常見(jiàn)孤島檢測(cè)盲區(qū)描述方法

劉 建 ，崔德民 ，李曉博 ，王 晶 ，王 森

（1.德州供電公司，山東 德州 253000；2.山東鋁業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 255051；3.中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

0 引言

孤島問(wèn)題是指當(dāng)電網(wǎng)因發(fā)生故障或停電維修等原因而跳閘，以致于不能可靠供電時(shí)，分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如果未能快速及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而仍舊與電網(wǎng)相連，并繼續(xù)供電，將形成供電孤島［1］。圖1所示為分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖。針對(duì)分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測(cè)方法種類(lèi)繁多，如表1所示，但大部分都存在檢測(cè)盲區(qū)問(wèn)題，即在一些特殊的負(fù)載情況下，孤島檢測(cè)裝置不能及時(shí)有效地檢測(cè)出孤島狀態(tài)，對(duì)負(fù)載端用戶的設(shè)備造成損壞，孤島線路也將危及檢修人員的人身安全，在重新合閘前如沒(méi)有消除孤島狀態(tài)也將會(huì)導(dǎo)致不同步并網(wǎng)，其所帶來(lái)的危害可想而知。當(dāng)所用檢測(cè)方法不能可靠檢測(cè)出孤島狀態(tài)時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的負(fù)荷空間或負(fù)載參數(shù)區(qū)間即可定義為孤島檢測(cè)盲區(qū)。孤島檢測(cè)盲區(qū)的大小可以作為判斷孤島檢測(cè)方法好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)孤島檢測(cè)盲區(qū)進(jìn)行恰如其分的描述，可以對(duì)相應(yīng)的孤島檢測(cè)方法性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而有效地揭示孤島檢測(cè)方法的適用范圍。

圖1 孤島系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖

研究孤島檢測(cè)盲區(qū)的描述方法可以更深入地找出孤島檢測(cè)失敗的原因，便于今后研究出更高效的孤島檢測(cè)方法。

1 孤島檢測(cè)盲區(qū)描述方法

對(duì)于孤島檢測(cè)盲區(qū)的描述，目前有多種方法，如功率失配區(qū)間描述法、負(fù)載參數(shù)L×Cnorm區(qū)間描述法、負(fù)載特性參數(shù)Qf×fres區(qū)間描述法、類(lèi)負(fù)載特性參數(shù)Qf0×Cmorm區(qū)間描述法等，有著各自不同的特點(diǎn)和適應(yīng)范圍。

1.1 功率失配區(qū)間描述法

由于電網(wǎng)跳閘前后系統(tǒng)中功率的變化情況可以通過(guò)功率不匹配的大小ΔP和ΔQ和很明顯的反映出來(lái)，因此，可以簡(jiǎn)單地使用功率失配區(qū)間區(qū)間ΔP×ΔQ對(duì)被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法的檢測(cè)盲區(qū)（NDZ）進(jìn)行定量描述［2］。

表1 孤島檢測(cè)方法

在圖1所示的孤島系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖中，當(dāng)分布式電源輸出的有功和無(wú)功功率比負(fù)載所需的有功和無(wú)功功率大時(shí)，電網(wǎng)將吸收多輸出的那一部分有功和無(wú)功功率；反之，當(dāng)分布式電源發(fā)出的功率比負(fù)載所需的功率小時(shí)，負(fù)載將從電網(wǎng)吸收相應(yīng)的功率缺額。 當(dāng)電網(wǎng)側(cè)斷路器斷開(kāi)形成孤島運(yùn)行時(shí)，如果分布式電源發(fā)送的功率與負(fù)載所需的功率不相等，即ΔP＋jΔQ≠0時(shí)，公共耦合點(diǎn)a處的電壓幅值大小和頻率將發(fā)生變化，電路將運(yùn)行于一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)平衡點(diǎn)。如果分布式電源發(fā)送的功率與負(fù)載所需的功率比較接近，即和特別小的時(shí)候，則孤島系統(tǒng)中的電壓幅值和頻率變化很微弱，系統(tǒng)不能檢測(cè)出孤島，孤島狀態(tài)將持續(xù)發(fā)生，也即是進(jìn)入檢測(cè)盲區(qū)了。如果功率不匹配很?chē)?yán)重，即ΔP和ΔQ足夠大時(shí)，則公共耦合點(diǎn)a處的電壓幅值和頻率將超出正常工作范圍，OUF和OUV保護(hù)將判斷出孤島并阻止孤島狀態(tài)的繼續(xù)運(yùn)行。用功率失配區(qū)間ΔP×ΔQ區(qū)間，即如圖2所示，以坐標(biāo)原點(diǎn)附近的區(qū)間來(lái)描述以上2種情況，公共耦合點(diǎn)a處的電壓幅值或者頻率的變化只要在此區(qū)間內(nèi)都將不能夠觸發(fā)反孤島保護(hù)動(dòng)作，所以將這個(gè)區(qū)間定義為功率失配區(qū)間ΔP×ΔQ區(qū)間中所描述的NDZ。NDZ越小說(shuō)明所描述的孤島檢測(cè)方法性能越好。

圖2 ΔP×ΔQ區(qū)間描述的NDZ

1.2 負(fù)載參數(shù)L×Cnorm區(qū)間描述法

當(dāng)分布式電源輸出功率與負(fù)載所需功率相匹配時(shí)，主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法仍能檢測(cè)出孤島，與被動(dòng)式孤島檢測(cè)法相比，其檢測(cè)效率明顯提高。雖然功率失配區(qū)間ΔP×ΔQ區(qū)間在一定程度上能反映出孤島檢測(cè)方法的可行性，但是功率失配區(qū)間ΔP×ΔQ區(qū)間不能直觀地反映主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法的有效性，也不能反映出其與負(fù)載參數(shù)之間的關(guān)系。因此，可以考慮用一種基于具體負(fù)載參數(shù)的坐標(biāo)區(qū)間方法來(lái)準(zhǔn)確地描述主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法的檢測(cè)盲區(qū)，如L×Cnorm區(qū)間，其中L為負(fù)載電感，Cnorm為負(fù)載電容的標(biāo)幺值。發(fā)生諧振時(shí)，電網(wǎng)角頻率

即可知諧振電容為

定義負(fù)載電容的標(biāo)幺值Cnonm為

式中：C為負(fù)載電容；L為負(fù)載電感。

記θload孤島狀態(tài)時(shí)的負(fù)載阻抗角，θDG為所采用的孤島檢測(cè)方法決定的分布式電源輸出電流超前于端電壓的相位角，則相位平衡關(guān)系為

式（4）可作為孤島發(fā)生與否的一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)，即孤島發(fā)生的相位判據(jù)。

由θload=-θDG可推出L×Cnorm區(qū)間描述的相位判據(jù)

對(duì)L×Cnorm區(qū)間中的任意一點(diǎn)，孤島系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率都可以用（5）式所述相位判據(jù)進(jìn)行計(jì)算，如果孤島系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率沒(méi)有超出過(guò)/欠頻保護(hù)的范圍，那么該負(fù)載參數(shù)位于所采用孤島檢測(cè)方法的NDZ之內(nèi)，否則處于NDZ之外。需要注意的是，式（5）可以發(fā)現(xiàn)，由于相位判據(jù)只能對(duì)基于頻率的孤島檢測(cè)方法的NDZ的大小和位置進(jìn)行描述，而對(duì)于預(yù)測(cè)孤島狀態(tài)持續(xù)發(fā)生的時(shí)間卻無(wú)能為力，并且根據(jù)（5）式的相位判據(jù)所確定出的NDZ的大小與電阻R的大小有關(guān)。因此，當(dāng)負(fù)載電阻R不相同時(shí)，用同一種孤島檢測(cè)方法在L×Cnorm區(qū)間中所描述的NDZ也不盡相同，所以L×Cnorm區(qū)間在反映負(fù)載電阻的變化對(duì)基于頻率的孤島檢測(cè)方法所形成的NDZ的形狀及大小的影響時(shí)就顯得效果不是很理想，說(shuō)明負(fù)載參數(shù)L×Cnorm區(qū)間描述法存在很大的局限性。文獻(xiàn)［3］對(duì)負(fù)載參數(shù)L×Cnorm區(qū)間描述法進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1.3 負(fù)載特性參數(shù)Qf×fres區(qū)間描述法

諧振電路的品質(zhì)因數(shù)

式中：ωres為負(fù)載電路諧振角頻率。

為了避免負(fù)載電阻的變化對(duì)孤島檢測(cè)盲區(qū)的影響，可以考慮以負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Qf為橫坐標(biāo)和負(fù)載電路諧振頻率fres為縱坐標(biāo)建立負(fù)載特性參數(shù)Qf×fres區(qū)間，即將（6）式和（7）式代入（5）式可以找出 Qf×fres區(qū)間中的相位判據(jù)

如果滿足（8）式的頻率f在正常頻率工作范圍內(nèi)，將持續(xù)發(fā)生孤島狀態(tài)。因此，可用（8）式來(lái)評(píng)估基于頻率的孤島檢測(cè)方法在Qf×fres區(qū)間中的有效性。在Qf×fres區(qū)間中描述孤島檢測(cè)方法的NDZ時(shí)，不需要像在L×Cnorm區(qū)間中描述NDZ那樣因電阻改變而繪制不同的曲線。 因此，對(duì)任意的負(fù)載RLC，在Qf×fres區(qū)間中基于頻率的孤島檢測(cè)方法都可用一個(gè)NDZ來(lái)簡(jiǎn)潔直觀的進(jìn)行描述，可以認(rèn)為是對(duì)L×Cnorm區(qū)間描述法的一個(gè)改進(jìn)。文獻(xiàn)［4］將負(fù)載特性參數(shù)Qf×fres區(qū)間描述法進(jìn)一步的推廣到三維空間，以主動(dòng)頻移法AFD的不可檢測(cè)區(qū)為例

它以Qf，δf為自變量，fres為變量構(gòu)成三維空間，可以更直觀的描述檢測(cè)盲區(qū)，并分析了各種孤島檢測(cè)方法的參數(shù)對(duì)檢測(cè)盲區(qū)的影響，（9）式中δf為頻率的偏移量。

類(lèi)似的，也可以考慮用諧振電路的角頻率ωres替換負(fù)載電路諧振頻率fres，建立負(fù)載特性參數(shù)Qf×ωres區(qū)間，其特點(diǎn)和Qf×fres區(qū)間描述法基本一樣。

1.4 類(lèi)負(fù)載特性參數(shù)Qf0×Cnorm區(qū)間描述法

從（6）式和（7）式不難發(fā)現(xiàn)負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Qf和負(fù)載電路諧振頻率fres都與負(fù)載電感L、負(fù)載電容C相關(guān)，說(shuō)明Qf×fres區(qū)間的兩個(gè)坐標(biāo)互相耦合，不能直接的反映NDZ與負(fù)載參數(shù)之間的關(guān)系，不利于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)［5］提出的Qf0×Cnorm區(qū)間描述法可以解決上述問(wèn)題。

定義類(lèi)負(fù)載品質(zhì)因數(shù)

雖然 Qf0的定義在形式上與負(fù)載品質(zhì)因數(shù)類(lèi)似，但Qf0受電網(wǎng)角頻率、負(fù)載電阻和負(fù)載電感的影響，與負(fù)載電容沒(méi)有關(guān)系。

Qf0×Cnorm區(qū)間描述法以類(lèi)負(fù)載品質(zhì)因數(shù) Qf0為橫坐標(biāo)，負(fù)載電容的標(biāo)幺值Cnorm為縱坐標(biāo)，橫縱坐標(biāo)之間相互獨(dú)立，能直接描述檢測(cè)盲區(qū)與負(fù)載參數(shù)之間的關(guān)系，有利于將孤島檢測(cè)的理論研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及產(chǎn)品性能認(rèn)證相結(jié)合，應(yīng)用于工程實(shí)踐。當(dāng)電網(wǎng)頻率和分布式電源輸出功率不變時(shí)，即ω0和R（R的大小由有功功率決定）的值為常數(shù)，由（9）式可知Qf0是負(fù)載電感L的單值函數(shù)，坐標(biāo)軸Qf0能等效反映負(fù)載電感L的大小，與另一個(gè)坐標(biāo)軸Cnorm一起，正好能夠支撐起整個(gè)負(fù)載平面，使盲區(qū)圖形更好的呈現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)負(fù)載頻率和電網(wǎng)頻率相等時(shí)，即ωres=ω0時(shí)，有Qf0=Qf，從而使盲區(qū)平面中的 Qf0值可直接與IEEE 929—2000標(biāo)準(zhǔn)中Qf的值相對(duì)應(yīng)，為該盲區(qū)描述方法與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std.929—2000間的兼容性提供了理論基礎(chǔ)。類(lèi)負(fù)載特性參數(shù) Qf0×Cnorm盲區(qū)描述方法同樣也適用于 SMS（Slip Mode Frequency Shift）、APS（Automatic Phase-Shift Method）等基于移頻、移相類(lèi)孤島檢測(cè)方法的性能描述。文獻(xiàn)［5］對(duì)類(lèi)負(fù)載特性參數(shù)Qf0×Cnorm區(qū)間描述法進(jìn)行了詳細(xì)的分析和探討，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。

2 各種描述方法的優(yōu)缺點(diǎn)

表2對(duì)常見(jiàn)的孤島檢測(cè)盲區(qū)描述方法進(jìn)行了分類(lèi)比較，都各具特色。在選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境選擇相應(yīng)的描述方法，從而達(dá)到高效、準(zhǔn)確的檢測(cè)目的。

表2 孤島檢測(cè)盲區(qū)描述方法的比較

3 結(jié)語(yǔ)

綜述了分布式發(fā)電系統(tǒng)中常用的描述孤島檢測(cè)盲區(qū)的4種方法，其中類(lèi)負(fù)載特性參數(shù)Qf0×Cnorm區(qū)間描述法的性能最好，但是主要用于移頻或移相類(lèi)的孤島檢測(cè)方法。隨著分布式電源的廣泛發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)孤島檢測(cè)方法的性能要求也越來(lái)越高，這就要求必須去深入探討挖掘描述孤島檢測(cè)盲區(qū)的新方法，能廣泛適用于不同類(lèi)型的孤島檢測(cè)方法。

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