電壓有功正反饋孤島檢測的改進算法

王西偉

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

當(dāng)電網(wǎng)供電因故障或停電維修而斷開時，用戶端的分布式發(fā)電系統(tǒng)并未即時檢測出孤島狀態(tài)而將自身切離市電網(wǎng)絡(luò)，使電網(wǎng)停電區(qū)的部分線路仍維持帶電狀態(tài)，形成自給電力供應(yīng)的孤島［1］。孤島一旦形成，將危害設(shè)備的安全運行，危及運行人員的生命安全，影響孤島系統(tǒng)的電能質(zhì)量。因此，研究孤島檢測的方法，及時發(fā)現(xiàn)孤島，將其產(chǎn)生的危害降到最低，具有重要的現(xiàn)實意義。隨著新能源的發(fā)展，分布式電源并網(wǎng)運行增多，孤島發(fā)生的可能性及對系統(tǒng)的影響越來越大。而大部分的分布式電源是通過逆變器并網(wǎng)的，因此，基于逆變器的孤島檢測受到重視。

1 傳統(tǒng)孤島檢測方法

目前，逆變器側(cè)的孤島檢測方法分為2類:被動檢測方法和主動檢測方法。被動檢測方法是通過監(jiān)測電網(wǎng)斷電時公共連接點的端電壓幅值、相位、頻率、諧波是否出現(xiàn)異常來判斷是否產(chǎn)生孤島。它主要包括:電壓/頻率檢測法 VFD［2］(Voltage/Frequency Detection)、電壓諧波檢測法 HD［3］(Harmonics Detection)、電壓相位突變檢測法 PJD［4］(Phase Jump Detection)及關(guān)鍵電量變化率檢測法 CRDKP［5］(Change Rate Detection of Key Power)。被動檢測方法的不足之處是存在較大的檢測盲區(qū)。一般將被動法與主動法結(jié)合使用，應(yīng)用于負載頻率變化不大且與逆變器的功率輸出不匹配的場合。當(dāng)分布式發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率與本地負載完全匹配時，電網(wǎng)斷電后系統(tǒng)端電壓幅值及相位、頻率無明顯變化，被動式檢測法無法準(zhǔn)確地檢測出孤島狀態(tài)。主動檢測法的提出，解決了這個問題。主動檢測法是在逆變器的控制中加入擾動信號，并網(wǎng)運行時，由于大電網(wǎng)的鉗制，擾動信號對逆變器的影響很小;孤島發(fā)生時，逆變器輸出端的參數(shù)(電壓、相位、頻率)受擾動信號作用偏離正常值，當(dāng)超出設(shè)定閾值時，逆變器停止并網(wǎng)運行。主動檢測方法主要包括特定頻率的阻抗測量法 SFIM［6］(Specific Frequency Impedance Measurement)、輸出功率擾動法 OPP［6］(Output Power Perturbation)、Sandia 電壓偏移法 SVS［7］(Sandia Voltage Shift)、主動頻率偏移法 AFD［8］(Active Frequency Drift)、滑模頻率漂移 SMS［9］(Slide － Mode Frequency Shift)及 Sandia 頻率偏移法 SFS［10］(Sandia Frequency Shift)等。對于主動檢測法，相應(yīng)的檢測盲區(qū)(NDZ)有了較大的改善，孤島檢測的效率有一定提高，但由于引入了擾動，對系統(tǒng)的電能質(zhì)量和暫態(tài)響應(yīng)有一定的影響。在孤島檢測法研究中，應(yīng)從投資成本、檢測盲區(qū)、檢測靈敏度及電能質(zhì)量等方面出發(fā)，提出一種新型或改進的檢測方法，為電力系統(tǒng)針對產(chǎn)生的孤島采取相應(yīng)的措施、減小孤島帶來的危害提供依據(jù)［11－12］。

基于此，本文提出了一種改進電壓有功正反饋主動檢測法，該方法在原有電壓有功正反饋基礎(chǔ)上引入頻率變化量，結(jié)合電壓、頻率這2個變量，加速有功擾動，從而減小檢測盲區(qū)、提高檢測靈敏度。

2 改進電壓有功正反饋檢測方法

2．1 試驗原理

孤島檢測電路如圖1所示，當(dāng)斷路器S斷開，孤島形成，此時負載有功功率與電壓、無功功率與頻率的關(guān)系為

式中:VPCC為公共節(jié)點電壓;Pload為負載有功功率;Qload為無功功率;ω為電壓角頻率;C為電容。

圖1 孤島檢測電路圖

電壓有功正反饋的原理如圖2所示，當(dāng)系統(tǒng)檢測到VPCC升高時，由于正反饋，逆變器輸出有功功率P增加，孤島狀態(tài)時，負載所需有功功率只需與逆變器輸出平衡，即Pload=P，則Pload相應(yīng)增加，VPCC相應(yīng)升高。依此循環(huán)，最終超出電壓越限檢測元件閾值，檢測出孤島。

圖2 電壓有功正電饋原理圖

在電力系統(tǒng)分析和控制中，為使數(shù)學(xué)模型簡化，常將abc坐標(biāo)系的各參數(shù)變換到dq坐標(biāo)系［13］。因此，本文將電壓有功正反饋與dq變換相結(jié)合，通過dq變換實現(xiàn)對Vd，Vq電壓的分離及有功電流Id和無功電流Iq的分離。由式(2)可知，負載電壓的變化也會影響1/ωL－ωC。即當(dāng)有功功率不匹配時，負載電壓發(fā)生變化，如果此時電源提供的無功功率沒有發(fā)生變化，則系統(tǒng)角頻率將依據(jù)式(2)發(fā)生相應(yīng)的變化。在設(shè)計中，如果保證斷網(wǎng)前、后負載無功功率不發(fā)生變化，由式(2)可以看出，電壓的變化和角頻率的變化趨勢相同，即電壓增大時，角頻率增大，電壓減小時，角頻率減小。因此，將頻率的變化引入正反饋環(huán)節(jié)可以加快逆變器有功輸出與負載有功功率的不匹配度，孤島檢測更靈敏。本文令無功電流的參考值Iqref為恒定值，用來平衡本地負載的無功功率，在斷網(wǎng)前、后，無功功率不發(fā)生變化;將Vd和ω作為正反饋加入的擾動量，經(jīng)過增益環(huán)節(jié)與參考電流值Idref一起作為Id的參考量。改進電壓有功正反饋孤島檢測方案如圖3所示，其控制原理圖如圖4所示。

圖3 加入頻率變量的電壓有功正反饋檢測方案

2．2 仿真分析

本文用Matlab/Simulink對改進算法進行了仿真和試驗研究，采用電流特性控制的電壓源逆變器和諧振情況下的負載。由于在功率不匹配情況下效果比較明顯，本文不做研究，只針對功率匹配的情況進行仿真研究，0．3 s時斷路器斷開。仿真圖如圖5、圖6所示。

分析如下:

(1)加入未改進電壓有功正反饋時，0．40 s時電壓幅值達到最大值，最大值為2750V。

(2)加入改進電壓有功正反饋時，0．37 s時電壓幅值達到最大值，最大值為2955V。

試驗結(jié)果表明，與未改進電壓有功正反饋相比，改進的檢測方法檢測時間縮短，電壓幅值有所增大。

圖6 加入改進電壓有功正反饋后的電壓波形

3 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的電壓有功正反饋檢測方法相比，改進的檢測方法由于在電壓擾動基礎(chǔ)上加入了頻率擾動，使檢測效果更加明顯。在以后的研究中，可以針對連續(xù)性擾動的情況進行改善，對系統(tǒng)進行間歇性擾動，從而減小對系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響。

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