光伏微網系統(tǒng)孤島檢測中的阻抗測量仿真

肖龍，楊國華，周鑫，姚琪，朱向芬，智騰飛，王金梅

（1.寧夏大學電氣工程與自動化系，銀川 750021；2.寧夏電力公司，銀川 750001）

光伏微網系統(tǒng)孤島檢測中的阻抗測量仿真

肖龍1，楊國華1，周鑫1，姚琪2，朱向芬，智騰飛1，王金梅1

（1.寧夏大學電氣工程與自動化系，銀川 750021；2.寧夏電力公司，銀川 750001）

針對目前有源孤島檢測法檢測信道間相互干擾及注入擾動量對電能質量產生影響等不足之處，提出了一種基于阻抗測量原理的孤島檢測方法。介紹了阻抗測量法的檢測原理及孤島判定依據，分析了信號發(fā)生器的觸發(fā)位置、觸發(fā)角等因素對多分布式電源干擾的影響及抑制，探討了短路脈沖電流信號對分布式電源出線端電壓偏差的影響機理。利用Matlab/Simulink對系統(tǒng)孤島、并網運行狀態(tài)進行建模仿真，仿真結果表明利用阻抗測量法進行多信道檢測可以顯著抑制干擾，降低對電能質量的影響，有效實現孤島檢測。

孤島檢測；阻抗測量；多源微網；分布式電源；短路電流

在含有多分布式電源的微網系統(tǒng)中，孤島檢測是微網系統(tǒng)并網運行時必須解決的一個重要問題[1～6]，當電網停止供電后，電源檢測裝置能及時地檢測出電網的失電狀態(tài)，從而使觸發(fā)信號控制并網斷路器斷開，停止向失壓電網供電，從而保證人身及設備安全，避免發(fā)生重大安全事故[7～12]。目前，在眾多的孤島檢測方法中，有源檢測方法使用較為普遍[13，14]，但有源檢測方法是通過向系統(tǒng)注入干擾信號使得系統(tǒng)電壓和頻率等參數超越門檻值從而判別孤島[15～17]，由于干擾信號的注入使系統(tǒng)參數對檢測效果影響較大并且電能質量也會降低，因此，在對微網系統(tǒng)中多個分布式電源DG（distributed generation）同時進行孤島檢測時，傳統(tǒng)的有源檢測方法會出現檢測信號間的干擾問題，為克服并解決上述問題，有必要采用新型方法，基于阻抗測量的孤島檢測法應運而生。

1 阻抗測量法基本原理

1.1 阻抗測量法

基于阻抗測量的孤島檢測方法，適用于分布式電源DG以微網形式并入電網的系統(tǒng)，即多源微網系統(tǒng)，實質是根據微網在并網和孤島運行時分布式電源出口處的阻抗不同，通過測定DG出口處的相間短路水平，從而判定微網系統(tǒng)的運行狀態(tài)。具體來說，就是分別建立系統(tǒng)孤島和并網運行時的等效阻抗檢測模型，進而推導出兩種運行狀態(tài)的短路電流表達式，探討信號發(fā)生器的觸發(fā)位置、觸發(fā)角和觸發(fā)周期等因素對多DG的干擾性影響，在滿足電壓偏差、電流偏差條件下，分析系統(tǒng)和信號發(fā)生器SG（signalgeneration）容量對電能質量的影響。

1.2 阻抗檢測原理

微網系統(tǒng)中主電網的等效阻抗比DG的等效阻抗小的多，使得DG在孤島和并網運行時測得的阻抗值有明顯變化。圖1給出了一個含有2個分布式電源的典型微網系統(tǒng)阻抗分布，為了方便對阻抗大小進行分析，圖1中各部分阻抗用標幺值形式給出。當圖中斷路器QF0閉合時，微網處于并網運行，DG1和DG2出口的系統(tǒng)阻抗分別為0.187p.u.和0.162 p.u.；而當圖中斷路器QF0斷開，微網處于孤島狀態(tài)，在DG1和DG2出口端測得的系統(tǒng)阻抗分別增大為0.67 p.u.和0.60 p.u.。

圖1 典型微網系統(tǒng)阻抗分布Fig.1 Impedance diagram of a typicalm icro-grid system

利用DG出口端系統(tǒng)阻抗的明顯變化可以實現孤島狀態(tài)檢測，而DG出口端的短路電流能有效地反映這種變化，如果能夠對出口端短路電流進行檢測，那么短路電流的大小變化就能實現孤島狀態(tài)的判定，如圖2所示。在每個DG出口端任意兩相間放置一個與降壓變壓器串聯的信號發(fā)生器SG，SG中的電力晶閘管檢測DG出口端電壓波形的上升沿與下降沿，并在電壓過零時給晶閘管一個合適的觸發(fā)角δ使晶閘管處于開通狀態(tài)，形成相間主動短路，方便檢測系統(tǒng)孤島、并網運行狀態(tài)下的短路電流。

圖2 信號發(fā)生器連接Fig.2 Signalgenerator connection

1.3 短路電流公式推導

系統(tǒng)檢測模型如圖3（a）所示，當晶閘管未導通時晶閘管電壓為

式中：VN為與晶閘管串聯變壓器二次側的線電壓；vpp（t）為信號發(fā)生器兩端電壓。

等效模型如圖3（b）所示。圖中Xs和XDG分別是公共電網和分布式電源的正序電感，XTDG和XTSG分別是升壓變壓器和降壓變壓器的電感，SG為信號發(fā)生器，ΔV（t）為公共點電壓偏差。

圖3 阻抗測量孤島檢測法等效分析Fig.3 Equivalentanalysisof the proposed islanding protection

式中，δ為晶閘管脈沖觸發(fā)角。

當DG孤島運行時，短路電流為

當DG并網運行時，短路電流為

由于Xs+XTDG＜XDG，可得i1（t）＞i2（t），即并網運行短路電流大于孤島運行短路電流，從而辨別孤島。孤島運行與并網運行時的短路電流之差為

電流峰值差ΔI可以作為圖2中SG內部檢測算法的門檻值，利用這一門檻值來判定是否發(fā)生孤島。

2 孤島檢測信號間的干擾抑制

微網系統(tǒng)中含有多個分布式電源，不同的分布式電源檢測信號間必然產生較為顯著的干擾影響，檢測信號間的干擾影響制約了一些有源檢測方法的深入應用。而基于阻抗測量的孤島檢測技術則有所不同：用SG裝置構成相間短路，通過控制觸發(fā)位置、觸發(fā)角和觸發(fā)周期從而提取相間短路電流，可以有效解決并抑制檢測信號間的干擾問題，脈沖電流變化如圖4所示。

圖4 不同檢測通道脈沖電流Fig.4 Pulsecurrentofdifferentdetection channel

假設圖4中DG出口端電壓為ab相間電壓，則短路電流為ab相間的短路電流。其相間可由ab、ac、bc構成，這樣就有3個不同的檢測信道，信道間的檢測信號不會相互干擾。從圖4中又可知脈沖電流是在電壓正向過零前δ角觸發(fā)晶閘管導通得到的，考慮負向過零每個相間通道上又衍生出兩個互不干擾的檢測信道，至少存在6種檢測信道，具體如表1所示。

圖4中通過設置晶閘管的觸發(fā)周期，即晶閘管在幾個周波內導通一次，獲取一次短路脈沖電流，對于不同的分布式電源選擇在不同的周波內完成孤島檢測，檢測信號間的提取就不存在時間上的重疊，因而檢測信號間的干擾被有效抑制。

表1 SG位于相間的檢測通道Tab.1 Phase-to-phasedetection channelof SG

3 脈沖電流變化對電能質量的影響機理

微網中含有多個DG，當一個DG被晶閘管觸發(fā)短路時，由于系統(tǒng)等效阻抗Xs在公共支路上，從而短路脈沖電流大小會受到其他DG同時觸發(fā)的影響，脈沖電流變化會影響DG出口端電壓偏差ΔVmax變化，ΔVmax常被用來衡量一個DG被觸發(fā)短路時對電能質量的影響程度。

當ΔVmax變化量小于1%且ΔI＞5 A時稱作可行區(qū)域，在這個區(qū)域內電能質量會達到滿意的效果[2]。一般地，并網狀態(tài)和孤島運行時的電壓偏差[2]可以分別表示為

根據圖3（b）中的阻抗測量法等效模型，選取典型參數如下：公共電網短路容量為300MVA，DG含25%電抗容量為5MVA，DG變壓器含5%電抗容量為6MVA，SG變壓器含3%電抗容量為300 kVA。因此，Xs、XDG、XTDG和XTSG的電抗分別為2.4Ω、5 Ω、0.85Ω和10Ω。

當SG觸發(fā)角從5°變化至30°時，根據式（4）和式（6）繪制ΔVmax-ΔI變化曲線，如圖5所示。比較曲線①、②、③可知，公共電網容量越大，可行區(qū)變得越寬；比較曲線③、④可知，在公共電網容量為50MVA時，增大SG變壓器的容量至500 KVA，可行區(qū)變大，電流偏差越大越有利于孤島的檢測，可行區(qū)也變大。由此可見，在保證電能質量達到要求（即可行區(qū)內）的情況下，該方法可以可靠地檢測孤島。

圖5 電壓偏差和電流偏差Fig.5 Voltage deviation and current deviation

4 M atlab/Simulink仿真及結果分析

為進一步驗證檢測信號對系統(tǒng)電能質量的影響及變化，選用Matlab/Simulink分別對系統(tǒng)孤島、并網運行狀態(tài)進行建模，參數選擇為：公共電網故障容量為100MVA，電壓等級為10 kV，電網頻率為50Hz；DG容量為3MVA；檢測信號的提取裝置SG置于ab相之間，晶閘管觸發(fā)角為10°，負載容量為2MVA，功率因數η=0.9。通過監(jiān)測孤島、并網兩種運行狀態(tài)下的線電壓Vab及短路脈沖電流，其仿真輸出波形如圖6所示。

圖6 相間電壓和晶閘管電流Fig.6 Phase-to-phase voltage and thyristor current

由圖6可知，雖然并網和孤島運行時的電壓波形變化不大，但孤島運行時晶閘管短路脈沖電流遠比并網運行時小，這樣就可以有效檢測出孤島狀態(tài)。利用powergui工具對系統(tǒng)某些節(jié)點電壓諧波畸變THD（totalharmonic distortion）進行檢測分析。圖7為多源微網系統(tǒng)中孤島運行狀態(tài)下，DG出口處ab相間電壓諧波畸變含量。

為了進一步分析該方法對整個系統(tǒng)電能質量的影響，分別選擇對DG出口處和負荷處進行諧波檢測，檢測到的電壓諧波畸變數據如表2所示。

從表中數據分析可知，SG置于ab相之間時，孤島電壓諧波畸變總體高于并網時的畸變率，ab線電壓畸變率總體高于ac線電壓畸變率，對于非故障c相得諧波畸變幾乎為零，可見該方法對電能質量的影響相對較低，滿足《電能質量公共電網諧波》中供電線路電壓諧波畸變率限值的規(guī)定的。

圖7 DG出口處ab相電壓諧波畸變率Fig.7 THD of DG term inalofab phase-to-phasevoltage

表2 不同節(jié)點電壓總諧波畸變率Tab.2 THD of differentnodesvoltage

5 結語

本文采用基于阻抗測量的孤島檢測方法，根據發(fā)生孤島現象前后DG出口處的阻抗有顯著的變化從而利用短路脈沖電流的變化來判別孤島狀態(tài)；采用Matlab/Simulink搭建了仿真模型，分別通過對孤島、并網運行狀態(tài)下ab相間短路電流、線電壓及系統(tǒng)模型不同節(jié)點的電壓諧波畸變進行了仿真研究，結果表明：基于阻抗測量法的孤島檢測方法不僅能夠有效地檢測孤島狀態(tài)，而且系統(tǒng)模型中諧波畸變量最大為0.78%，滿足《電能質量公共電網諧波》的要求，同時很好地解決了檢測信道間的干擾問題。該方法算法簡單，易于實現，在多源微網并網發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測工程中應用前景廣闊。

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Simulation for ImpedanceM easurementof Islanding Detection in Photovoltaic M icro-grid System

XIAO Long1，YANGGuo-hua1，ZHOUXin1，YAOQi2，ZHUXiang-fen1，ZHITeng-fei1，WANG Jin-mei1
（1.DepartmentofElectricalEngineeringand Automation，Ningxia University，Yinchuan 750021，China；2.Ningxia Electric Power Company，Yinchuan 750001）

Aiming at the disadvantages ofmutual interference between different detection channels ofactive detection and the influence on power quality due to the disturbance variable，a novelmethod based on impedancemeasurement is proposed for islanding detection.The detecting principle of the impedancemeasurementand the criterion for islanding detectionwere illustrated，and the impactsand inhibition of different trigger localand trigger angle ofsignalgeneratoronmultiple distributed powerswere analyzed，and the dynamicmechanism ofshort impulse current for voltage deviation of distributed generation terminalwas studied.Matlab/Simulink was utilized to set up different detection systems，and the simulation was processed afterward.The numerical illustration indicates that the proposedmethod is remarkably reliable on detecting islanding conditions，moreover，itcan solve the interference problem in themulti-channeldetection，and reduce the impacton powerquality.

islanding detection；impedancemeasurement；multi-sourcemicro-grid；distributed resource；short current

TM615

A

1003-8930（2013）05-0040-05

肖龍（1987—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)保護與控制。Email：xl12006243705@163.com

2012-07-23；

2012-09-11

國家自然科學基金項目（71263043）；國家自然科學基金項目（51167015）；寧夏回族自治區(qū)高等教育“質量工程”改革項目（2011JG-22）；寧夏自治區(qū)自然基金項目（NZ12140）

楊國華（1972—），男，通信作者，碩士，教授，碩士生導師，研究方向為新能源發(fā)電技術與微網系統(tǒng)。Email：ghyangchina@126.com

周鑫（1988—），男，碩士研究生，研究方向為新能源發(fā)電與微網技術。Email：zhou_xin1988love@163.com