分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)孤島檢測(cè)方法研究

李 媛，陳 華，郭俊輝，2，郭 浩，3

（1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.上海送變電工程公司，上海200235；3.國(guó)網(wǎng)烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830011）

分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)孤島檢測(cè)方法研究

李 媛1，陳 華1，郭俊輝1，2，郭 浩1，3

（1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.上海送變電工程公司，上海200235；3.國(guó)網(wǎng)烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830011）

孤島問題是威脅分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)安全運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵問題，因而系統(tǒng)必需具備及時(shí)檢測(cè)出孤島的功能。通過分析常用的自動(dòng)相位偏移孤島檢測(cè)方法，針對(duì)DSP應(yīng)用環(huán)境下檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量影響較大等問題，提出一種基于改進(jìn)自動(dòng)移相法的快速孤島檢測(cè)方法。該方法根據(jù)孤島發(fā)生后電流相位角與公共點(diǎn)頻率之間的關(guān)系，調(diào)節(jié)擾動(dòng)相位的正反饋，從而快速檢測(cè)出孤島，在一定負(fù)載條件下不存在檢測(cè)盲區(qū)。仿真結(jié)果表明了改進(jìn)算法的有效性與快速性，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

分布式發(fā)電；并網(wǎng)逆變器；孤島檢測(cè)；主動(dòng)移相

0 引言

隨著分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）技術(shù)快速發(fā)展，系統(tǒng)的安全防護(hù)問題不容忽視，孤島問題是其中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。孤島是指電網(wǎng)因故障事故或停電維修而跳閘后，用戶端的DG系統(tǒng)未能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而將自身切離主系統(tǒng)，形成由DG系統(tǒng)和周圍的負(fù)載組成的一個(gè)自給供電的孤島[1]。非計(jì)劃的孤島運(yùn)行會(huì)造成人身傷害或設(shè)備損毀。

本地檢測(cè)法分為主動(dòng)式檢測(cè)和被動(dòng)式檢測(cè)，主動(dòng)式檢測(cè)法中的主動(dòng)移相法是對(duì)輸出電流的相位施加擾動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。最早出現(xiàn)的主動(dòng)移相法是文獻(xiàn)[2-3]提出的滑模頻率偏移法（Slip-Mode Frequency Shift，SMS）和自動(dòng)移相法（Automatic Phase Shift，APS），它們是典型的主動(dòng)相位偏移方法，使用較廣泛，之后人們對(duì)主動(dòng)移相法進(jìn)行了更深入的研究[4-8]。由于國(guó)外與我國(guó)所用電網(wǎng)參數(shù)不同，國(guó)外文獻(xiàn)中SMS算法的參數(shù)在國(guó)內(nèi)可能不適用，文獻(xiàn)[4]針對(duì)此問題給出了適用于國(guó)內(nèi)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的算法參數(shù)。文獻(xiàn)[5-8]研究了相位偏移孤島檢測(cè)法的機(jī)理并對(duì)主動(dòng)移相法進(jìn)行改進(jìn)，使得檢測(cè)性能更優(yōu)。該類算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，檢測(cè)能力強(qiáng)，電流畸變小，且適用于多逆變器的情形。

并網(wǎng)發(fā)電專用標(biāo)準(zhǔn)IEEEStd929-2000和ULl741規(guī)定并網(wǎng)逆變器必須具有孤島檢測(cè)保護(hù)的功能，且在其他方面滿足并網(wǎng)要求的情況下檢測(cè)時(shí)間越短效果越好[1]。本文提出一種改進(jìn)算法，能更快速有效地檢測(cè)出孤島，減小檢測(cè)盲區(qū)，且對(duì)電網(wǎng)的影響較小。

1 常見的主動(dòng)移相式檢測(cè)算法

當(dāng)并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，其輸出的電流與電網(wǎng)電壓是同頻同相的。加入主動(dòng)移相式孤島檢測(cè)算法后，逆變器輸出電流的頻率保持不變，但相位發(fā)生偏移，偏移大小由移相算法決定[4]。圖 1為主動(dòng)移相孤島檢測(cè)法的原理圖，其輸出電流參考信號(hào)是按周期給出的：由鎖相環(huán)檢測(cè)公共點(diǎn)電壓周期，從而得到公共點(diǎn)頻率，作為下一周期參考電流的頻率，電流周期以節(jié)點(diǎn)電壓的正向過零時(shí)刻為起點(diǎn)，初始相位由所采用的移相算法來確定。

圖1 主動(dòng)移相孤島檢測(cè)法的原理示意圖

主動(dòng)移相法的典型代表SMS算法應(yīng)用較廣泛，按此法給定的起始相位由下式計(jì)算得出：

式中，θm為設(shè)置的最大相移角；fm為最大相移角對(duì)應(yīng)的頻率；fg為電網(wǎng)頻率；f為所測(cè)公共點(diǎn)頻率。

為簡(jiǎn)化參考電流初始相位計(jì)算公式并易于在DSP上實(shí)現(xiàn)，有人提出一種改進(jìn)算法，定義相位計(jì)算公式為：

式中，k為主動(dòng)移相算法的反饋系數(shù)。

相較式（1），式（2）更加簡(jiǎn)潔，更適合于 DSP的應(yīng)用環(huán)境。當(dāng)本地負(fù)載為標(biāo)準(zhǔn)諧振負(fù)載時(shí)，式(2)中的反饋系數(shù)取k＞0.1時(shí)能成功檢測(cè)出孤島。在該式中，k值變化引起相位變化，而相位同時(shí)影響著檢測(cè)效率和電能質(zhì)量，二者是相互矛盾的。

2 孤島運(yùn)行時(shí)負(fù)載頻率特性分析

孤島檢測(cè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中通常用RLC并聯(lián)諧振負(fù)載來代表實(shí)際運(yùn)行時(shí)的負(fù)載。對(duì)并聯(lián)諧振負(fù)載頻率特性進(jìn)行分析，負(fù)載品質(zhì)因數(shù)[5]：

式中，ω0為諧振角頻率，f0為負(fù)載諧振頻率。

并聯(lián) RLC負(fù)載在頻率f電路下阻抗相角為[5]：

當(dāng)電網(wǎng)斷開后，公共連接點(diǎn)的電壓由電流和本地負(fù)載的乘積所得，通常將節(jié)點(diǎn)電壓取為參考向量，所以電壓相角取零，故：

根據(jù)式(5)與式(6)可以得出，在特定的負(fù)載情況下，孤島運(yùn)行時(shí)公共耦合點(diǎn)電壓的頻率與電流相位角的關(guān)系如下：

由上述關(guān)系可繪制公共耦合點(diǎn)電壓頻率隨電流相位角增大（減小）的變化趨勢(shì)圖，見圖2。其中曲線 1、2、3分別代表額定頻率下呈阻性、感性和容性負(fù)載（通過改變諧振負(fù)載電容值實(shí)現(xiàn)）的節(jié)點(diǎn)電壓頻率跟隨電流初相位變化的規(guī)律。曲線 1：Qf=2.5，ΔCnorm=0；曲線 2：Qf= 2.5，ΔCnorm=-0.08；曲線 3：Qf=2.5，ΔCnorm=0.08。

圖2 改變諧振負(fù)載電容值頻率隨逆變器輸出電流相位角變化的情況

從圖2中可以看出，在特定的負(fù)載情形下，隨著電流超前相位的不斷增加，公共連接點(diǎn)的頻率不斷增大，若電流滯后，頻率則逐漸減小。注意到，當(dāng)相位變化時(shí)該函數(shù)單調(diào)增加的快慢有所不同。隨著電流滯后相位的增加，起初頻率呈直線變化，而后相位每增大一點(diǎn)頻率迅速減??；電流超前情況下類似，頻率隨相位的增大，變化越來越迅速。

3 改進(jìn)的主動(dòng)移相法

當(dāng)電網(wǎng)斷開后，公共點(diǎn)電壓頻率與相位偏移量是以正反饋的形式相互作用，使頻率不斷變化。由圖2得到的頻率變化規(guī)律可知，電流超前（滯后）相位連續(xù)變化時(shí)，頻率偏移速度越來越快。而相位偏移量主要受反饋系數(shù)的影響，為緩解主動(dòng)移相法中相位變化時(shí)檢測(cè)時(shí)間和電能質(zhì)量之間的矛盾，提高檢測(cè)效率，提出一種改進(jìn)算法。當(dāng)檢測(cè)到頻率不斷朝一個(gè)方向變化時(shí)，設(shè)置如下條件：

式中δ為設(shè)定的頻率允許波動(dòng)值。當(dāng)頻率的波動(dòng)超出限定范圍時(shí)，改變移相法反饋系數(shù)。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T15945-1995《電能質(zhì)量—電力系統(tǒng)頻率允許偏差》規(guī)定，電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為0.2 Hz，所以此處取δ=0.2。當(dāng)上述不等式成立時(shí)，相位偏移公式變?yōu)椋?/p>

改進(jìn)后算法流程見圖3。首先按照算法式(2)施加相位偏移，當(dāng)檢測(cè)到頻率向一個(gè)方向變動(dòng)時(shí)，判斷條件式(8)是否滿足。若條件滿足，則認(rèn)為故障可能已發(fā)生，改變移相法反饋系數(shù)，按式(9)加入偏移量。通過增大反饋系數(shù)加強(qiáng)相位與頻率之間的正反饋?zhàn)饔?，達(dá)到快速檢測(cè)孤島的目的。反饋系數(shù)是在認(rèn)定故障已發(fā)生后增大的，因此不會(huì)增加并網(wǎng)電流的畸變率。仿真中取k=0.105。

圖3 改進(jìn)算法流程圖

4 仿真驗(yàn)證與分析

應(yīng)用MATLAB/Simulink對(duì)整個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)搭建模型并進(jìn)行仿真研究。設(shè)置負(fù)載為標(biāo)準(zhǔn)諧振負(fù)載，負(fù)載功率與逆變器輸出功率相平衡，負(fù)載參數(shù)R=16.1 Ω，L= 20.5 mH，C=486.9 μF，電網(wǎng)電壓為 220 V，額定頻率為50 Hz。電網(wǎng)在0.2 s斷開，分別對(duì)改進(jìn)前后的主動(dòng)移相法進(jìn)行仿真。

圖4為采用移相算法 θ=0.105 Δf時(shí)，電網(wǎng)斷開后公共節(jié)點(diǎn)電壓及電流的變化情況。圖5為頻率偏移情況。由圖可以看出該法能成功檢測(cè)出孤島，但直至 0.45 s孤島保護(hù)才動(dòng)作，檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，不滿足IEEE Std.929-2000標(biāo)準(zhǔn)中0.2 s內(nèi)有效檢測(cè)出孤島的要求。圖6和圖7為應(yīng)用改進(jìn)算法時(shí)公共點(diǎn)電壓、電流及頻率的變化情況。

圖4 公共連接點(diǎn)電壓和電流變化情況

圖5 公共連接點(diǎn)電壓頻率變化情況

圖6 改進(jìn)算法公共連接點(diǎn)電壓和電流變化情況

圖7 改進(jìn)算法公共連接點(diǎn)電壓頻率變化情況

從圖7中頻率的變化情況可以看出，當(dāng)頻率低于49.8 Hz改變算法反饋系數(shù)后，每一電壓周期的頻率變化量不斷增大，從而使頻率快速偏移出設(shè)定閾值，系統(tǒng)在0.36 s時(shí)檢測(cè)出孤島并退出運(yùn)行。檢測(cè)時(shí)間為0.16 s，滿足0.2 s內(nèi)有效檢測(cè)出孤島的標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)時(shí)間較改進(jìn)前縮短了約5個(gè)電壓周期。同時(shí)對(duì)改進(jìn)算法下的電能質(zhì)量進(jìn)行分析，圖8為并網(wǎng)運(yùn)行階段的電流波形，據(jù)此波形計(jì)算輸出電流的總諧波畸變率為 0.15%，完全符合低于5%的并網(wǎng)要求，諧波含量非常小，對(duì)電網(wǎng)幾乎無影響。因此改進(jìn)算法能在保證較低電流畸變率的情況下，大大縮短檢測(cè)時(shí)間，提高檢測(cè)性能，減小盲區(qū)。

圖8 并網(wǎng)工作時(shí)電流波形

5 結(jié)論

本文針對(duì)已有的主動(dòng)相位偏移法存在的檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)、檢測(cè)效率低下的問題，提出一種改進(jìn)算法。該方法是對(duì)逆變器輸出電流的相位施加擾動(dòng)，進(jìn)而引起頻率的偏移。算法中加入一個(gè)反應(yīng)頻率變化的閾值條件，并根據(jù)條件滿足與否判別是否增大移相算法反饋系數(shù)，使得公共點(diǎn)電壓頻率迅速減小直到超出設(shè)定范圍，OFP/UFP動(dòng)作，系統(tǒng)退出運(yùn)行。改進(jìn)算法保持了原算法在DSP上的易實(shí)現(xiàn)性，并使檢測(cè)時(shí)間大大減少，滿足IEEE Std.929-2000標(biāo)準(zhǔn)要求，且對(duì)電能質(zhì)量影響很小。通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了其檢測(cè)的有效性及快速性。

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圖3 系統(tǒng)吞吐量與門限值ε關(guān)系圖（180個(gè)用戶）

4 結(jié)束語

針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中小區(qū)選擇問題，為了折中負(fù)載均衡和提升干擾管理兩項(xiàng)指標(biāo)，研究了一種基于干擾負(fù)載比的小區(qū)選擇策略。仿真結(jié)果表明，在綜合考慮了接入小區(qū)負(fù)載和所受其他小區(qū)干擾后，所提小區(qū)選擇策略在有效改善Pico小區(qū)用戶性能的情況下，在用戶接入公平性和系統(tǒng)吞吐量上較傳統(tǒng)小區(qū)選擇策略都有較大的提升。參考文獻(xiàn)

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（收稿日期：2015-08-27）

作者簡(jiǎn)介：

李校林（1968-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：第三代移動(dòng)通信、通信新技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

裴海民（1986-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，E-mail：peihaimin@126. com。

范文倩（1989-），女，碩士研究生，主要研究方向：無線通信技術(shù)。

Research on islanding detection method for distributed generation grid-connected system

Li Yuan1，Chen Hua1，Guo Junhui1，2，Guo Hao1，3
（1.School of Electrical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047，China；2.Shanghai Power Transmission and Transformation Engineering Company，Shanghai 200235，China；3.State Grid Urumqi Electric Power Supply Company，Urumqi 830011，China）

The problem of islanding is an important issue that may threat the network security of distributed generation system,so the system need to have the function of detecting islanding in time.By analyzing the conventional automatic phase shift islanding detection method,for the problem of long detection time,and it has greater impact on system power quality in DSP application environment,a fast islanding detection method based on the improved automatic phase shifting was proposed.The working principle of the improved method is analyzed,according to the relationship between current phase angle and the common point frequency when islanding adjusted the positive feedback of perturbations phase to achieve the purpose of rapid detection of islanding.And this method under certain load conditions do not exist detection blind spots.Simulation results show that the proposed algorithm is efficient and fast,and it has certain application value in engineering.

distributed generation；grid-connected inverter；islanding detection；active phase shift

TM71

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.030

李媛，陳華，郭俊輝，等.包絡(luò)跟蹤芯片應(yīng)用中查找表的分析與確定[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41 (11)：108-111.

英文引用格式：Li Yuan，Chen Hua，Guo Junhui，et al.Research on islanding detection method for distributed generation grid-connected system[J].Application of Electronic Technique，2015，41(11)：108-111.

2015-07-22)

李媛（1992-），女，碩士研究生，主要研究方向：智能控制與系統(tǒng)開發(fā)、分布式發(fā)電。

陳華（1964-），女，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：智能控制與系統(tǒng)開發(fā)、清潔能源發(fā)電。