基于微電網(wǎng)孤島檢測(cè)原理的防孤島運(yùn)行方法分析

周　唯，馬少華

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

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基于微電網(wǎng)孤島檢測(cè)原理的防孤島運(yùn)行方法分析

周唯，馬少華

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

孤島是分布式發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)基本問(wèn)題。孤島現(xiàn)象會(huì)對(duì)DG設(shè)備的壽命、繼電保護(hù)裝置的正常工作、系統(tǒng)中的絕緣等造成不同程度的威脅，因而快速、可靠地檢測(cè)出孤島非常重要。針對(duì)由負(fù)載性質(zhì)及大小的變化而引起的檢測(cè)方法失效問(wèn)題，為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載運(yùn)行的多樣性，提出了采用組合式檢測(cè)方法和監(jiān)測(cè)聯(lián)絡(luò)線上的功率缺額來(lái)解決。組合式檢測(cè)方法可以有效互補(bǔ)檢測(cè)盲區(qū)，保證聯(lián)絡(luò)線的功率缺額，也可以保證特征電氣量超過(guò)檢測(cè)閾值。通過(guò)仿真驗(yàn)證，證明了該方法的有效性。為負(fù)載運(yùn)行的多樣性提供了保障。

孤島檢測(cè)原理；檢測(cè)方法；負(fù)載性質(zhì)；功率缺額

目前，傳統(tǒng)資源的日益枯竭，全球環(huán)境的不斷惡化以及大電網(wǎng)自身存在的缺陷等問(wèn)題使得分布式發(fā)電技術(shù)得到迅速發(fā)展。所謂孤島[1]是指主電網(wǎng)因故障或進(jìn)行檢修而處于失電狀態(tài)時(shí)，分布式發(fā)電系統(tǒng)仍可能持續(xù)工作，并與本地負(fù)載連接處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)。孤島產(chǎn)生后，會(huì)影響配電系統(tǒng)的保護(hù)開關(guān)動(dòng)作程序，在重合閘時(shí)可能對(duì)用電設(shè)備造成損害。因此，孤島檢測(cè)是分布式發(fā)電裝置必須具備的一種保護(hù)功能。目前，并網(wǎng)逆變器型的分布式發(fā)電系統(tǒng)的本地式孤島檢測(cè)技術(shù)主要包括被動(dòng)式和主動(dòng)式兩大類。孤島形成前后，電氣量一般會(huì)發(fā)生變化，被動(dòng)檢測(cè)通過(guò)觀察PCC點(diǎn)的電壓、頻率以及相位的變化來(lái)判斷有無(wú)孤島產(chǎn)生。主動(dòng)檢測(cè)法是在逆變器的控制信號(hào)中加入很小的電壓、電流或相位擾動(dòng)信號(hào)。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于受電網(wǎng)鉗制，擾動(dòng)信號(hào)作用很??；而當(dāng)孤島發(fā)生時(shí)，擾動(dòng)信號(hào)的作用比較明顯。因此，可通過(guò)檢測(cè)PCC點(diǎn)的系統(tǒng)響應(yīng)，來(lái)判斷是否有孤島發(fā)生[2-3]。每種檢測(cè)方法都有其自身的優(yōu)、缺點(diǎn)，例如：被動(dòng)檢測(cè)方法雖然無(wú)須外加設(shè)備，也無(wú)須引入擾動(dòng)，對(duì)電能質(zhì)量無(wú)影響且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但檢測(cè)盲區(qū)比較大，檢測(cè)閾值難以確定；而主動(dòng)檢測(cè)法可以有效地改善檢測(cè)盲區(qū)問(wèn)題，但會(huì)帶來(lái)電能質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)負(fù)載性質(zhì)對(duì)主動(dòng)檢測(cè)法也有影響。因而采用多種檢測(cè)方法的組合式孤島檢測(cè)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

圖1　微網(wǎng)并網(wǎng)示意圖

1　孤島檢測(cè)的基本原理及相關(guān)方法

微電網(wǎng)分為并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種運(yùn)行方式。微源與主網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的示意圖如圖1所示，微源通過(guò)逆變器后與主網(wǎng)相連于公共連接點(diǎn)(PCC)處[4]。

并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)和逆變電源共同為負(fù)載提供功率，可得到：

Pload=P+△P,Qload=Q+△Q

(1)

(2)

(3)

將式(1)、(2)帶入(3)中整理可得：

(4)

孤島產(chǎn)生后，主網(wǎng)不再向負(fù)載供入能量，逆變電源的功率輸出不會(huì)瞬間變化，因此在孤島形成的一瞬間，孤島內(nèi)部一般會(huì)產(chǎn)生功率缺額，即△P≠0、△Q≠0。致使PCC點(diǎn)的電壓、頻率發(fā)生相應(yīng)的變化。

當(dāng)有功功率缺額和無(wú)功功率缺額在某一范圍內(nèi)時(shí)，是不足以使頻率或幅值超出檢測(cè)的上、下限閾值[5]。其中有功功率的缺額是影響檢測(cè)盲區(qū)大小的主要因素。

現(xiàn)有的各種檢測(cè)方法都存在一定的適用范圍，對(duì)于某些特定的情況都會(huì)發(fā)生失效[6-7]。

2　實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法的有效性分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行的微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行波形采集，觀察不同負(fù)載性質(zhì)及不同功率缺額下檢測(cè)方法的有效性，示波器采用四個(gè)采集通道，探針連接示意圖如圖2所示，通道一檢測(cè)市電電流，通道二檢測(cè)微源電流，通道三接于QF2斷口處，用于觸發(fā)，通道四測(cè)量并網(wǎng)點(diǎn)PCC處的電壓。當(dāng)微源電流(通道二)、PCC點(diǎn)電壓(通道四)為零時(shí)，即孤島檢測(cè)方法檢測(cè)出孤島，將微源從微網(wǎng)中解列出來(lái)。 孤島檢測(cè)方法采用被動(dòng)檢測(cè)法和Sandia頻率偏移法相結(jié)合的檢測(cè)方法。

為驗(yàn)證負(fù)載性質(zhì)對(duì)檢測(cè)方法的影響，測(cè)量了三組不同負(fù)載性質(zhì)下，檢測(cè)方法的檢測(cè)性能。示波器檢測(cè)波形如圖3、圖4、圖5所示。其中，圖3為純阻性負(fù)載時(shí)與主網(wǎng)斷開過(guò)程，圖4是感、阻性負(fù)載且Qf=1，圖5是感、阻性負(fù)載Qf=2.5的情況。從圖3～圖5中可以看出，純阻性負(fù)載時(shí)約0.5個(gè)周期便將微源解列，感、阻性負(fù)載Qf=2.5時(shí)，約1.5個(gè)周期。隨負(fù)載品質(zhì)因數(shù)的升高檢測(cè)時(shí)間變長(zhǎng)。

圖2　示波器探針連接示意圖

圖3　純阻性負(fù)載

有功功率缺額是影響檢測(cè)盲區(qū)的主要因素，將聯(lián)絡(luò)線功率分別設(shè)置為5 kW、1 kW、0 kW，示波器檢測(cè)波形如圖6、圖7、圖8所示，聯(lián)絡(luò)線的功率缺額越大，孤島檢測(cè)的時(shí)間越短，當(dāng)聯(lián)絡(luò)線的功率缺額為0時(shí)，即沒有功率缺額的情況下孤島檢測(cè)方法失效，發(fā)生了孤島運(yùn)行現(xiàn)象。

圖5　負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為2.5

圖6　聯(lián)絡(luò)線功率設(shè)置為5kW

圖7　聯(lián)絡(luò)線功率設(shè)置為1kW

圖8　聯(lián)絡(luò)線功率設(shè)置為0kW

3　防止檢測(cè)方法失效的措施

檢測(cè)盲區(qū)的客觀存在，負(fù)載性質(zhì)的多樣性都為孤島檢測(cè)方法的有效性帶來(lái)了挑戰(zhàn)[8]。如何確實(shí)解決運(yùn)行中檢測(cè)方法的失效是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。在實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行中，負(fù)載是動(dòng)態(tài)變化的，實(shí)時(shí)的投切會(huì)改變聯(lián)絡(luò)線上的功率和負(fù)載的性質(zhì)，因而影響到檢測(cè)方法的有效性。針對(duì)負(fù)載性質(zhì)對(duì)檢測(cè)方法的影響，采用組合式的檢測(cè)方法，盡量使多種檢測(cè)方法的檢測(cè)盲區(qū)相互互補(bǔ)，達(dá)到較小死區(qū)，增加系統(tǒng)運(yùn)行的多樣性。在Simulink中建立微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行模型，如當(dāng)檢測(cè)方法采用電壓相位突變法時(shí)，對(duì)純阻性負(fù)載檢測(cè)方法將失效，若加入Sandia頻率偏移法與其共同作為檢測(cè)方法。則可快速檢測(cè)出孤島，在t=0.1s時(shí)與主網(wǎng)斷電，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9　純阻性負(fù)載下式孤島檢測(cè)

圖10　功率檢測(cè)裝置的微電網(wǎng)并網(wǎng)示意圖

聯(lián)絡(luò)線功率變化對(duì)檢測(cè)方法的有效影響，可以在聯(lián)絡(luò)線上裝設(shè)功率測(cè)量裝置，當(dāng)功率測(cè)量裝置測(cè)量到聯(lián)絡(luò)線上功率缺額不滿足檢測(cè)要求時(shí)，采取相應(yīng)的措施。裝設(shè)檢測(cè)裝置的微網(wǎng)并網(wǎng)示意圖如圖10所示。

采取的措施分為兩類，第一類是不再維持并網(wǎng)運(yùn)行，直接將并網(wǎng)系統(tǒng)平滑切換為孤島運(yùn)行。第二類是將負(fù)載按重要性進(jìn)行等級(jí)劃分為一類、二類、三類。當(dāng)功率測(cè)量裝置測(cè)量到聯(lián)絡(luò)線上功率缺額不滿足檢測(cè)的要求時(shí)主動(dòng)切除等級(jí)較低的負(fù)載，以保證功率缺額的存在。若切除負(fù)載后仍不能滿足功率缺額要求，再進(jìn)行平滑切換為孤島運(yùn)行模式。

4　結(jié)論

(1)有功功率缺額是影響檢測(cè)方法有效性，帶來(lái)檢測(cè)盲區(qū)的主要原因。

(2)針對(duì)負(fù)載性質(zhì)對(duì)檢測(cè)方法的影響，通過(guò)采用組合式檢測(cè)方法達(dá)到盲區(qū)互補(bǔ)的效果，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的多樣性。

(3)針對(duì)聯(lián)絡(luò)線功率缺額過(guò)小致使檢測(cè)方法失效，通過(guò)在電網(wǎng)側(cè)增設(shè)功率檢測(cè)裝置對(duì)小功率缺額系統(tǒng)采用直接平滑切換為孤島運(yùn)行或通過(guò)切掉負(fù)載的方法來(lái)保證功率缺額的存在。

[1]丁明，張穎媛，茆美琴.微網(wǎng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(11)：6-11.

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Anti-island operation based on micro grid detection principle

ZHOU Wei，MA Shao-hua

(ShenyangUniversityofTechnology，Shenyang110870,China)

Island phenomenon is a basic problem in the distributed generation system,which is a threat to the life of the DG device,the normal operation of the relay protection device and the insulation of the system.So,fast and reliable detection of isolated island is very important.The failure of the detection method is caused by property and size of the load is analyzed.In order to achieve load operation of diversity,combined detection method and monitoring tie line power vacancy are proposed.Combined detection method can effectively detect blind area.To ensure the power shortage of tie line and guarantee the electrical characteristics over the detection threshold. The effectiveness of the proposed method is verified by simulation.The method provides the guarantee for the diversity of the load running.

island detection principle;detection method;load characteristics;power shortage

2015-10-16

周唯(1990—)，女，遼寧錦州人，碩士研究生。

1674-7046(2016)03-0084-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.03.016

TM615

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