測方法達到盲區(qū)互補的效果，增加了系統(tǒng)運行的多樣性。

(3)針對聯(lián)絡線功率缺額過小致使檢測方法失效，通過在電網(wǎng)側(cè)增設功率檢測裝置對小功率缺額系統(tǒng)采用直接平滑切換為孤島運行或通過切掉負載的方法來保證功率缺額的存在。

[1]丁明，張穎媛，茆美琴.微網(wǎng)研究中的關鍵技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(11)：6-11.

[2]于正友.并網(wǎng)系統(tǒng)孤島檢測方法的研究[D].南京:南京航空航天大學,2009.

[3]孫美玲.基于正反饋的逆變器孤島檢測研究[D].秦皇島:燕山大學,2007.

[4]牛沖宣.微電網(wǎng)的孤島檢測與孤島劃分[D].天津:天津大學,2008.

[5]賀眉眉，李華強，陳靜,等.基于離散小波變換的分布式發(fā)電孤島檢測方法[J].電力自動化設備，2012，32(10)：103-107.

[6]奚淡基.逆變器并網(wǎng)孤島檢測技術(shù)的研究[D]. 杭州：浙江大學,2008.

[7]程明，張建忠，趙俊杰.分布式發(fā)電系統(tǒng)逆變器側(cè)孤島檢測及非檢測區(qū)描述[J].電力科學與技術(shù)學報，2008，23(4)：44-52.

[8]馬靜，米超，王增平.基于諧波畸變率正反饋的孤島檢測新方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36(1)：47-50.

Anti-island operation based on micro grid detection principle

ZHOU Wei，MA Shao-hua

(ShenyangUniversityofTechnology，Shenyang110870,China)

Island phenomenon is a basic problem in the distributed generation system,which is a threat to the life of the DG device,the normal operation of the relay protection device and the insulation of the system.So,fast and reliable detection of isolated island is very important.The failure of the detection method is caused by property and size of the load is analyzed.In order to achieve load operation of diversity,combined detection method and monitoring tie line power vacancy are proposed.Combined detection method can effectively detect blind area.To ensure the power shortage of tie line and guarantee the electrical characteristics over the detection threshold. The effectiveness of the proposed method is verified by simulation.The method provides the guarantee for the diversity of the load running.

island detection principle;detection method;load characteristics;power shortage

2015-10-16

周唯(1990—)，女，遼寧錦州人，碩士研究生。

1674-7046(2016)03-0084-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.03.016

TM615

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