分布式发电系统的复合型孤岛检测方法研究

摘  要： 为了解决分布式发电系统中存在的孤岛检测问题，提出了一种新型复合式孤岛检测方法。该方法通过改变扰动电流波形对传统的AFD检测方法进行改进，并结合传统被动式孤岛检测方法判定孤岛现象的发生。结合IEEE.Std.2000-929/UL1741标准中的技术规范，利用Matlab/Simulink对新方法进行了仿真验证。仿真结果显示，该方法既能快速、准确地检测出孤岛现象，又把对电网电能质量的影响降到最小。
关键词： 分布式发电；并网；逆变器；孤岛检测；仿真

    光伏发电、风力发电等分布式发电系统与电网间可以实现功率互补，具有环保性、经济性和灵活性等特点，因此越来越多地应用于电力系统。多个实验室的研究表明，孤岛效应是分布式发电并网中存在的重要问题之一，对于孤岛检测技术的研究具有重要的现实意义。所谓孤岛效应是指当电力公司因供电故障或其他因素而停止供电后，并网发电系统和周围的负载形成自给供电孤岛。这种自给的孤岛现象可能会损害用电设备，危害电网维护人员的人身安全。因此在分布式发电系统中，及时、准确地检测到孤岛发生对于避免重大安全事故发生具有重要意义[1]。
1 复合式孤岛检测方法
    孤岛检测算法可以分为电网端和逆变器端两种，通过逆变器并网运行是分布式发电系统最常见的方式。图1给出的分布式发电系统并网运行结构图，节点a为并网逆变器和电网的公共连接点。逆变器侧孤岛检测算法一般可分为两类：主动式检测方法和被动式检测方法。主动式孤岛检测方法通过对某一参数添加扰动，改变并网逆变器的某些输出量，孤岛发生时这种扰动就会引起输出量的改变，从而能够在电网断电时检测到孤岛效应的发生。主动式检测方法控制算法较复杂，输出谐波较大。其中主动频率偏移法AFD(Active Frequency Drift)只需对逆变器输出电流参考波形加入畸变，应用较多。被动式检测方法仅仅监控电网断电时逆变器输出端电压、频率、相位或谐波变化进行孤岛检测，该方法容易实现，但检测盲区较大，应用于负载频率变化不大且与逆变器的功率输出不匹配的场合[2-5]。其中过/欠压和过/欠频保护基于孤岛检测基本原理，是所有主、被动孤岛检测方法的基础。
    为了减小孤岛检测对电网电能质量的影响，本文在研究主、被动孤岛检测方法的优缺点的基础上，提出了一种新的复合式孤岛检测方法。新孤岛检测算法一方面实时检测公共点电压频率、相位的变化，利用过/欠压和过/欠频方法进行孤岛检测；另一方面通过改变扰动电流波形对已有AFD方法存在的缺点进行改进，在过/欠压和过/欠频方法失效时采用改进后的AFD方法来检测孤岛。将过/欠压和过/欠频被动式孤岛检测方法和改进主动式AFD方法相结合，形成了本文提出的复合式孤岛检测方法。经验证，该方法避免了主动式孤岛检测方法对电网电能质量存在影响，以及被动式方法检测盲区较大的缺点，大大提高了孤岛检测的效果。


    在传统的AFD孤岛检测算法中，欲使Q/P的值达到5.017%，THD的值将会达到5%，电流波形失真率增大了近30%。而THD的最大值为5%，可以求出此时K的值为0.108，利用式(14)求出Q/P的值为7.4%。在传统AFD孤岛检测算法中，若Cf=0.046得到Q/P的值为4.8%。两种检测算法的THD和Q/P的对比曲线如图2所示。
    图中“○”和“+”分别表示本文提出的改进AFD方法以及传统AFD方法的THD和Q/P的对比值。可以看出，改进的AFD法在任意Q/P值下所引起的输出电压总谐波失真值都比较小。改进后的AFD算法中Q值增大了近50%，在不影响孤岛检测效果的基础上提高了电网的输出电能质量。
1.2 复合式孤岛检测法
    在改进AFD方法中，电流的扰动周期取值一般不宜过小，并且只有在扰动周期到来时才能够检测出孤岛，致使孤岛检测速度较慢。因此本文尝试将改进AFD方法与被动式孤岛检测方法结合，即复合式孤岛检测算法。复合式孤岛检测方法可以分以下两种情况。(1)一般情况下，即逆变器输出功率与负载功率不平衡和负载呈非阻性的情况下利用过/欠压和过/欠频法，通过控制电路实时检测公共点电压的频率和相位是否超过阈值来判定孤岛状态，进行孤岛保护。(2)针对逆变器输出功率与负载功率平衡以及负载呈阻性的情况，此时过/欠压和过/欠频等被动式孤岛检测算法失效。采用本文提出的改进的AFD方法来检测孤岛，即通过对逆变器输出电流施加扰动电流而改变电流的频率和相位，使输出电流频率比公共连接点处电压频率略高或者略低。
    我国发布的孤岛检测标准要求至少采用主动与被动孤岛检测方法各一种进行孤岛保护，且电网失压时防孤岛效应保护必须在2 s内动作。表1为IEEE Std.2000—929规定的孤岛运行后并网逆变器与电网断开的最大时间限制，其中Vnom为额定电压，仿真中取交流值220 V；fnom为正常工作的电网电压频率范围，仿真中取60 Hz。孤岛发生时，随着扰动量的累积使系统输出电压频率等超出保护阈值，从而达到孤岛保护的目的[6]。

2 仿真分析
    为了验证本文所提出的复合式孤岛检测算法的可行性，在Matlab/Simulink中使用Power System Blockset建立系统主电路进行了光伏并网发电系统的孤岛检测的建模仿真实验。
    仿真参数为：选取参考正弦波频率为50 Hz，分布式电源采用光伏系统，可以用直流电源表示，大小为25 kV，电网电压设置为220 V/50 Hz，设置普遍采用的电阻R、电感L和电容C作为光伏并网系统的负载，仿真时间为1 s，t=0.4 s时电网断开发生孤岛效应，此时的电网电压输出波形如图3所示。每隔0.2 s对参考电流施加扰动信号，扰动周期持续两个电网周期，逆变器输出功率与负载功率平衡以及负载呈阻性的情况下，被动式孤岛检测方法很难检测到孤岛效应的发生，采用复合型孤岛检测方法进行孤岛检测所获得的仿真波形如图4所示。

    由图4可以看出，采用复合型孤岛检测方法，在t=0.6 s时，孤岛被检测出来，远远小于2 s。另一方面，从上文所述关于输出电压总谐波失真值的分析可以得到，新的孤岛检测方法对电网电能质量的影响是比较小的。
    本文提出了一种被动式孤岛检测方法与改进的主动频率偏移法结合的复合式孤岛检测方法，该方法兼顾了两者优点，克服了采用单一的被动式孤岛检测方法在近乎阻性负载下失效和单一主动式孤岛检测方法影响输出电能质量的问题。为了验证该方法的有效性，采用Matlab/Simulink仿真软件进行了进行仿真分析。仿真结果证明了该方法的正确性、快速性和有效性，检测时间远远小于2 s，符合我国对于孤岛检测时间的规定。不影响电网的频率,不向电网注入谐波，不存在检测盲区，具有快速有效的孤岛检测功能。
参考文献
[1] 郭小强，赵清林，邬伟扬.光伏并网发电系统孤岛检测技术[J].电工技术学报，2007，22(4)：157-162.
[2] 程明，张建忠，赵俊杰.分布式发电系统逆变器侧孤岛检测方法及非检测区描述[J].电力科学与技术学报，2008，23(4)：44-52.
[3] DOUMBIA M L，AGBOSSOU K.Islanding protection evaluation of inverter-based grid connected hybrid renewable energy systems[C].Canadian Conference on Elec-trical and Computer Engineering，Canadian，2004(2)：1081-1084.
[4] KIKIM S，JEON H，AHN J B，et al.Frequency-shift acceleration control for anti-islanding of a distributedgeneration inverter[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57(2)：494-504.
[5] IEEE STD 929-2000.IEEE recommended practice for utility interface of photovoltaic(PV)system[S].2000.
[6] 程启明，王映斐，程尹曼，等.分布式发电并网系统中孤岛检测方法的综述研究[J].电力系统保护与控制，2011，39(6)：147-154.