基于盲區(qū)判別的混合型孤島檢測(cè)方法

高蕾，蔣平，顧文，楊宏宇，唐一銘

（1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京210096；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京211102）

基于盲區(qū)判別的混合型孤島檢測(cè)方法

高蕾1，蔣平1，顧文2，楊宏宇2，唐一銘2

（1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京210096；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京211102）

孤島檢測(cè)是分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器必須具備的功能，針對(duì)被動(dòng)型檢測(cè)方法盲區(qū)大及主動(dòng)型方法對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響這兩個(gè)不足，提出了主被動(dòng)結(jié)合的混合型孤島檢測(cè)方法。該方法分析并推導(dǎo)出被動(dòng)型方法盲區(qū)判別式，在工頻周期內(nèi)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算和盲區(qū)判別，判斷是否引入電流偏移實(shí)現(xiàn)Sandia頻率偏移法的孤島檢測(cè)。在被動(dòng)型方法的盲區(qū)內(nèi)引入Sandia頻率偏移法的混合型孤島檢測(cè)方法能有效地檢測(cè)出孤島狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)無(wú)盲區(qū)檢測(cè)，也能較大地減小主動(dòng)式方法對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響。通過Matlab仿真驗(yàn)證了該混合型方法的有效性。

分布式發(fā)電；盲區(qū)；判別；孤島檢測(cè)；Sandia頻率偏移

“孤島”是指公共電網(wǎng)停止供電后，分布式發(fā)電會(huì)給負(fù)載持續(xù)供電的狀態(tài)[1]。非計(jì)劃孤島運(yùn)行可能會(huì)對(duì)用戶和配電設(shè)備造成十分嚴(yán)重的損害，因此孤島檢測(cè)是其必備的重要功能。

目前國(guó)內(nèi)外研究孤島檢測(cè)方法主要包括兩類：本地孤島檢測(cè)法和基于遠(yuǎn)程通訊的孤島檢測(cè)法?；谶h(yuǎn)程通訊的檢測(cè)法利用電力載波通信技術(shù)在電網(wǎng)側(cè)檢測(cè)，檢測(cè)的可靠性高但設(shè)備投資大[2]。本地孤島檢測(cè)法即為基于逆變器的檢測(cè)方法，分為被動(dòng)型和主動(dòng)型兩種。被動(dòng)型通過檢測(cè)孤島形成前后公共耦合點(diǎn)PCC（pointof common coupling）的電氣量發(fā)生的變化來實(shí)現(xiàn)，包括分布式發(fā)電系統(tǒng)一般都具備的過/欠電壓保護(hù)O/UVP（over/under voltage protection）及過/欠頻率保護(hù)O/UFP（over/under fre? quency protection）。文獻(xiàn)[3]表明被動(dòng)型檢測(cè)存在檢測(cè)盲區(qū)大的不足；但在實(shí)際并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，O/UVP及O/UFP不能檢測(cè)的孤島情況較少。主動(dòng)型檢測(cè)方法包括主動(dòng)頻率偏移法、SFS法、滑膜頻率偏移法及電壓反饋法等。這類方法通過對(duì)分布式電源的輸出注入一個(gè)擾動(dòng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)的變化量來判斷孤島是否發(fā)生。文獻(xiàn)[4]提出了相位正弦擾動(dòng)法，提高了輸出功率因數(shù)；文獻(xiàn)[5]利用分段函數(shù)改進(jìn)頻率偏移法，降低電流諧波失真度；文獻(xiàn)[6]指出了主動(dòng)型方法與被動(dòng)型相比，盲區(qū)可極大地減小甚至消除，但會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。

針對(duì)上述不足，本文提出一種基于盲區(qū)判別的主被動(dòng)混合孤島檢測(cè)方法，該方法通過對(duì)O/UVP和O/UFP進(jìn)行盲區(qū)分析，推導(dǎo)出判別式；對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)盲區(qū)判別，以選擇合適的檢測(cè)方法，在被動(dòng)式方法的盲區(qū)內(nèi)采用SFS型的主動(dòng)式方法，保證無(wú)盲區(qū)檢測(cè)并減小對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

1 O/UVP及O/UFP的盲區(qū)分析

圖1為分布式發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的示意，分布式發(fā)電系統(tǒng)采用恒定電流源輸出的控制方式。當(dāng)電網(wǎng)斷開，分布式發(fā)電系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)給負(fù)載RLC供電。

如圖1所示，假設(shè)DG的輸出功率為P+j Q，電網(wǎng)供應(yīng)的功率為ΔP+jΔQ，所以RLC負(fù)載吸收的功率為Pload+j Qload，其中Pload=P+ΔP，Qload=Q+ΔQ；由于分布式發(fā)電系統(tǒng)輸出無(wú)功較小，可近似Q≈0，DG的輸出電流為。

采用分布式發(fā)電系統(tǒng)一般都具備的O/UVP和O/UFP為被動(dòng)型孤島檢測(cè)方法。O/UVP檢測(cè)是通過檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)PCC的電壓幅度并與規(guī)定的電壓限值相比較來實(shí)現(xiàn)。因電網(wǎng)斷開瞬間阻抗變化小于0.5%[3]，故電網(wǎng)斷開后的并網(wǎng)點(diǎn)的電壓幅度變?yōu)?/p>

當(dāng)PCC點(diǎn)的新的電壓幅值保持在電壓限值以內(nèi)時(shí)，O/UVP將不能起作用，所以對(duì)于恒電流控制的DG的O/UVP的盲區(qū)為

式中：Umax為電壓閾值的上限；Umin為電壓閾值的下限；由標(biāo)準(zhǔn)GB/T19939—2005[7]可知，正常的電壓范圍為88%～110%，即，將此電壓范圍帶入式（2）中可以得到O/UVP的盲區(qū)為

O/UFP檢測(cè)是通過檢測(cè)PCC點(diǎn)的頻率值并與規(guī)定的頻率閾值相比較。如圖1所示，在電網(wǎng)斷開前RLC負(fù)載吸收的有功和無(wú)功為

在電網(wǎng)斷開后，為了保持單位功率因數(shù)，在逆變器鎖相環(huán)的作用下，PCC點(diǎn)電壓的頻率將會(huì)變?yōu)镽LC負(fù)載諧振頻率。將式（5）和式（4）相除，可得到

式中：fmin為電壓閾值的下限；fmax為電壓閾值的上限；正常的頻率范圍為49.5 Hz～50.5 Hz，即；當(dāng)PCC點(diǎn)的電壓頻率沒有超過閾值時(shí)，O/UFP不能動(dòng)作。由于Qf≤2.5，取Qf=2.5，此時(shí)O/UFP的盲區(qū)為

聯(lián)立式（3）和式（8），得到被動(dòng)型檢測(cè)方法O/UVP和O/UFP的盲區(qū)判別式為

根據(jù)式（9）確定的被動(dòng)式檢測(cè)方法的盲區(qū)分布如圖2所示。

2 SFS的原理及參數(shù)選擇

主動(dòng)式孤島檢測(cè)法采用SFS法，通過并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)注入略微變形的電流。在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的頻率會(huì)保持不變；在電網(wǎng)斷開時(shí)，運(yùn)用正反饋使電壓的頻率因電流波形的變形發(fā)生持續(xù)偏移，從而判斷孤島的發(fā)生。文獻(xiàn)[8]通過參數(shù)設(shè)計(jì)消除了SFS的盲區(qū)，本文采用此種改進(jìn)參數(shù)的SFS法，斬波系數(shù)定義為

式中：cfk為第k個(gè)周期的斬波系數(shù)值；cf0稱為初始斬波系數(shù)，是ua與電網(wǎng)電壓沒有頻率偏差時(shí)斬波系數(shù)的大小；K為正反饋增益；fg為電網(wǎng)電壓額定頻率；fk為第k個(gè)周期的電壓頻率。

與主動(dòng)式頻率偏移法相比，SFS的斬波系數(shù)不是一個(gè)常量，而是一個(gè)與頻率偏移線性相關(guān)的量，頻率越大，斬波系數(shù)就越大，從而使輸出電流的偏移增大，這個(gè)就形成了正反饋的過程。SFS法的相位偏移為

而負(fù)載的相位角為

式中：f為孤島時(shí)頻率；f0為負(fù)載諧振的頻率；Qf為負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)。

在SFS方法中，將上述兩個(gè)相位角相等得出盲區(qū)判別式。若要保證孤島檢測(cè)即盲區(qū)的消除，對(duì)所有的負(fù)載方案下，兩式相等都是一個(gè)不穩(wěn)定的運(yùn)行點(diǎn)，此條件可表示為

選擇參數(shù)K可保證頻率能夠偏離O/UFP閾值以外，將式（11）和式（12）代入，并假設(shè)f=f0，可得

當(dāng)滿足此條件時(shí)，SFS方法的盲區(qū)將為零。已知Qf≤2.5，f0約等于電網(wǎng)頻率，可推出K＞0.063 7，取K=0.07時(shí)，即可近似認(rèn)為此時(shí)SFS法無(wú)盲區(qū)。

3 主被動(dòng)結(jié)合的混合孤島檢測(cè)方法

3.1 盲區(qū)判別方法

此種混合型孤島檢測(cè)方法即由系統(tǒng)中運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)被動(dòng)型方法的盲區(qū)判別式判斷是否處于盲區(qū)內(nèi)，從而選擇檢測(cè)方法。式（9）為被動(dòng)型方法的盲區(qū)判別式，判別所需量包括分布式發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率P，負(fù)載吸收的有功功率P+ΔP及無(wú)功功率ΔQ。對(duì)于光伏系統(tǒng)，P可用通過逆變器的輸出電流和電壓計(jì)算可得，其余量為

式中：U為系統(tǒng)中PCC點(diǎn)電壓的有效值；Iload為流入負(fù)載電流的有效值；Δθ為并網(wǎng)點(diǎn)電壓和負(fù)載電流的相位差。

U和Iload的測(cè)量運(yùn)用數(shù)字化原理，根據(jù)采樣定理進(jìn)行等間隔采樣，通過對(duì)獲得的時(shí)間離散信號(hào)序列進(jìn)行數(shù)值積分求有效值。兩信號(hào)間的相位差為Δθ，測(cè)量采用數(shù)字相關(guān)原理的相位差測(cè)量方法[9]。

由測(cè)量可得U、Iload和Δθ計(jì)算出P+ΔP及無(wú)功功率ΔQ，代入式（9）進(jìn)行盲區(qū)判別，選擇孤島檢測(cè)方法。

3.2 混合型孤島檢測(cè)方法的流程圖

在通常情況下，分布式發(fā)電的輸出功率同負(fù)載消耗功率的匹配度高的可能性很小，被動(dòng)型檢測(cè)方法能成功動(dòng)作；在特殊的負(fù)載條件下，則需要主動(dòng)型的方法檢測(cè)判斷。若采用混合型孤島檢測(cè)方法，在每個(gè)工頻周期的過零點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)測(cè)量的關(guān)鍵量計(jì)算分析并盲區(qū)判別，由負(fù)載參數(shù)實(shí)時(shí)選擇檢測(cè)方法。若在盲區(qū)外即采用被動(dòng)型檢測(cè)方法；若處于被動(dòng)型方法的盲區(qū)內(nèi)，即轉(zhuǎn)換成SFS主動(dòng)型檢測(cè)方法，此時(shí)逆變器輸出略有變形的電流，從而正確檢測(cè)出孤島狀態(tài)。其算法流程如圖3所示。

4 仿真及分析

本文采用Matlab/Simulink對(duì)所提出的方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真模型如圖1所示，仿真參數(shù)如下：并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的額定輸出功率為5 kW；電網(wǎng)電壓為220 V，頻率為50Hz。選擇不同的負(fù)載條件進(jìn)行仿真，測(cè)試負(fù)載參數(shù)設(shè)置如表1所示。

對(duì)于第1、2種負(fù)載參數(shù)情況，經(jīng)盲區(qū)判別式判斷，在被動(dòng)型檢測(cè)方法的盲區(qū)外，即選擇被動(dòng)型檢測(cè)方法，通過O/UVP、O/UFP檢測(cè)出孤島發(fā)生。以第2種情況的仿真結(jié)果為例，仿真設(shè)置電網(wǎng)在0.1 s的時(shí)候斷開，如圖4所示，圖4（a）為并網(wǎng)點(diǎn)電流波形，檢測(cè)到的電流波形為無(wú)變形的正弦波；圖4（b）為電壓信號(hào)的頻率變化曲線，穩(wěn)定的頻率為負(fù)載達(dá)到的諧振頻率；圖4（c）為輸出的孤島檢測(cè)信號(hào)，0表示正常運(yùn)行情況，1表示檢測(cè)出孤島發(fā)生，如圖在0.16 s左右成功檢測(cè)出孤島發(fā)生。此種情況下，孤島檢測(cè)的裝置并未對(duì)并網(wǎng)的電流質(zhì)量產(chǎn)生影響。

對(duì)于第3種負(fù)載情況，經(jīng)判別在被動(dòng)型檢測(cè)方法的盲區(qū)內(nèi)，即并網(wǎng)點(diǎn)的電壓及頻率都未超出閾值，被動(dòng)型檢測(cè)方法不能成功動(dòng)作。若沒有跳轉(zhuǎn)成主動(dòng)型孤島檢測(cè)方法，僅采用被動(dòng)型的方法，其仿真運(yùn)行情況如圖5所示，圖5（a）為電壓頻率波形，穩(wěn)定于當(dāng)前負(fù)載的諧振頻率，圖5（b）為孤島判斷信號(hào)的變化曲線，圖示中孤島識(shí)別信號(hào)一直為0，未變?yōu)?，被動(dòng)型檢測(cè)方法在電網(wǎng)斷開后的0.5 s內(nèi)仍未檢測(cè)出孤島。

若采用本文的混合型檢測(cè)方法，由于經(jīng)過盲區(qū)判別，會(huì)轉(zhuǎn)換成SFS孤島檢測(cè)方法。對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)的電流波形加入偏移，得到的仿真波形如圖6所示。圖6（a）為SFS方法下的電壓頻率信號(hào)波形；圖6（b）為SFS方法下孤島判斷信號(hào)變化曲線。盡管穩(wěn)定的諧振頻率未超過閾值，但引入的頻率偏差由于正反饋的作用會(huì)持續(xù)增大，從而使頻率值超過閾值，觸發(fā)孤島判斷信號(hào)的變化，成功檢測(cè)出孤島的發(fā)生。

為便于觀察，設(shè)置SFS法的cf0=0.1，K=0.1，在0.08 s時(shí)負(fù)載跳轉(zhuǎn)成情況3，此時(shí)為一個(gè)工頻周期的起點(diǎn)，進(jìn)行一次盲區(qū)判別，由圖中可知在0.09 s時(shí)已轉(zhuǎn)為SFS檢測(cè)方法，電流波形加入偏移，電網(wǎng)在0.1 s斷開，約在0.18 s成功檢測(cè)出孤島，檢測(cè)時(shí)間符合要求。電流波形如圖6（c）所示，加入盲區(qū)判別，僅在負(fù)載變化為被動(dòng)型方法不能檢測(cè)時(shí)，給電流加入偏移，其他情況為正弦波形的電流，減小了對(duì)電能質(zhì)量的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)O/UVP和O/UFP法的盲區(qū)進(jìn)行了分析和推導(dǎo)，研究了基于參數(shù)選擇的無(wú)盲區(qū)SFS法，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于被動(dòng)型盲區(qū)判別的混合型孤島檢測(cè)方法。通過系統(tǒng)狀態(tài)相關(guān)量計(jì)算并進(jìn)行盲區(qū)判別，在被動(dòng)型方法不能成功檢測(cè)的情況下切換成SFS的檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)結(jié)合的混合型檢測(cè)。該算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性，且結(jié)合了被動(dòng)型和主動(dòng)型方法兩者的特點(diǎn)，在檢測(cè)無(wú)盲區(qū)的基礎(chǔ)上極大地減小孤島檢測(cè)方法對(duì)電能質(zhì)量的影響。

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A Hybrid Islanding Detection M ethod Based on Discrim ination of Non-detection Zone

GAO Lei1，JIANGPing1，GUWen2，YANGHongyu2，TANGYiming2
（1.Schoolof Electrical Engineering，SoutheastUniversity，Nanjing 210096，China；2.Jiangsu Frontier Electric TechnologiesCo.，Ltd.，Nanjing211102，China）

Islanding detection isan important function of distributed generation（DG）system with connected converter．To solve the problem of largenon-detection zone（NDZ）ofpassivemethodsand obviouseffectofactivemethodson pow?er quality，a new hybrid method is proposed by combining the passive and activemethods.The NDZ criterion is ana?lyzed and derived with passivemethods，and Sandia frequency shift（SFS）method is introduced based on the detection criterion by calculating the data from the operation system within one frequency cycle．By combining the passivemeth?od and SFS，the hybrid method has the advantage of realizing detection without NDZ and less effect on power quality due to the activemethod．The simulation results in MATLB verify the effectivenessof the hybridmethod．

distributed generation（DG）；non-detection zone（NDZ）；discrimination；islanding detection；Sandia fre?quency shift（SFS）

TM615

A

1003-8930（2017）03-0074-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.012

高蕾（1991—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榭稍偕茉丛陔娏ο到y(tǒng)中應(yīng)用。Email：gaolei132@126.com

2015-05-04；

2016-04-28

蔣平（1954—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行控制。Email：jping@seu.edu.cn

顧文（1969—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姀S及新能源技術(shù)監(jiān)督和試驗(yàn)。Email：wengu@sina.com