基于改进电压/频率正反馈的孤岛检测方法研究

摘  要： 孤岛检测是分布式发电系统并网运行时的一个重要问题。在电压相位突变检测方法、电压-有功正反馈检测方法和基于无功-频率下垂特性的正反馈无功扰动检测方法的基础上，结合三者的优势，提出了一种基于改进电压/频率正反馈的孤岛检测方法。该方法克服了采用单一电压相位突变检测方法在负载近似呈阻性和功率相匹配时失效的问题，不存在检测盲区，对系统电能质量影响较小，并通过Matlab软件仿真验证了该方法的正确性。
关键词： 孤岛检测；相位突变；电压-有功正反馈；无功功率扰动

    随着分布式发电DG（Distributed Generation）系统的发展，孤岛问题变得越来越突出。所谓孤岛[1]是指当大电网系统供电因发生故障或进行停电检修而断开时，用户侧的DG系统未能即时检测出孤岛的发生而将自身切离供电网络，形成由DG系统和周围的负荷构成的一个自给供电的孤岛。这种孤岛现象会对电气设备和检修人员带来很大的危害，因此能够准确、及时地检测出孤岛具有十分重要的意义[2]。
    本文在分析了电压相位突变方法[3-4]、电压—有功正反馈方法[5-6]以及基于无功—频率下垂特性的正反馈无功扰动方法[7]的基础上，提出了基于改进电压/频率正反馈的孤岛检测方法。当DG系统输出功率与负载消耗功率不匹配及负载呈非阻性时，采用相位突变方法，此时能够快速地检测到孤岛，并且对系统电能质量无影响；当DG系统输出功率与负载消耗功率相匹配及负载呈阻性时，采用电压—有功正反馈和基于无功—频率下垂特性的正反馈无功扰动方法，这样就消除了相位突变法存在的检测盲区，大大提高了孤岛检测的有效性。
1 孤岛检测原理分析
    图1所示为分布式电源经逆变器并入大电网的孤岛检测系统模型。采用并联RLC表示本地负载。

    正常并网运行时，负载消耗功率为：
    
2 基于改进电压/频率正反馈的检测方法
2.1 基于改进电压/频率正反馈检测方法的基本原理
    相位突变方法检测速度快、方法简单、容易实现。但该方法与其他被动检测方法相类似，其孤岛检测盲区较大。当DG系统输出功率与负载消耗功率相匹配时，相位突变未超出检测阈值，导致检测失败。
    电压-有功正反馈方法和基于无功-频率下垂特性的正反馈无功扰动方法能够解决DG系统输出功率与负载消耗功率相匹配情况下的孤岛检测，但这两种方法由于需要向系统注入扰动，对系统的电能质量影响较大，并且在大多数情况下，DG系统输出功率与负载消耗功率一般是不匹配的。因此，本文将这三种方法相结合形成改进的电压/频率正反馈检测方法，该方法在DG系统输出功率与负载消耗功率不匹配时使用电压相位突变方法，在DG系统输出功率与负载消耗功率相匹配时使用电压-有功正反馈/基于无功-频率下垂特性的正反馈无功扰动方法。该改进方法减小了电压相位突变方法单独使用时的检测盲区（即系统功率匹配），并有效降低了单独使用电压-有功正反馈/基于无功-频率下垂特性的正反馈无功扰动方法对电能质量的影响。该方法将电压-有功正反馈方法和基于无功-频率下垂特性的正反馈无功扰动一起应用，既检测DG系统输出电压的变化，又检测频率的变化，只要其中任一个检测量超出阈值，就可以检测出孤岛，提高了孤岛检测的速度。
    基于改进电压/频率正反馈检测方法系统框图如图2所示。可以分以下两种情况说明。

    （1）DG系统输出功率与负载功率不匹配：选用相位突变模块，通过控制装置实时检测Pcc点电压与DG系统输出电流之间的相位差是否超过阈值来判定孤岛状态。这时应用控制模块断开电压-有功正反馈和基于无功-频率下垂特性的正反馈无功扰动模块，这样去掉反馈后，就减小了对DG系统输出电能质量的影响。
    （2）DG系统输出功率与负载功率相匹配：选用电压-有功正反馈和基于无功-频率下垂特性的正反馈无功扰动模块，这时通过对系统有功功率及无功功率的扰动，使电压幅值和频率发生偏移，一旦检测到电压幅值或频率超出检测阈值，即可断定系统发生了孤岛。
2.2 仿真分析

    本文通过Matlab软件搭建仿真模型进行分析，大电网用3个并联的交流电压源来模拟，其额定电压为311 kV；隔离变压器电网侧为D1，逆变器侧为Yg：电压比为380 V/275 V，额定容量为25 kVA；DG侧直流电源电压为650 V，逆变器开关频率 2 700 Hz，并网逆变器采用IGBT/Diodes器件；LCL滤波器参数设置：L1=L2=2 mH，C=20 μF；线路参数设置：R=1.2 Ω，L=1 mH；本地负载采用RLC并联，有功功率为10 kW，无功功率为1 kVar。
2.2.1 DG系统输出功率与负载功率不匹配
    仿真系统在1 s时发生断网，此时DG系统孤岛运行。当负载的有功消耗PR=10 kW，DG系统输出有功功率P=12 kW时，系统有功功率不匹配，当发生孤岛时，Pcc点电压就会迅速变化，如图3~图5所示。

    DG系统在1 s发生孤岛时，由于DG系统输出电压受负载电流和本地负载的影响，其电压幅值将发生变化，超过电压越限元件的阈值（U>1.1Un），这时系统很容易就检测到发生的孤岛，如图3所示。由图4可知，系统频率变化不是很大。从图5相位突变模块的输出信号中可以看到DG系统在接近于1.03 s时检测信号由0跳变为1，此时成功地检测到发生的孤岛。
2.2.2 DG系统输出功率与负载功率相匹配
    （1）无反馈时的仿真结果
    系统在1 s时断开，DG系统处于孤岛状态。当负载的有功消耗PR=10 kW，DG系统输出有功功率P=10 kW，负载的无功消耗QLC=1 kVar，DG系统输出有功功率Q=1 kVar时，DG系统输出的功率与负载消耗功率相匹配。假如此时不加入反馈，DG系统输出电压的变化将会很小，导致检测不到发生的孤岛，如图6~图8所示。

    当1 s发生孤岛时，DG系统输出电压、系统频率没有发生明显变化，如图6~图7所示，此时系统将不能检测到发生的孤岛。从图8中可以看到检测控制信号没有发生跳变，说明这时仅依靠相位突变方法将检测不出孤岛状态，即出现了检测盲区。
    （2）有反馈时的仿真结果
    DG系统在1 s发生孤岛。此时系统中加入电压—有功正反馈/基于无功—频率下垂特性的正反馈无功扰动模块的仿真波形如图9、图10所示。

    从图9可看出，当DG系统在1 s断开后，由于加入反馈的作用，使DG系统输出电压幅值不断发生变化，直到超出超过电压越限元件的阈值（U<0.88Un），这时很容易就检测到发生的孤岛。由图10所示，在近似1.17 s时频率大于50.5 Hz，超出了频率越限元件的动作范围（f>50.5 Hz），从而检测出发生的孤岛。
    通过以上分析，在DG系统输出功率与负载消耗功率不匹配的情况下，改进电压/频率正反馈孤岛检测方法能够快速地检测到孤岛，并且该方法是利用相位突变被动检测，并没有在系统中引入扰动，减小了对系统电能质量的影响；在DG系统输出功率与负载消耗功率相匹配的情况下，通过电压-有功正反馈/基于无功-频率下垂特性的正反馈无功扰动模块，可以检测到发生的孤岛。这时该检测方法同时监测电压、频率两个变量，提高了检测速度，并且减小了单独使用相位突变检测方法时存在的检测盲区。
    为了减小传统的孤岛检测方法的检测盲区，本文提出了基于改进电压/频率正反馈的孤岛检测方法。通过Matlab仿真证明，该方法不仅检测灵敏度高、无检测盲区、对电能质量影响小，而且检测速度满足要求。
参考文献
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[2] MAHAT P,Chen Zhe，JENSEN B B，et al.Review of  islanding detection methods for distributed generation[C]. Proceedings of Third International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies，Nanjing，2008.
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