基于B2B-VSC的配電網(wǎng)自適應(yīng)低壓反孤島策略

趙國偉, 楊文, 劉澄, 陳祎熙, 趙銳

(1. 國網(wǎng)山西省電力公司大同供電公司，山西 大同 037008；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；3. 南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210046)

為了促進節(jié)能減排并改善能源結(jié)構(gòu)，分布式發(fā)電(distributed generation，DG)技術(shù)正迅速發(fā)展，其接入配電網(wǎng)的比例越來越高[1-6]。然而配電網(wǎng)發(fā)生故障后，DG可能產(chǎn)生的孤島效應(yīng)將會嚴(yán)重威脅配電網(wǎng)運檢人員的生命安全[7-9]。DG的孤島效應(yīng)定義為：當(dāng)配電網(wǎng)因故障停止運行時，若DG單元的輸出功率與其就地負荷功率較為匹配，則其并網(wǎng)處的電壓與頻率較為穩(wěn)定，并網(wǎng)處的保護裝置不會斷開使DG脫網(wǎng)，DG與其就地負荷將構(gòu)成孤島電網(wǎng)繼續(xù)運行[10-11]。

近年來，國內(nèi)學(xué)者為了解決DG的孤島問題，對配電網(wǎng)低壓反孤島策略進行了大量研究。文獻[12]針對傳統(tǒng)DG孤島檢測方法存在檢測盲區(qū)大或?qū)﹄娔苜|(zhì)量有影響的缺陷，提出了基于可拓模式識別的被動式孤島檢測方法。文獻[13]通過DG系統(tǒng)的小信號模型，分析了帶正反饋反孤島控制時系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為設(shè)計反孤島算法的參數(shù)及確定系統(tǒng)最大功率傳輸能力提供了依據(jù)。文獻[14]結(jié)合光伏并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)控制過程，提出了一種正反饋頻率漂移反孤島檢測方法，并詳細介紹了該方法的原理和實現(xiàn)過程。

盡管對于配電網(wǎng)的低壓反孤島策略已有了較為深入的研究，然而現(xiàn)有的反孤島策略大多需要根據(jù)不同的靈敏性要求、可靠性要求、DG容量對擾動負載進行專門配置，這種方式不僅會造成資源的浪費還耗費人力[15]。

為了解決上述問題，本文基于背靠背式電壓源型變流器(back-to-back voltage source converter，B2B-VSC)，提出一種具備自適應(yīng)能力的配電網(wǎng)低壓反孤島策略。首先，分析傳統(tǒng)低壓反孤島策略的基本原理；其次，分別研究B2B-VSC應(yīng)用于低壓反孤島欠壓保護與“欠壓+過/欠頻”綜合保護下的控制策略；然后，建立B2B-VSC應(yīng)用于低壓反孤島的控制回路；最后，通過仿真驗證所述策略的有效性。

1 傳統(tǒng)低壓反孤島策略原理及缺陷

當(dāng)配電網(wǎng)因故障停止運行時，若DG單元的輸出功率與其就地負荷功率較為匹配，DG將孤島運行。為了解決這一問題，目前普遍采取的低壓反孤島策略是使用擾動負載。在發(fā)生孤島效應(yīng)后投入擾動負載，打破DG與其就地負荷的良好匹配，造成DG并網(wǎng)點的電壓偏移或頻率偏移，從而使保護裝置動作，切斷DG[16]，如圖1所示。

圖1 含反孤島裝置的DG并網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 DG grid-connected system with anti-islanding device

可根據(jù)不同的靈敏性要求、可靠性要求、DG容量配置擾動負載，具體配置要求如下[15]：

a)若僅需觸發(fā)欠壓保護，則擾動負載需配置為阻性，DG容量越高或靈敏性要求越低則所需阻值越?。?/p>

b)若為了提高可靠性，同時觸發(fā)“欠壓+過頻”保護，則擾動負載需配置為阻感性；

c)若為了提高可靠性，同時觸發(fā)“欠壓+欠頻”保護，則擾動負載需配置為阻容性。

根據(jù)上述分析，當(dāng)DG容量、反孤島靈敏性要求、反孤島可靠性要求這三者其中之一發(fā)生改變時，擾動負載均需重新配置。

2 自適應(yīng)低壓反孤島策略研究

為了解決上述傳統(tǒng)低壓反孤島策略無自適應(yīng)能力的問題，基于B2B-VSC變流器[17-19]，提出一種配電網(wǎng)自適應(yīng)低壓反孤島策略，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

UDC為B2B-VSC的直流中間級電壓；C為直流中間級電容；Lf為濾波電感；Cf為濾波電容；Rd-ini為反孤島裝置的初始擾動電阻；為B2B-VSC的輸出電流；為B2B-VSC的輸出電壓；為初始擾動電阻的兩端電壓；為B2B-VSC與Rd-ini的整體兩端電壓。圖2 自適應(yīng)低壓反孤島策略基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of adaptive low-voltage anti-islanding strategy

2.1 單種保護方式下的反孤島策略分析

若單獨使用欠壓保護實現(xiàn)低壓反孤島策略，擾動負載單元需呈現(xiàn)出純阻性特性，其相量關(guān)系如圖3所示。其中：圖3(a)表示擾動負載單元的等效負載值Rd-eqRd-ini，適用于較低的DG容量或較高的靈敏性要求。

(a) Rd-eq

(b) Rd-eq>Rd-ini圖3 相量關(guān)系(擾動負載單元為純阻性)Fig.3 Phaser relations (the disturbance load unit is pure resistive)

傳統(tǒng)低壓反孤島策略中，若使用欠壓保護，則擾動負載配置模型為

(1)

式中：Rd為所需配置的擾動負載；Un為母線額定電壓；Pinv為DG容量；U為設(shè)定的欠壓閾值。

若使用基于B2B-VSC的自適應(yīng)反孤島策略，則根據(jù)圖3，擾動負載單元的等效負載值

(2)

需要說明的是，由于B2B-VSC的輸出端消耗/發(fā)出的有功功率等于輸入端發(fā)出/消耗的功率，因此B2B-VSC的有功功率恒為0，擾動負載單元的有功功率僅包括Rd-ini的功率消納量。

2.2 多種保護方式下的反孤島策略分析

(a) 阻感性

(b) 阻容性圖4 相量關(guān)系(擾動負載單元為阻感性/阻容性)Fig.4 Phaser relations (the disturbance load unit is resistive-inductive / resistive-capacitive)

傳統(tǒng)低壓反孤島策略中，若使用欠壓與過頻雙重保護，則擾動負載的阻值配置模型同式(1)，擾動負載的感抗配置模型為

(3)

式中：XL為所需配置的擾動負載感抗值；U0與f0分別為孤島運行時的母線電壓和光伏系統(tǒng)輸出頻率；QL為就地負荷感性無功功率；fH為設(shè)定的過頻閾值。

傳統(tǒng)低壓反孤島策略中，若使用欠壓與欠頻雙重保護，則擾動負載的阻值配置模型同式(1)，擾動負載的容抗配置模型為

(4)

式中：XC為所需配置的擾動負載容抗值；QC為就地負荷容性無功功率；fL為設(shè)定的欠頻閾值。

若使用基于B2B-VSC的自適應(yīng)反孤島策略，則根據(jù)圖4，擾動負載單元的等效負載阻抗

(5)

因此，使用基于B2B-VSC的自適應(yīng)反孤島策略后，在靈敏性要求、可靠性要求、DG容量任意一者發(fā)生變化時，擾動負載均不再需要重新配置。

綜合上述內(nèi)容，本文提出的基于B2B-VSC的自適應(yīng)反孤島策略中，孤島判別方法與擾動負載類型之間的關(guān)系見表1。

表1 孤島判別方法與擾動負載類型對應(yīng)關(guān)系
Tab.1 Corresponding relations between islanding discrimination methods and disturbance load types

孤島判別方法擾動負載單元特征類型B2B-VSC輸出電壓與輸出電流的相位關(guān)系單種保護方式欠壓保護純阻性U·O與I·O同相多種保護方式欠壓與過頻雙重保護阻感性U·O超前I·O0～90°欠壓與欠頻雙重保護阻容性U·O滯后I·O0～90°

3 控制回路設(shè)計

從目前所掌握的情況來看，林下套種中草藥的栽培過程中，無論是方法層面還是技術(shù)層面，都必須在地區(qū)的考察與分析力度上不斷的提升。第一，林下套種中草藥的栽培開展，需要的營養(yǎng)較為豐富，而且不同林業(yè)與藥業(yè)的結(jié)合，涉及到具體的產(chǎn)品功能與效用的差異性，此時必須加強大量的調(diào)查，并且在數(shù)據(jù)分析過程中保持較高的精準(zhǔn)度，甚至是要提前幾年開展勘查工作，由此能夠?qū)Ω黝悇討B(tài)因素的轉(zhuǎn)變做出良好的把控。第二，林下套種中草藥的栽培考察過程中，對于一些特殊情況要做出深入了解，尤其是自然災(zāi)害的出現(xiàn)，以及動物對于林業(yè)和藥業(yè)的破壞情況，都要保持在承載范圍以內(nèi)，否則很容易產(chǎn)生嚴(yán)重的損失現(xiàn)象。

為了使Zd-eq滿足于反孤島的靈敏性要求與可靠性要求，并適用于對應(yīng)的DG容量，需要對B2B-VSC的控制回路進行設(shè)計。如圖2所示，B2B-VSC包括整流級與逆變級兩部分，需要分別設(shè)計這兩部分的控制回路。其中，B2B-VSC的整流級控制目標(biāo)與傳統(tǒng)整流電路的控制目標(biāo)相同，其只需保證輸出側(cè)直流電壓穩(wěn)定及輸入側(cè)電壓、電流同相即可，因此可采用傳統(tǒng)整流電路的單位功率因數(shù)穩(wěn)壓控制回路[21]。

B2B-VSC逆變級控制回路設(shè)計如圖5所示。

P為擾動負載單元實時功率；k為設(shè)定的比例積分(proportional integral, PI)控制器后置增益；Pref與Qref分別為擾動負載阻抗預(yù)期有功、無功負荷；為需配置的擾動負載阻抗；φ為的阻抗角；abs為取絕對值函數(shù)；sign為符號函數(shù)。圖5 B2B-VSC逆變級控制回路設(shè)計Fig.5 Control loop design for inverter stage of B2B-VSC

(6)

4 算例分析

為了驗證所述的低壓反孤島策略的有效性，建立如圖2所示的仿真模型，具體參數(shù)見表2。

4.1 單種保護方式實現(xiàn)低壓反孤島

僅使用欠壓保護方式實現(xiàn)配電網(wǎng)低壓反孤島。首先，設(shè)定欠壓閾值為有效值200 V(即最大值282.84 V)，可得公共連接點電壓波形如圖6(a)所示，公共連接點電壓滿足欠壓保護閾值要求，相應(yīng)的擾動負載單元等效阻抗為32.27 Ω。

表2 仿真模型具體參數(shù)Tab.2 Parameters of simulation model

(a) 欠壓閾值為有效值200 V，DG容量為15 kW

(b) 欠壓閾值變?yōu)橛行е?80 V，DG容量變?yōu)?5 kW(使用自 適應(yīng)反孤島策略)

(c) 欠壓閾值變?yōu)橛行е?80 V，DG容量變?yōu)?5 kW(使用傳 統(tǒng)反孤島策略)圖6 公共連接點電壓波形(欠壓保護)Fig.6 PCC node voltage waveform (under-voltage protection)

然后，更改欠壓閾值為有效值180 V(即最大值254.56 V)，更改DG容量為25 kW，可得公共連接點電壓波形如圖6(b)所示，公共連接點電壓滿足新的欠壓保護閾值要求，相應(yīng)的擾動負載單元等效阻抗根據(jù)控制回路自動調(diào)整為8.71 Ω。

若仍使用第2節(jié)所述的傳統(tǒng)低壓反孤島策略，在欠壓閾值或DG容量發(fā)生變化后，公共連接點電壓波形將如圖6(c)所示，公共連接點電壓遠高于閾值，不再滿足新的保護要求。

根據(jù)圖6可知，在反孤島靈敏性要求(欠壓閾值)或DG容量發(fā)生變化后，與傳統(tǒng)反孤島策略相比，基于B2B-VSC的自適應(yīng)反孤島策略可使擾動負載單元的阻抗值自動調(diào)整，從而滿足保護裝置的動作要求，在反孤島投入后有效切除DG。

4.2 多種保護方式實現(xiàn)低壓反孤島

a)使用“欠壓+過頻”保護方式實現(xiàn)配電網(wǎng)低壓反孤島。首先，設(shè)定欠壓閾值為有效值200 V(即最大值282.84 V)，過頻閾值為55Hz，可得公共連接點電壓波形如圖7(a)所示，公共連接點電壓滿足欠壓保護閾值要求與過頻保護閾值要求，相應(yīng)的擾動負載單元等效阻抗為(32.27+j13.97)Ω。

(a) 欠壓閾值為有效值200 V，過頻閾值為55 Hz，DG容量為 15 kW

(b) 欠壓閾值變?yōu)橛行е?80 V，過頻閾值變?yōu)?0 Hz，DG容量 變?yōu)?5 kW(使用自適應(yīng)反孤島策略)

(c) 欠壓閾值變?yōu)橛行е?80 V，過頻閾值變?yōu)?0 Hz，DG容量 變?yōu)?5 kW(使用傳統(tǒng)反孤島策略)圖7 公共連接點電壓波形(使用“欠壓+過頻”保護方式)Fig.7 PCC node voltage waveform (under-voltage protection + over-frequency protection)

然后，更改欠壓閾值為有效值180 V(即最大值254.56 V)，更改過頻閾值為60 Hz，更改DG容量為25 kW，可得公共連接點電壓波形如圖7(b)所示，公共連接點電壓滿足新的欠壓保護閾值要求與新的過頻保護閾值要求，相應(yīng)的擾動負載單元等效阻抗根據(jù)控制回路自動調(diào)整為(8.71+j3.53)Ω。

若仍使用第2節(jié)所述的傳統(tǒng)低壓反孤島策略，在欠壓閾值、過頻閾值或DG容量發(fā)生變化后，公共連接點電壓波形將如圖7(c)所示，公共連接點電壓遠高于閾值，頻率低于閾值，不再滿足新的保護要求。

b)使用“欠壓+欠頻”保護方式實現(xiàn)配電網(wǎng)低壓反孤島。首先，設(shè)定欠壓閾值為有效值200 V(即最大值282.84 V)，欠頻閾值為45 Hz，可得公共連接點電壓波形如圖8(a)所示，公共連接點電壓滿足欠壓保護閾值要求與欠頻保護閾值要求，相應(yīng)的擾動負載單元等效阻抗為(32.27-j2.44)Ω。

(a) 欠壓閾值為有效值200 V，欠頻閾值為45 Hz，DG容量為 15 kW

(b) 欠壓閾值變?yōu)橛行е?80 V，欠頻閾值變?yōu)?0 Hz，DG容量變 為25 kW(使用自適應(yīng)反孤島策略)

(c) 欠壓閾值變?yōu)橛行е?80 V，欠頻閾值變?yōu)?0 Hz，DG容量變 為25 kW(使用傳統(tǒng)反孤島策略)圖8 公共連接點電壓波形(使用“欠壓+欠頻”保護方式)Fig.8 PCC node voltage waveform (under-voltage protection + under-frequency protection)

然后，更改欠壓閾值為有效值180 V(即最大值254.56 V)，更改欠頻閾值為40 Hz，更改DG容量為25 kW，可得公共連接點電壓波形如圖8(b)所示，公共連接點電壓滿足新的欠壓保護閾值要求與新的欠頻保護閾值要求，相應(yīng)的擾動負載單元等效阻抗根據(jù)控制回路自動調(diào)整為(8.71-j1.05)Ω。

若仍使用第2節(jié)所述的傳統(tǒng)低壓反孤島策略，在欠壓閾值、欠頻閾值或DG容量發(fā)生變化后，公共連接點電壓波形將如圖8(c)所示，公共連接點電壓遠高于閾值，頻率高于閾值，不再滿足新的保護要求。

由圖7與圖8可知：①在反孤島可靠性要求提高后，基于B2B-VSC的自適應(yīng)反孤島策略可自動使擾動負載單元從純阻性變?yōu)樽韪行曰蜃枞菪?，從而在反孤島投入后可同時觸發(fā)欠壓保護與過/欠頻保護。②與傳統(tǒng)反孤島策略相比，在反孤島靈敏性要求或DG容量發(fā)生變化后，基于B2B-VSC的自適應(yīng)反孤島策略可使擾動負載單元的等效阻抗值自動調(diào)整，從而滿足保護裝置的動作要求，在反孤島投入后有效切除DG。

5 結(jié)束語

基于B2B-VSC，提出了一種配電網(wǎng)自適應(yīng)低壓反孤島策略。分析了詳細的自適應(yīng)低壓反孤島原理，設(shè)計了相應(yīng)的控制回路，并通過仿真證明了所述策略的有效性。使用所述的基于B2B-VSC的配電網(wǎng)自適應(yīng)低壓反孤島策略，可有效提高DG并網(wǎng)的可靠性，促進DG在配電網(wǎng)中的大規(guī)模利用，對構(gòu)建清潔低碳的能源供應(yīng)體系較為有益。未來，可將該自適應(yīng)低壓反孤島策略應(yīng)用于實際配電網(wǎng)中，在實際電網(wǎng)運行環(huán)境下對策略的有效性與可靠性進行論證，進一步提升其應(yīng)用價值。