雙饋風(fēng)電機(jī)組孤島機(jī)理與防孤島保護(hù)試驗(yàn)

李少林，秦世耀，王瑞明，王文卓

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192）

0 引言

風(fēng)電的快速發(fā)展給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了一些負(fù)面影響，其中，風(fēng)電的電網(wǎng)適應(yīng)性問(wèn)題受到了越來(lái)越多的關(guān)注［1］。一方面，風(fēng)電機(jī)組／風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)能耐受國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)的電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、電壓不平衡、電壓閃變與諧波等電網(wǎng)運(yùn)行的極限工況而不脫網(wǎng)；另外一方面，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)自主實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與自身運(yùn)行狀態(tài)的辨識(shí)，具備快速、可靠、準(zhǔn)確的防孤島保護(hù)能力。

光伏等分布式發(fā)電的防孤島保護(hù)問(wèn)題一直是研究熱點(diǎn)［2-10］。分布式電源的孤島檢測(cè)方法主要分為基于通信的系統(tǒng)級(jí)孤島檢測(cè)和基于發(fā)電單元的局部孤島檢測(cè)。前者主要是利用核心設(shè)備相互通信來(lái)檢測(cè)孤島效應(yīng)，而后者主要是通過(guò)監(jiān)控分布式發(fā)電裝置的端電壓及電流信號(hào)來(lái)檢測(cè)孤島效應(yīng)。基于發(fā)電單元的局部孤島檢測(cè)可以進(jìn)一步分為被動(dòng)式孤島檢測(cè)與主動(dòng)式孤島檢測(cè)。與被動(dòng)式孤島檢測(cè)相比，主動(dòng)式孤島檢測(cè)的不可檢測(cè)區(qū)域小，在實(shí)際孤島檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用［11-13］。 文獻(xiàn)［11］提出了帶有諧波補(bǔ)償功能的主動(dòng)式移頻孤島檢測(cè)法，在保證孤島檢測(cè)功能的情況下，減少了傳統(tǒng)方法對(duì)系統(tǒng)造成的諧波污染；文獻(xiàn)［12］通過(guò)對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)公共連接點(diǎn)（PCC）處的電壓進(jìn)行小波變換，提取孤島發(fā)生的特征諧波高頻信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)，該方法理論上可徹底消除孤島的不可檢測(cè)區(qū)，也不會(huì)影響系統(tǒng)電能質(zhì)量；文獻(xiàn)［13］提出多分辨率奇異譜熵和支持向量機(jī)結(jié)合進(jìn)行孤島與擾動(dòng)識(shí)別的方法，通過(guò)對(duì)公共連接點(diǎn)處電壓進(jìn)行小波變換與分析，將多分辨分析與熵融合表征電網(wǎng)與孤島的不同特征，但其計(jì)算復(fù)雜，對(duì)具體電力系統(tǒng)參數(shù)依賴性高。

風(fēng)電也同樣存在孤島問(wèn)題。另外，近年來(lái)我國(guó)分散式風(fēng)電也快速發(fā)展，分散式風(fēng)電孤島問(wèn)題更加突出，與集中式、大規(guī)模風(fēng)電相比，分散式風(fēng)電分散安裝于配電網(wǎng)負(fù)載端，通過(guò)小規(guī)模分布式開(kāi)發(fā)，就地分布接入低壓配電網(wǎng)，在風(fēng)電機(jī)組滿發(fā)或限功率運(yùn)行時(shí)，發(fā)生孤島的概率更大，且分散式風(fēng)電更加靠近用戶，發(fā)生孤島所造成的危害也更大。因此，國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q／GDW1866—2012《分散式風(fēng)電接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》對(duì)分散式風(fēng)電的防孤島保護(hù)做出了明確的要求［14］，然而針對(duì)風(fēng)電機(jī)組防孤島保護(hù)的文獻(xiàn)鮮有發(fā)表［15-16］。如前文所述，基于通信的系統(tǒng)級(jí)孤島檢測(cè)需通信支持，保護(hù)算法與配電網(wǎng)拓?fù)鋸?qiáng)相關(guān)，由于風(fēng)電開(kāi)發(fā)的分散性及配電網(wǎng)的復(fù)雜性，該方法不適合風(fēng)電的防孤島保護(hù)?；诎l(fā)電單元的局部孤島檢測(cè)方法更加適用于風(fēng)電，然而由于風(fēng)資源的隨機(jī)性與湍流特性，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量復(fù)雜多變，通過(guò)監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流等電能質(zhì)量信號(hào)的被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法容易失效，而傳統(tǒng)的主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法易造成系統(tǒng)電能質(zhì)量下降，風(fēng)電機(jī)組孤島檢測(cè)需選擇對(duì)并網(wǎng)電能質(zhì)量影響小、可靠性高、簡(jiǎn)單易操作的方法。

為此，本文通過(guò)分析風(fēng)電機(jī)組孤島運(yùn)行狀態(tài)，揭示了孤島運(yùn)行時(shí)風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率和無(wú)功功率對(duì)孤島運(yùn)行電壓與頻率的影響規(guī)律及靈敏度；在此基礎(chǔ)上，提出基于綜合功率擾動(dòng)的風(fēng)電機(jī)組孤島運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)方法，并以雙饋風(fēng)電機(jī)組為對(duì)象，進(jìn)行了雙饋?zhàn)兞髌鞴聧u檢測(cè)功率擾動(dòng)控制環(huán)設(shè)計(jì)。該方法無(wú)檢測(cè)盲區(qū)，對(duì)并網(wǎng)電能質(zhì)量影響小，且具有檢測(cè)速度快、可靠性高、操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。最后，通過(guò)仿真與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明了理論分析的正確性與孤島檢測(cè)方法的有效性。

1 風(fēng)電機(jī)組孤島運(yùn)行特性分析

雙饋風(fēng)電機(jī)組是分散式風(fēng)電開(kāi)發(fā)的主流機(jī)型之一，雙饋風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)定子直接與電網(wǎng)相連，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)背靠背變流器與電網(wǎng)相連。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器可控制雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和并網(wǎng)功率因數(shù)，網(wǎng)側(cè)變流器則主要維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。雙饋風(fēng)電機(jī)組孤島運(yùn)行示意圖如圖1所示。

圖1 雙饋風(fēng)電機(jī)組孤島運(yùn)行示意圖Fig.1 Schematic diagram of islanded DFIG operation

1.1 功率不匹配影響分析

如圖1所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)電機(jī)組與負(fù)荷公共連接點(diǎn)的電壓和頻率由電網(wǎng)決定，風(fēng)電機(jī)組通過(guò)檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制并網(wǎng)電流的幅值、相位與頻率；而當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，若風(fēng)電機(jī)組提供的功率與負(fù)載需求匹配，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓、頻率不會(huì)發(fā)生明顯變化，風(fēng)電機(jī)組與負(fù)荷之間形成了一個(gè)獨(dú)立的供電系統(tǒng)，即風(fēng)電機(jī)組處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，孤島系統(tǒng)形成后，風(fēng)電機(jī)組與負(fù)荷公共連接點(diǎn)的電壓幅值和頻率由符合歐姆定律的負(fù)荷響應(yīng)特性決定。

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，將孤島運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組等效為受控電流源，負(fù)荷則用對(duì)孤島檢測(cè)最為不利的RLC并聯(lián)負(fù)載代替［3］，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組孤島運(yùn)行等效電路如圖2所示。圖中，U、I分別為風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓與輸出電流；P、Q分別為風(fēng)電機(jī)組輸出的有功、無(wú)功功率；PR、QL、QC分別為 RLC并聯(lián)負(fù)載所消耗的有功功率、感性無(wú)功功率與容性無(wú)功功率。

圖2 風(fēng)電機(jī)組孤島運(yùn)行等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of islanded DFIG operation

系統(tǒng)發(fā)生孤島時(shí)，風(fēng)電機(jī)組輸出的有功、無(wú)功功率與RLC并聯(lián)負(fù)載消耗的有功、無(wú)功功率基本匹配，可得：

LC并聯(lián)電路的阻抗是頻率的函數(shù)，即：

LC并聯(lián)電路的阻抗亦是其消耗的有功、無(wú)功功率的函數(shù)，即：

RLC并聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù)定義為：

由式（2）—（4）可得孤島運(yùn)行時(shí)的頻率解析表達(dá)式為：

系統(tǒng)孤島運(yùn)行時(shí)的電壓解析表達(dá)式為：

由式（5）、（6）可知，風(fēng)電機(jī)組孤島運(yùn)行時(shí)其并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值由負(fù)荷消耗的有功功率決定，并網(wǎng)點(diǎn)頻率則由負(fù)荷消耗的有功功率、無(wú)功功率與負(fù)荷品質(zhì)因數(shù)共同決定，即風(fēng)電機(jī)組孤島運(yùn)行時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值與頻率和孤島系統(tǒng)的有功、無(wú)功功率匹配度密切相關(guān)。

1.2 功率擾動(dòng)靈敏度分析

為進(jìn)一步研究功率擾動(dòng)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值與頻率影響的靈敏度，針對(duì)式（5）和（6）分別對(duì)功率求偏導(dǎo)數(shù)和導(dǎo)數(shù)可得：

其中由負(fù)荷的阻容部分決定。

考慮風(fēng)電機(jī)組能量輸出的單向性（P>0），由式（7）可知：并網(wǎng)點(diǎn)電壓角頻率與無(wú)功功率成正比例函數(shù)關(guān)系，即無(wú)功功率變化越大對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)頻率的影響越大；而無(wú)功變化對(duì)頻率影響的靈敏度與風(fēng)電機(jī)組的有功功率成反比例函數(shù)關(guān)系，即風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率越大，無(wú)功功率變化對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)頻率的影響越小，并網(wǎng)點(diǎn)頻率f與無(wú)功功率（標(biāo)幺值）的關(guān)系曲線如圖 3（a）所示。

由式（8）可知：并網(wǎng)點(diǎn)電壓角頻率與有功功率的單調(diào)性與無(wú)功功率的正負(fù)有關(guān)，當(dāng)無(wú)功功率為正時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)頻率與有功功率成反比例函數(shù)關(guān)系；當(dāng)無(wú)功功率為負(fù)時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)頻率與有功功率變化成正比例函數(shù)關(guān)系。另外，負(fù)荷的品質(zhì)因數(shù)越小，功率擾動(dòng)對(duì)頻率影響的靈敏度越大，并網(wǎng)點(diǎn)頻率與有功功率（標(biāo)幺值）的關(guān)系曲線如圖3（b）所示，值得注意的是，當(dāng)負(fù)荷無(wú)功功率為0時(shí)，有功功率的擾動(dòng)不會(huì)引起并網(wǎng)點(diǎn)頻率的變化。

由式（9）可以看出，并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅度與有功功率成正比例函數(shù)關(guān)系。圖3（c）為不同負(fù)荷品質(zhì)因數(shù)下無(wú)功功率與系統(tǒng)頻率的關(guān)系曲線，可以看出，負(fù)荷品質(zhì)因數(shù)越大，無(wú)功功率不匹配度對(duì)系統(tǒng)頻率的影響越小，從諧振角度考慮，品質(zhì)因數(shù)越大，負(fù)載的諧振能力越強(qiáng)，諧振平衡狀態(tài)越不易被打破。而實(shí)際電網(wǎng)中負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)一般不可能大于2.5，因此，實(shí)際研究中通?？紤]負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)在0.5～2.5之間。

圖3 功率不匹配與品質(zhì)因數(shù)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響Fig.3 Effect of power mismatch and quality factor on system frequency

由式（7）—（9）可得孤島運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)有功、無(wú)功功率變化對(duì)其輸出頻率變化靈敏度的比值和有功變化對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)頻率及電壓幅值靈敏度的比值分別為：

實(shí)際風(fēng)電機(jī)組通常運(yùn)行在單位功率因數(shù)條件下，孤島運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)工作在負(fù)荷的諧振點(diǎn)附近，負(fù)荷無(wú)功功率近似為零，為對(duì)孤島檢測(cè)最不利的情況。因此，孤島運(yùn)行時(shí)無(wú)功功率擾動(dòng)對(duì)頻率變化的靈敏度遠(yuǎn)大于對(duì)電壓變化的靈敏度，而有功擾動(dòng)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化的靈敏度遠(yuǎn)大于對(duì)頻率變化的靈敏度。

2 綜合功率擾動(dòng)孤島檢測(cè)法與控制環(huán)設(shè)計(jì)

如前文所述，功率擾動(dòng)可使得孤島運(yùn)行電壓幅值與頻率偏離諧振平衡點(diǎn)，而有功功率與無(wú)功功率對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓與頻率的影響的靈敏度也不盡相同。功率擾動(dòng)法是主動(dòng)式孤島檢測(cè)的有效方法之一，在負(fù)荷完全匹配的情況下也不存在不可檢測(cè)區(qū)，功率擾動(dòng)法包括有功功率擾動(dòng)法與無(wú)功功率擾動(dòng)法。傳統(tǒng)功率擾動(dòng)法的孤島檢測(cè)時(shí)間受擾動(dòng)步長(zhǎng)的影響較大，而風(fēng)電通常接入電網(wǎng)末端，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，擾動(dòng)步長(zhǎng)的選擇與電網(wǎng)強(qiáng)弱強(qiáng)相關(guān)。

2.1 綜合功率擾動(dòng)孤島檢測(cè)法

為有效解決不同電網(wǎng)環(huán)境下風(fēng)電機(jī)組孤島檢測(cè)問(wèn)題，本文基于功率擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)影響靈敏度分析，將無(wú)功功率擾動(dòng)-頻率反饋和有功功率擾動(dòng)-電壓反饋相結(jié)合，通過(guò)無(wú)功功率擾動(dòng)進(jìn)行孤島狀態(tài)常規(guī)探測(cè)，有功功率擾動(dòng)進(jìn)行孤島狀態(tài)最終確認(rèn)，從而達(dá)到快速檢測(cè)風(fēng)電機(jī)組孤島運(yùn)行狀態(tài)的目的。無(wú)功與有功功率擾動(dòng)相結(jié)合的綜合功率擾動(dòng)孤島檢測(cè)法的大體思想是：在風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，為不影響風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量，并盡可能減小對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量的影響，無(wú)功功率擾動(dòng)-頻率反饋單元單獨(dú)作用，風(fēng)電機(jī)組間歇性輸出無(wú)功功率擾動(dòng)，擾動(dòng)輸出1個(gè)周期，擾動(dòng)間隔1個(gè)周期，無(wú)功功率擾動(dòng)量值通常選取為ΔQ=1%Pn（Pn為風(fēng)電機(jī)組額定功率）。同時(shí)，監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)頻率，如果此時(shí)發(fā)生孤島，即使在負(fù)載完全匹配的情況下，將有一個(gè)頻率偏移被檢測(cè)出來(lái)，為了證實(shí)這一頻率變化確實(shí)由孤島效應(yīng)造成，隨后每周期等量加大無(wú)功擾動(dòng)的值，并監(jiān)測(cè)系統(tǒng)頻率是否進(jìn)一步偏移，若并網(wǎng)點(diǎn)頻率偏移量超過(guò)限值，則有功功率擾動(dòng)-電壓反饋單元使能，有功功率擾動(dòng)量值通常選取為ΔP=10%Pn，風(fēng)電機(jī)組有功功率快速大幅擾動(dòng)；同時(shí)還需監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)的電壓幅值，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值超出一定限值時(shí)，直接觸發(fā)風(fēng)電機(jī)組過(guò)／欠壓保護(hù)，達(dá)到風(fēng)電機(jī)組防孤島保護(hù)的目的。值得注意的是，綜合功率擾動(dòng)孤島檢測(cè)法利用風(fēng)電機(jī)組孤島運(yùn)行特征值進(jìn)行孤島檢測(cè)，不會(huì)因風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越所造成的電壓、電流等電能質(zhì)量的異常而產(chǎn)生誤判，該方法保證了風(fēng)電機(jī)組同時(shí)具備低電壓穿越功能和快速可靠的防孤島保護(hù)功能。綜合功率擾動(dòng)孤島檢測(cè)流程圖如圖4所示。

圖4 綜合功率擾動(dòng)孤島檢測(cè)流程圖Fig.4 Flowchart of composite island detection by power disturbance

2.2 雙饋風(fēng)電機(jī)組功率擾動(dòng)環(huán)設(shè)計(jì)

本文所述雙饋發(fā)電機(jī)采用定子電壓定向矢量控制，雙饋發(fā)電機(jī)在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的定轉(zhuǎn)子電壓與磁鏈方程為：

其中，u為電壓，i為電流，ψ 為磁鏈，下標(biāo) sq、sd和rq、rd分別表示對(duì)應(yīng)電氣量的定子和轉(zhuǎn)子的q、d軸分量；Rs、Rr分別為雙饋發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子等效電阻；Ls、Lr、Lm分別為雙饋發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子等效電感及互感；ωs為同步旋轉(zhuǎn)角頻率；ωslip為轉(zhuǎn)差角頻率；p表示微分算子。

而對(duì)于MW級(jí)大容量雙饋風(fēng)電機(jī)組，其定子電阻遠(yuǎn)小于定子電感，故忽略定子電阻，由式（12）與（13）可得雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓和定子功率方程分別如式（14）、（15）所示。

其中為漏磁系數(shù)。

圖5 雙饋風(fēng)電機(jī)組孤島檢測(cè)控制原理圖Fig.5 Schematic diagram of island detection and control for DFIG

由式（14）與（15），結(jié)合綜合功率擾動(dòng)孤島檢測(cè)算法，可得定子電壓矢量定向的雙饋發(fā)電機(jī)矢量控制綜合功率擾動(dòng)孤島檢測(cè)控制原理圖如圖5所示。圖中，上標(biāo)“*”表示指令值；θr為電機(jī)角度；θs為電網(wǎng)角度；θslip為定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差角度；ωr為電機(jī)轉(zhuǎn)速；Sa、Sb、Sc為三相開(kāi)關(guān)信號(hào)；Ua、Ub、Uc為電網(wǎng)三相電壓；ira、irb、irc為轉(zhuǎn)子三相電流。

通過(guò)檢測(cè)雙饋風(fēng)電機(jī)組定子三相電壓，經(jīng)過(guò)兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系鎖相環(huán)（dq-PLL）提取并網(wǎng)點(diǎn)電壓的角頻率與幅值送入綜合功率擾動(dòng)單元，無(wú)功功率擾動(dòng)-頻率反饋單元輸出無(wú)功擾動(dòng)值ΔQ，輸出結(jié)果疊加到無(wú)功功率給定功率外環(huán)，經(jīng)無(wú)功電流控制內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，控制雙饋風(fēng)電機(jī)組輸出無(wú)功功率，產(chǎn)生無(wú)功功率擾動(dòng)進(jìn)行孤島狀態(tài)常規(guī)探測(cè)，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)頻率超出一定閾值時(shí)，觸發(fā)有功功率擾動(dòng)-電壓反饋單元。有功功率擾動(dòng)-電壓反饋單元輸出有功擾動(dòng)值ΔP，輸出結(jié)果疊加到有功功率給定功率外環(huán)，經(jīng)有功電流控制內(nèi)環(huán)驅(qū)動(dòng)雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，控制雙饋風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率，進(jìn)行孤島狀態(tài)最終確認(rèn)和風(fēng)電機(jī)組的快速停機(jī)。

3 系統(tǒng)仿真與分析

為驗(yàn)證理論分析及孤島檢測(cè)算法的正確性、有效性，在MATLAB／Simulink中建立了2.5 MW雙饋風(fēng)電機(jī)組孤島電磁暫態(tài)仿真模型，仿真研究風(fēng)電機(jī)組孤島運(yùn)行狀態(tài)及綜合功率擾動(dòng)孤島檢測(cè)法的全過(guò)程。仿真模型主要由風(fēng)速模型、風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)模型、傳動(dòng)鏈模型、發(fā)電機(jī)變流器模型、風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)模型、RLC負(fù)荷模擬模型和電網(wǎng)模型組成，系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 雙饋風(fēng)電機(jī)組孤島仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structural diagram of islanded DFIG simulation

圖7所示為雙饋風(fēng)電機(jī)組防孤島保護(hù)的全過(guò)程仿真波形圖，波形由上至下分別為風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓瞬時(shí)值（標(biāo)幺值）、三相電流瞬時(shí)值（標(biāo)幺值）、頻率、風(fēng)電機(jī)組輸出功率（標(biāo)幺值）、雙饋?zhàn)兞髌髦绷鱾?cè)電壓仿真波形圖。為突出重點(diǎn)，仿真采用12m／s恒定風(fēng)速，初始狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)1閉合，開(kāi)關(guān)2斷開(kāi)，風(fēng)電機(jī)組正常并網(wǎng)運(yùn)行，輸出有功功率約為1.0 p.u.，無(wú)功功率約為0，無(wú)功功率擾動(dòng)正常開(kāi)啟。0.2 s時(shí)，開(kāi)關(guān)1斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)2閉合，外部電網(wǎng)斷電，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組輸出有功無(wú)功功率與RLC負(fù)荷消耗的有功無(wú)功功率基本匹配，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓并未發(fā)生大的變化，不足以觸發(fā)風(fēng)電機(jī)組過(guò)／欠壓或過(guò)／欠頻保護(hù)，風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入了穩(wěn)定的孤島運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流稍有畸變，網(wǎng)側(cè)變流器直流電壓由于開(kāi)關(guān)切換略有波動(dòng)，風(fēng)電機(jī)組無(wú)功擾動(dòng)常規(guī)孤島探測(cè)正常工作。由圖7可以看出：由正常的無(wú)功功率擾動(dòng)造成風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)頻率略有波動(dòng)，0.22s時(shí)頻率約為50.04Hz，0.26s時(shí)頻率變化為49.7Hz，經(jīng)無(wú)功功率擾動(dòng)的常規(guī)探測(cè)，發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)頻率隨著無(wú)功變化而變化，0.32 s時(shí)起風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入了無(wú)功功率擾動(dòng)-頻率正反饋的孤島狀態(tài)探測(cè)過(guò)程，通過(guò)監(jiān)測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)頻率變化情況，無(wú)功功率擾動(dòng)值在得到頻率反饋后周期性等量增加，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)頻率達(dá)到閾值54Hz時(shí)，有功功率擾動(dòng)-電壓正反饋孤島確認(rèn)單元使能，控制風(fēng)電機(jī)組快速降低功率輸出，同時(shí)監(jiān)測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化可知，并網(wǎng)點(diǎn)電壓迅速降低，風(fēng)電機(jī)組最終確認(rèn)發(fā)生孤島運(yùn)行，迅速進(jìn)行防孤島保護(hù)停機(jī)。

圖7 仿真波形圖Fig.7 Simulative waveforms

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

風(fēng)電機(jī)組孤島試驗(yàn)原理圖如圖8所示，將RLC可調(diào)負(fù)荷并聯(lián)于風(fēng)電機(jī)組升壓變壓器高壓側(cè)，模擬風(fēng)電機(jī)組孤島運(yùn)行時(shí)的本地負(fù)荷。為方便試驗(yàn)，開(kāi)始時(shí)暫時(shí)屏蔽風(fēng)電機(jī)組孤島檢測(cè)功能，通過(guò)調(diào)節(jié)RLC負(fù)荷所消耗的有功與無(wú)功功率，可使得風(fēng)電機(jī)組與RLC負(fù)荷之間達(dá)到孤島運(yùn)行的功率與相角匹配，模擬風(fēng)電機(jī)組孤島運(yùn)行環(huán)境，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率與RLC負(fù)荷功率完全匹配時(shí)，斷開(kāi)斷路器，風(fēng)電機(jī)組則進(jìn)入了穩(wěn)定的孤島運(yùn)行狀態(tài)。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)原理圖Fig.8 Schematic diagram of field test

圖9 試驗(yàn)波形圖Fig.9 Experimental waveforms

圖9為雙饋風(fēng)電機(jī)組防孤島試驗(yàn)波形圖，波形由上至下分別為風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓瞬時(shí)值（標(biāo)幺值）、頻率和輸出功率（標(biāo)幺值）試驗(yàn)波形圖。0.1s時(shí)開(kāi)啟風(fēng)電機(jī)組綜合功率擾動(dòng)防孤島保護(hù)功能，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)頻率隨無(wú)功功率擾動(dòng)發(fā)生微小變化，0.22s時(shí)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入了無(wú)功功率擾動(dòng)-頻率正反饋孤島辨識(shí)過(guò)程，風(fēng)電機(jī)組無(wú)功功率擾動(dòng)量周期性持續(xù)增大，并網(wǎng)點(diǎn)頻率持續(xù)上升，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓頻率達(dá)到閾值54 Hz時(shí)，觸發(fā)風(fēng)電機(jī)組有功功率擾動(dòng)-電壓反饋使能，風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率迅速降低，同時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓快速降低，風(fēng)電機(jī)組確認(rèn)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行保護(hù)停機(jī)。值得注意的是，出于機(jī)組安全考慮且受變槳?jiǎng)幼鞯乃俣人?，?shí)際試驗(yàn)風(fēng)電機(jī)組有功功率下降與停機(jī)過(guò)程較為緩慢。試驗(yàn)結(jié)果表明，綜合功率擾動(dòng)孤島檢測(cè)法可快速、準(zhǔn)確辨識(shí)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到風(fēng)電機(jī)組防孤島保護(hù)的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

a.風(fēng)電機(jī)組存在孤島運(yùn)行問(wèn)題，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具備主動(dòng)的防孤島保護(hù)功能。風(fēng)電機(jī)組孤島運(yùn)行時(shí)其系統(tǒng)電壓幅值由負(fù)荷消耗的有功功率決定，系統(tǒng)頻率則由負(fù)荷消耗的有功功率、無(wú)功功率、負(fù)荷品質(zhì)因數(shù)共同決定，但孤島運(yùn)行時(shí)無(wú)功功率擾動(dòng)對(duì)頻率變化的靈敏度遠(yuǎn)大于對(duì)電壓變化的靈敏度，而有功擾動(dòng)功率對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化的靈敏度遠(yuǎn)大于對(duì)頻率變化的靈敏度。

b.綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與保護(hù)功能性因素，基于無(wú)功功率擾動(dòng)-頻率正反饋與有功功率擾動(dòng)-頻率正反饋相結(jié)合的綜合功率擾動(dòng)法是實(shí)現(xiàn)對(duì)孤島運(yùn)行狀態(tài)辨識(shí)的有效方法，該方法無(wú)檢測(cè)盲區(qū)，檢測(cè)速度快、抗干擾性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易操作，對(duì)風(fēng)電機(jī)組防孤島保護(hù)算法的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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