利用閉鎖濾波裝置的孤島檢測方案

朱時(shí)雨

(國家電網(wǎng)有限公司東北分部，遼寧 沈陽 110181)

1 電力系統(tǒng)微網(wǎng)中的孤島效應(yīng)

在電力系統(tǒng)中，微網(wǎng)由微電源、電力電子裝置、儲(chǔ)能系統(tǒng)及負(fù)荷等構(gòu)成，微網(wǎng)與配電網(wǎng)絡(luò)通過隔離開關(guān)并列運(yùn)行[1-2]。微電源供應(yīng)能源、電力電子裝置實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化與系統(tǒng)調(diào)節(jié)、儲(chǔ)能系統(tǒng)保證了非正常情況下電力負(fù)荷的正常用電。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或計(jì)劃檢修等原因非正常運(yùn)行時(shí)，微電源系統(tǒng)持續(xù)向本地負(fù)載提供有功和無功功率的現(xiàn)象，被稱為孤島效應(yīng)[3]。孤島的發(fā)生形成了一個(gè)自給自足的供電網(wǎng)絡(luò)，圖1虛線內(nèi)網(wǎng)絡(luò)即為孤島網(wǎng)絡(luò)。

圖1 孤島效應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

孤島效應(yīng)的危害主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是當(dāng)孤島系統(tǒng)被重新接入配電網(wǎng)絡(luò)時(shí)，重合閘裝置的非同期合閘會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，沖擊電流會(huì)對電網(wǎng)中的電氣設(shè)備產(chǎn)生巨大危害；二是由于孤島效應(yīng)的存在，會(huì)對電網(wǎng)維修工作人員的生命安全帶來嚴(yán)重危脅。

2 孤島檢測方案

目前，主要的孤島檢測方法大致分為兩大類：被動(dòng)式孤島檢測法與主動(dòng)式孤島檢測法[4-5]。

2.1 被動(dòng)式孤島檢測方案

a.過/欠電壓、過/欠頻率孤島檢測方案

過/欠電壓孤島檢測方案是通過監(jiān)測孤島系統(tǒng)中有功功率與負(fù)載需求有功功率不匹配時(shí)產(chǎn)生的電壓幅值變化來完成孤島檢測，過/欠頻率孤島檢測方案是通過監(jiān)測孤島系統(tǒng)中無功功率與負(fù)載需求無功功率不匹配時(shí)產(chǎn)生的頻率變化來完成孤島檢測[6-7]。過/欠電壓、過/欠頻率孤島檢測方案的優(yōu)勢在于經(jīng)濟(jì)性好，對電能質(zhì)量無干擾性，但最大缺點(diǎn)是檢測盲區(qū)過大。

b.相位跳變檢測方案

分布式電源并網(wǎng)逆變器的端電壓相位在孤島效應(yīng)產(chǎn)生時(shí)會(huì)由于失去電網(wǎng)控制而發(fā)生躍變，通過監(jiān)測該相位變化情況即可判斷孤島情況發(fā)生與否。相位跳變檢測方案的實(shí)用性較強(qiáng)，但目前確定一個(gè)可靠而廣泛適用的閾值來作為判斷依據(jù)是該方案的一個(gè)難點(diǎn)。

2.2 主動(dòng)式孤島檢測方案

a.主動(dòng)頻移孤島檢測方案

該方案核心思想是對并列運(yùn)行的配電網(wǎng)注入連續(xù)略微形變的電流，導(dǎo)致系統(tǒng)形成一個(gè)持續(xù)變化的頻率，通過檢測頻率的偏移而達(dá)到孤島檢測的目的[7]。如圖2所示的方法是利用插入死區(qū)的方式等效注入略微畸變的電流。

圖2中，iinv為并網(wǎng)逆變器輸出電流；Tu為電壓周期；tz為死區(qū)時(shí)間。

圖2 利用主動(dòng)頻移孤島檢測方案的電流波形

該方法有較好的實(shí)踐性，同時(shí)克服了被動(dòng)檢測法盲區(qū)大的缺點(diǎn)，但其畸變的電流會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電能質(zhì)量下降。

b.阻抗測量孤島檢測方案

正常情況下，將電網(wǎng)等效成電壓源，此時(shí)公共耦合點(diǎn)處的阻抗特性是小阻抗特性；當(dāng)孤島形成時(shí)，公共耦合點(diǎn)處為負(fù)載阻抗，此時(shí)公共耦合點(diǎn)處的阻抗特性是高阻抗特性[8]。其具體實(shí)現(xiàn)方法為初次檢測公共耦合點(diǎn)處的電壓和電流，完畢后施加擾動(dòng)，然后檢測該時(shí)刻的公共耦合點(diǎn)處的電壓和電流，最后用第2次的測量值與第1次的測量值做差，利用其差值得到所需擾動(dòng)信號(hào)的電壓、電流值，各個(gè)頻率處的阻抗值可以由式(1)得出：

式中:F代表傅里葉變換。

該方法優(yōu)點(diǎn)是可以快速得到測量結(jié)果，但對采樣和數(shù)字處理環(huán)節(jié)要求較高，同時(shí)當(dāng)多個(gè)光伏并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，檢測信號(hào)會(huì)相互干擾，造成誤差。

3 基于閉鎖濾波裝置的微網(wǎng)孤島檢測方案

3.1 方案原理

分布式電源會(huì)向電網(wǎng)注入大量諧波，為防止諧波干擾用電設(shè)備正常運(yùn)行，微網(wǎng)系統(tǒng)在分布式電源輸入端會(huì)配置濾波裝置。本方案利用閉鎖濾波裝置這一操作，來實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的孤島檢測。

圖3為本方案原理示意圖。圖3模擬T(T≥1)條負(fù)荷支路的分布式電源微網(wǎng)結(jié)構(gòu)。圖3中濾波裝置外設(shè)一個(gè)判斷控制系統(tǒng)，當(dāng)判斷控制系統(tǒng)發(fā)出正常信號(hào)時(shí)，分布式電源輸出的電氣量經(jīng)過濾波裝置濾波后進(jìn)入微網(wǎng)，此時(shí)濾波裝置正常運(yùn)行；當(dāng)判斷控制系統(tǒng)發(fā)出閉鎖信號(hào)時(shí)，濾波裝置停止工作，分布式電源輸出的電氣量不經(jīng)過濾波裝置直接進(jìn)入微網(wǎng)，此時(shí)分布式點(diǎn)電源會(huì)將大量諧波注入電網(wǎng)。當(dāng)微網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，由于電網(wǎng)的鉗制作用，濾波裝置是否正常運(yùn)行，其公共耦合點(diǎn)(PCC點(diǎn))的電壓諧波畸變率變化不大。當(dāng)發(fā)生孤島現(xiàn)象時(shí)，情況會(huì)發(fā)生不同，在濾波裝置正常運(yùn)行情況下，分布式電源輸出的電氣量在濾波裝置的作用下被有效過濾，因此諧波含量較少，這時(shí)PCC點(diǎn)的電壓諧波畸變率變化微小。在濾波裝置閉鎖情況下，由于缺少濾波環(huán)節(jié)，大量諧波被注入，將導(dǎo)致PCC點(diǎn)的電壓諧波畸變率大于濾波裝置正常運(yùn)行的情況。

圖3 基于閉鎖濾波裝置的微網(wǎng)孤島檢測原理

經(jīng)過以上分析，將濾波裝置間歇性閉鎖，通過比較濾波裝置正常情況與閉鎖情況下PCC點(diǎn)電壓諧波畸變率的數(shù)值大小，就可以判斷出系統(tǒng)是否發(fā)生了孤島現(xiàn)象。本文根據(jù)IEEE Std.929—2000及GB/T 19939—2005《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求》的規(guī)定，并結(jié)合實(shí)際工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將PCC點(diǎn)電壓諧波畸變率的閾值設(shè)定為5%，即當(dāng)濾波裝置閉鎖前后PCC點(diǎn)電壓諧波畸變率大于5%，并持續(xù)時(shí)間超過0.5 s，判定系統(tǒng)發(fā)生孤島狀態(tài)；反之判定為非孤島狀態(tài)。

同時(shí)，考慮到頻繁閉鎖濾波裝置不但會(huì)影響系統(tǒng)的電能質(zhì)量，而且也會(huì)造成濾波裝置的損耗。因此本文將判斷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為規(guī)定時(shí)限內(nèi)頻率偏差值與PCC點(diǎn)近側(cè)電流有效值的“或”邏輯結(jié)構(gòu)，以使濾波裝置的閉鎖次數(shù)合理化，具體判斷控制系統(tǒng)邏輯實(shí)現(xiàn)敘述如下：ft為規(guī)定時(shí)限內(nèi)系統(tǒng)前后2個(gè)時(shí)間點(diǎn)的頻率差值(根據(jù)GB/T 15945—2008《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率偏差》規(guī)定，設(shè)置頻率偏差允許值為±0.2 Hz)，I1、I2、I3、…、IT為PCC點(diǎn)近側(cè)電流有效值(T為支路數(shù))，那么當(dāng)ft的絕對值大于0.2 Hz或I1×I2×I3×…×IT=0時(shí)，判定系統(tǒng)為不正常運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)判斷控制系統(tǒng)發(fā)出閉鎖指令閉鎖濾波裝置。反之判定為系統(tǒng)正常狀態(tài)，濾波裝置正常運(yùn)行。孤島檢查流程如圖4所示。

圖4 基于閉鎖濾波裝置的微網(wǎng)孤島檢測方案流程

3.2 方案仿真分析

本文使用Matlab實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)仿真分析。試驗(yàn)參數(shù)如下。

電源系統(tǒng)：線電壓為380 V，容量無限大，頻率為50 Hz，線路阻抗R0=0.1 Ω，L0=0.01 H。

分布式系統(tǒng)參數(shù)：容量為50 kW，開關(guān)頻率為2000 Hz。

負(fù)載系統(tǒng)：R=50 Ω，L=0.08 H。

濾波裝置參數(shù)：Lf=0.15 mH，Lg=0.075 mH，Cf=190 μF，阻尼電阻為0.5 Ω。

a.發(fā)生孤島情況仿真分析

本文設(shè)置仿真系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為3 s，在1.5 s發(fā)生孤島情況，仿真情況具體說明如下。

如圖5所示，在系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，系統(tǒng)PCC點(diǎn)電壓諧波畸變率為0.23%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生孤島情況后，系統(tǒng)PCC點(diǎn)電壓諧波畸變率上升為6.63%，超過設(shè)定閾值1.63%，根據(jù)分析可知，基于閉鎖濾波裝置的微網(wǎng)孤島檢測方案可以正確有效完成孤島檢測。

圖5 1.5 s孤島發(fā)生前后PCC點(diǎn)電壓諧波畸變率

b.偽孤島情況仿真分析

為防止本方案對偽孤島情況的誤判，本文利用該仿真模型，對系統(tǒng)發(fā)生三相故障、相間故障以及單相接地故障進(jìn)行模擬，模擬系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為3 s，1.2 s發(fā)生上述故障情況，在1.6 s恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)。

由圖6所示，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相故障及故障切除時(shí)刻，PCC點(diǎn)電壓諧波畸變率會(huì)發(fā)生突變，且變化量約為本文設(shè)定的5%閾值，但其保持時(shí)間小于本文設(shè)定的0.5 s，因此本方案可以完美地防止偽孤島情況的誤判。由表1可知，對于不同的故障類型，該方案均可避免偽孤島情況的誤判。

表1 不同故障類型情況故障期間PCC點(diǎn)電壓諧波畸變率數(shù)值 單位：%

圖6 發(fā)生三相故障前后PCC點(diǎn)電壓諧波畸變率

4 結(jié)語

基于閉鎖濾波裝置的微網(wǎng)孤島檢測方案，其原理是通過檢測比較閉鎖濾波裝置前后公共耦合點(diǎn)電壓諧波畸變率變化情況，從而判斷是否發(fā)生孤島效應(yīng)，經(jīng)理論分析以及Matlab仿真，驗(yàn)證了本文提出方法具備可操作性。