基于組合決策的孤島檢測(cè)技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用

蔣燕，張艷，張祖麗，張繼紅，張玉瓊

(1.重慶電力高等專科學(xué)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(diào)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(cè)是微電網(wǎng)由并網(wǎng)向孤島平穩(wěn)過渡過程中一個(gè)必要的檢測(cè)環(huán)節(jié)。根據(jù)檢測(cè)原理不同，可分為主動(dòng)檢測(cè)法和被動(dòng)檢測(cè)法。主動(dòng)檢測(cè)法[1]是通過人為向系統(tǒng)引入微小電壓、電流或頻率擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)判定，優(yōu)點(diǎn)是盲區(qū)較小、靈敏度較高，缺點(diǎn)是如引入系統(tǒng)的擾動(dòng)控制不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致微電網(wǎng)進(jìn)入孤島狀態(tài)后無法穩(wěn)定運(yùn)行。被動(dòng)檢測(cè)法[2]是通過采集本地信號(hào)，在不外加任何擾動(dòng)的情況下進(jìn)行孤島檢測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，設(shè)備投入少，易于實(shí)現(xiàn)，適用于微電網(wǎng)需求，缺點(diǎn)是檢測(cè)盲區(qū)較大，不適合單獨(dú)使用。為保障微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的平穩(wěn)性，同時(shí)考慮檢測(cè)精度、靈敏度及擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響，文中提出了適用于微電網(wǎng)特點(diǎn)，以被動(dòng)檢測(cè)為主，主動(dòng)檢測(cè)為輔的組合決策孤島檢測(cè)技術(shù)。

1 常用被動(dòng)孤島檢測(cè)法及原理

1.1 相位突變檢測(cè)法

相位突變法是利用逆變電源輸出電流與公共連接點(diǎn)（PCC）電壓間相位差變化來檢測(cè)孤島的發(fā)生。并網(wǎng)狀態(tài)下，PCC電壓受主網(wǎng)鉗制，微電源輸出電流與PCC電壓同相位[3]。當(dāng)孤島產(chǎn)生時(shí)，由于負(fù)載阻抗角的存在，使得PCC處電壓相位發(fā)生跳變，與電流的相位差轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)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(chǎn)生。相位突變檢測(cè)法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，不會(huì)對(duì)逆變器輸出的電能質(zhì)量和系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定產(chǎn)生影響。但當(dāng)負(fù)載阻抗角接近0時(shí)，即負(fù)載近似呈阻性時(shí)，該方法失效，需采用其他孤島檢測(cè)手段進(jìn)行輔助判斷。

1.2 頻率變化率法

頻率變化率法的理論基礎(chǔ)是假設(shè)在孤島形成瞬間，分布式電源發(fā)出的電力和孤島負(fù)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(chǎn)生瞬間頻率變化，因此采用頻率變化率df/dt作為判據(jù)，可以檢測(cè)孤島的產(chǎn)生[4]。

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

2 選擇性投切并聯(lián)電容回路的主動(dòng)檢測(cè)法

選擇性投切并聯(lián)電容回路孤島檢測(cè)法[5]是通過向微電網(wǎng)與主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線微電網(wǎng)側(cè)投入并聯(lián)電容回路，引入無功電流擾動(dòng)信號(hào)來進(jìn)行孤島檢測(cè)，是一種典型的主動(dòng)檢測(cè)法。該方法通過檢測(cè)PCC處的無功流量控制并聯(lián)電容回路的投入，消除了微電網(wǎng)與主網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線上微潮流或零潮流時(shí)被動(dòng)檢測(cè)法失效的弊端。如圖1所示電路，當(dāng)檢測(cè)回路檢測(cè)到連接點(diǎn)PCC處無功流量為0時(shí)，將并聯(lián)電容回路投入，再檢測(cè)PCC處無功流量，如仍為0，則判定孤島發(fā)生?；谶x擇性投切并聯(lián)電容回路的主動(dòng)孤島檢測(cè)邏輯如圖2所示。

圖1 PCC點(diǎn)斷開時(shí)投入電容后無功流向

投切并聯(lián)電容回路的主動(dòng)檢測(cè)法可快速準(zhǔn)確的檢測(cè)出孤島狀態(tài)，靈敏度較高。由于投切電容并聯(lián)回路會(huì)向系統(tǒng)引入擾動(dòng)，需要合理控制擾動(dòng)大小，在確保微電網(wǎng)孤島運(yùn)行穩(wěn)定的情況下實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)。因此，從系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性出發(fā)，主動(dòng)檢測(cè)法一般作為后備檢測(cè)手段，在其他檢測(cè)方法的非正常工作區(qū)域投入使用。

圖2 選擇性投切并聯(lián)電容回路的主動(dòng)檢測(cè)邏輯

3 組合決策孤島檢測(cè)法

3.1 組合決策孤島檢測(cè)法的基本原理

鑒于主動(dòng)、被動(dòng)兩類檢測(cè)方法在檢測(cè)盲區(qū)上存在互補(bǔ)性，提出以被動(dòng)為主、主動(dòng)為輔的組合決策孤島檢測(cè)法。即孤島檢測(cè)時(shí)以相位突變和頻率變化率組合作為主要的檢測(cè)手段，對(duì)于微電網(wǎng)內(nèi)部阻抗接近純阻性且內(nèi)部功率基本平衡的情況，采用投入電容回路作為輔助檢測(cè)手段，通過引入PCC潮流變化和投入電容后阻抗角變化進(jìn)行組合判斷，提高孤島檢測(cè)可靠性和準(zhǔn)確率。基于被動(dòng)為主、主動(dòng)為輔的組合決策孤島檢測(cè)法的邏輯如圖3所示。

需要說明的是：在實(shí)際系統(tǒng)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(shù)微電網(wǎng)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(cè)手段。

3.2 微電網(wǎng)組合決策孤島檢測(cè)仿真分析

分別采用相位突變檢測(cè)法、頻率變化率檢測(cè)法、并聯(lián)電容回路投切檢測(cè)法以及組合決策法對(duì)微電網(wǎng)仿真電路進(jìn)行孤島檢測(cè)仿真計(jì)算分析，驗(yàn)證組合決策孤島檢測(cè)技術(shù)在微電網(wǎng)的適用性。

3.2.1 仿真算例建模及檢測(cè)判據(jù)說明

以圖4微電網(wǎng)系統(tǒng)作為仿真電路，使用Matlab/Simulink仿真工具進(jìn)行算例系統(tǒng)建模，如圖5所示。圖5微電網(wǎng)中的微電源通過逆變器與主電網(wǎng)相連，采用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）對(duì)逆變器接口進(jìn)行控制，保證微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)與主電網(wǎng)同頻、同壓、同相位。仿真電路參數(shù)設(shè)定如下。

圖3 被動(dòng)為主、主動(dòng)為輔的組合決策邏輯框

（1）主電網(wǎng)。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(diào)節(jié)器比例增益Ku=0.25，積分增益Tu=25；電流調(diào)節(jié)器比例增益Ki=2.5，積分增益Ti=250。

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

對(duì)微電網(wǎng)不同運(yùn)行方式、不同負(fù)荷特性下微電網(wǎng)與主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線三相跳閘，形成孤島。采用相位突變檢測(cè)法、頻率變化率檢測(cè)法、并聯(lián)電容回路投切檢測(cè)法及組合決策法進(jìn)行孤島檢測(cè)。其檢測(cè)判據(jù)如下：

（1）相位突變檢測(cè)判據(jù)設(shè)定為5°，即相位差大于5°即判定為孤島；

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

（3）并聯(lián)電容回路的投切采用理想開關(guān)，即聯(lián)絡(luò)線電流過零瞬間投入電容（0.1μF/相）。電容投入后實(shí)時(shí)檢測(cè)并聯(lián)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(cè)法檢測(cè)效果對(duì)比

對(duì)圖5仿真算例采用上述幾種孤島檢測(cè)法對(duì)各種負(fù)載情況進(jìn)行仿真計(jì)算，檢測(cè)時(shí)間及效果如表1所示。

表1 幾種檢測(cè)方法的檢測(cè)時(shí)間及效果對(duì)比s

（1）當(dāng)微電網(wǎng)為非阻性負(fù)載（容性和感性）時(shí)，電壓相位突變法可以快速檢測(cè)出孤島；當(dāng)微電網(wǎng)為阻性或純電阻負(fù)載時(shí)，電壓相位突變法失效；

（2）當(dāng)微電網(wǎng)從主網(wǎng)受電時(shí)，頻率變化率法可以成功檢測(cè)孤島，其中阻性和電阻負(fù)載能夠快速進(jìn)行孤島檢測(cè)，而容性和感性負(fù)載由于進(jìn)入孤島后導(dǎo)致微電網(wǎng)電壓下降進(jìn)而造成有功功率不平衡程度減弱，導(dǎo)致檢測(cè)時(shí)間延長(zhǎng)，檢測(cè)速度較慢，整體而言，頻率變化法檢測(cè)速度較電壓相位突變法慢；當(dāng)微電網(wǎng)功率自平衡時(shí)，頻率變化率法失效；

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

（4）組合決策法以組合被動(dòng)檢測(cè)方法（電壓相位突變?yōu)橹髋袚?jù)、頻率變化為輔助判據(jù)）為主要檢測(cè)手段，以主動(dòng)投切電容回路法作為輔助檢測(cè)手段，是現(xiàn)有檢測(cè)方法的綜合應(yīng)用，即在幾種方法均有效的情況下，采取檢測(cè)時(shí)間最短的方法，從而提高了微電網(wǎng)孤島檢測(cè)的成功率、檢測(cè)速度和靈敏度。

4 結(jié)束語

在分析電壓相位突變檢測(cè)、頻率變化率檢測(cè)和主動(dòng)投切電容回路3種孤島檢測(cè)方法的原理及檢測(cè)特性基礎(chǔ)上，提出了被動(dòng)為主、主動(dòng)為輔的組合決策孤島檢測(cè)法，使用Matlab/Simulink工具搭建微電網(wǎng)仿真模型，對(duì)微電網(wǎng)的不同運(yùn)行方式、不同負(fù)荷特性下聯(lián)絡(luò)線跳閘，孤島形成過程及采用各種孤島檢測(cè)法進(jìn)行孤島檢測(cè)的過程進(jìn)行仿真計(jì)算和對(duì)比分析，結(jié)果表明組合決策孤島檢測(cè)法消除了單一孤島檢測(cè)法存在的檢測(cè)盲區(qū)，提高了檢測(cè)速度和靈敏度，是一種適用于微電網(wǎng)的孤島檢測(cè)方法。

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