一種有效減小盲區(qū)的孤島檢測方法

【摘要】孤島檢測作為電網(wǎng)運行狀態(tài)轉(zhuǎn)變的一個必要檢測環(huán)節(jié)，在較大程度上限制了分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展，引起越來越多的研究人員關(guān)注。本文從被動檢測法入手，提出了一種有效減小盲區(qū)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(biāo)準(zhǔn)，不僅具有低成本、易實現(xiàn)的優(yōu)點，而且與傳統(tǒng)的檢測方案相結(jié)合，進(jìn)行多重判斷，具有很高的可靠性。本文用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真實驗，結(jié)果表明該方法不僅有效減小了盲區(qū)，并且在負(fù)載突變的情況下不會誤判，抗干擾性強(qiáng)，比傳統(tǒng)被動法更加快速、有效。

【關(guān)鍵詞】孤島；被動檢測法；盲區(qū)；分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)；并網(wǎng)發(fā)電

1.前言

太陽能光伏發(fā)電是將太陽能電池組件產(chǎn)生的不穩(wěn)定的直流電，通過逆變器等元件轉(zhuǎn)換成交流電，直接供給用戶（離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)）或者與電網(wǎng)并網(wǎng)給用戶供電（光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)）。光伏發(fā)電系統(tǒng)PV（Photovoltaic Power Generation System）主要是以和大電網(wǎng)并聯(lián)的形式出現(xiàn)，與大電網(wǎng)同時給負(fù)載供電。PV可以等效為電流源，大電網(wǎng)可以等效為電壓源。系統(tǒng)正常工作時，PV的電壓受大電網(wǎng)鉗制，PV的電壓總與大電網(wǎng)保持一致。因此，當(dāng)大電網(wǎng)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(wǎng)的控制，處于失控狀態(tài)，我們把這種現(xiàn)象叫做孤島效應(yīng)。

孤島的危害[1-2]：

（1）此時，逆變器處于失控狀態(tài)，若系統(tǒng)參數(shù)超出正常閾值范圍，可能導(dǎo)致用電設(shè)備損壞。

（2）給電力維修人員和用戶的人身安全造成嚴(yán)重的威脅。

（3）當(dāng)逆變器的容量小于負(fù)載的容量時，逆變器由于過載運行而易被燒毀。

（4）在大電網(wǎng)恢復(fù)供電時（逆變器再次并網(wǎng)運行），可能會導(dǎo)致與電網(wǎng)相位不同步。

2.有效減小盲區(qū)的孤島檢測方法

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由光伏發(fā)電系統(tǒng)、負(fù)載、大電網(wǎng)（AC）組成[3-4]，由太陽能產(chǎn)生的直流電（DC）經(jīng)過逆變器、LC濾波器轉(zhuǎn)變成220伏交流電，同大電網(wǎng)一起供給負(fù)載（Load）。其中，、為PV輸出的有功和無功，、為負(fù)載消耗的有功和無功，、為電網(wǎng)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(fù)載和逆變器輸出功率平衡時快速檢測出孤島。當(dāng)孤島產(chǎn)生后，PV輸出的功率除了自身消耗和損耗之外全部供給負(fù)載，當(dāng)PV輸出的有功和負(fù)載匹配時，即，由（4）式可知，，也就是說孤島后不變；當(dāng)PV輸出的有功、無功和負(fù)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(dāng)PV和負(fù)載的有功、無功匹配或者接近的時候，電壓和頻率等系統(tǒng)參數(shù)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(dāng)PV和負(fù)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(tǒng)參數(shù)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(qū)域稱之為盲區(qū)NDZ[5]（Non-detection Zone），減小盲區(qū)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(qū)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(tǒng)參數(shù)變化較小的時候檢測結(jié)果最明顯。所以，本文采用作為檢測標(biāo)準(zhǔn)，由上述分析可知，該方法比傳統(tǒng)檢測法更快速、有效。

3.仿真分析

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行仿真實驗。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

孤島檢測的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，檢測光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的PCC處的電壓，并用鎖相環(huán)PLL采集電網(wǎng)電壓的頻率、相位，按照流程圖3進(jìn)行檢測（檢測各參數(shù)是否超出閾值），再通過PID和PWM控制將信號轉(zhuǎn)換成逆變器的控制信號，從而控制逆變器的運行狀態(tài)，達(dá)到檢測目的。系統(tǒng)正常運行時，參數(shù)均在正常閾值范圍內(nèi)，PWM輸出逆變器的驅(qū)動信號；反之，系統(tǒng)參數(shù)超出正常閾值時，則孤島發(fā)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(dāng)PV和負(fù)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(fù)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(jié)合。

3.2 實驗結(jié)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(fù)載的有功、無功接近或匹配時的檢測結(jié)果分別如圖4（a）、（b）所示，孤島前后法變化分明，超出了設(shè)定的閾值范圍，從而檢測出孤島。而法變化很小，若將閾值設(shè)置的太低，則很容易產(chǎn)生誤判，根據(jù)反復(fù)實驗結(jié)果，此時仍在閾值范圍內(nèi)，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(biāo)準(zhǔn)。

（2）逆變器的輸出功率和負(fù)載的有功、無功接近時各方法仿真結(jié)果

本文把仿真時間均設(shè)置為2s，大電網(wǎng)0.7s斷開，逆變器的輸出功率和負(fù)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(jié)果，圖中（a）、（b）分別為采用各方法時的電網(wǎng)運行狀態(tài)（1表示電網(wǎng)正常運行，0表示產(chǎn)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(shè)置為原來的1/4。根據(jù)流程圖3的檢測過程，由圖5、6、8可知，當(dāng)逆變器的輸出功率和負(fù)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(qū)。本文將過/欠壓法、過/欠頻法、法相結(jié)合，不僅可以發(fā)揮各方法的優(yōu)點，而且多重檢測提高了檢測結(jié)果的可靠性。

（3）抗干擾性檢測

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

4.結(jié)論

由于被動檢測法在負(fù)載和PV的功率接近或者匹配時檢測不出來，盲區(qū)很大，本文提出了一種以為檢測標(biāo)準(zhǔn)的孤島檢測方法，并與過/欠壓、過/欠頻檢測法結(jié)合以減小盲區(qū)。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(jìn)行檢測。在法的基礎(chǔ)上結(jié)合過/欠壓法、過/欠頻法，發(fā)揮各方法優(yōu)點，不僅檢測速度快，而且有效減小了檢測盲區(qū)。本文通過Matlab/Simulink進(jìn)行仿真實驗，結(jié)果表明該方法在負(fù)載和PV的功率接近或者匹配的時候，能夠?qū)⒐聧u快速檢測出來，并且在受到干擾時（如負(fù)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(xiàn)

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作者簡介：

張瑞葉（1988—），女，河北師范大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)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(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子與電力傳動。