一種結(jié)合相位突變和頻率擾動(dòng)的孤島檢測(cè)方法

黨 克 楊富磊 侯少帥 嚴(yán)干貴

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

隨著分布式發(fā)電(Distribute Generation,DG)系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，可能出現(xiàn)的孤島效應(yīng)問題越來越受到人們的關(guān)注[1]。孤島效應(yīng)是指當(dāng)主電網(wǎng)由于電氣故障或其他人為因素中斷供電時(shí)，各并網(wǎng)系統(tǒng)沒有檢測(cè)到停電狀態(tài)而將自身切離繼續(xù)供電，形成不可控的自給供電現(xiàn)象[2]。一旦孤島效應(yīng)發(fā)生，將威脅相關(guān)人員的安全，同時(shí)影響系統(tǒng)中保護(hù)開關(guān)的動(dòng)作，使電網(wǎng)的保護(hù)裝置受到?jīng)_擊，影響電能質(zhì)量[3]。因此，DG并網(wǎng)系統(tǒng)需要具備孤島檢測(cè)功能。

近年來，出現(xiàn)了多種孤島檢測(cè)方法，可分為遠(yuǎn)程檢測(cè)法和本地檢測(cè)法[4,5]，遠(yuǎn)程檢測(cè)法是在電網(wǎng)側(cè)對(duì)孤島進(jìn)行檢測(cè)；本地檢測(cè)法是并網(wǎng)逆變器側(cè)的檢測(cè)，包括被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)檢測(cè)。遠(yuǎn)程檢測(cè)能夠有效地檢測(cè)孤島的發(fā)生，但最大的缺陷是需要增加設(shè)備，經(jīng)濟(jì)投入較大。被動(dòng)檢測(cè)原理簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)性好，且對(duì)電能質(zhì)量影響小，但存在較大的檢測(cè)盲區(qū)。主動(dòng)檢測(cè)利用注入電網(wǎng)的擾動(dòng)所引起的電壓或頻率的變化對(duì)孤島進(jìn)行檢測(cè)，擾動(dòng)的引入減小了盲區(qū)，但同時(shí)不同程度地影響了電能質(zhì)量。李國(guó)洪和羅秦提出了基于電力線載波通信的嵌入式電力數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)，具有準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和可靠性，但設(shè)備投入成本較大[6]。楊海柱和金新民提出了一種基于頻率的擾動(dòng)法，易于實(shí)現(xiàn)、檢測(cè)盲區(qū)小，但對(duì)電能質(zhì)量影響較大[7]。宋澤琳等提出了一種基于FPGA的電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)算法，在一定程度上遏制了諧波，但其算法復(fù)雜、不易實(shí)現(xiàn)[8]。筆者基于對(duì)相位突變和頻率擾動(dòng)的分析[9]，將相位突變法與改進(jìn)型頻率擾動(dòng)法相結(jié)合：當(dāng)負(fù)載與逆變器輸出功率不匹配時(shí)，采用相位突變法；當(dāng)孤島功率自平衡時(shí)，采用頻率擾動(dòng)法，以消除檢測(cè)盲區(qū)，并提高其可靠性。

1 孤島檢測(cè)分析①

孤島檢測(cè)電路如圖1所示，負(fù)載采用RLC并聯(lián)方式，P、Q分別為分布式電源輸出的有功和無功功率；PL、QL分別為負(fù)載的有功和無功功率；ΔP、ΔQ分別為負(fù)載從電網(wǎng)獲得的有功和無功功率。

圖1 孤島檢測(cè)電路

逆變器并網(wǎng)工作時(shí):

(1)

(2)

逆變器斷網(wǎng)工作時(shí):

(3)

(4)

聯(lián)立式(1)、(3)可得：

U′2-U2=RΔP

(5)

聯(lián)立式(2)、(4)可得：

(w-w′)(1+ww′LC)=ww′LΔQ/U2

(6)

若ΔP=0，則輸出電壓的幅值不變；若ΔQ=0，則輸出電壓的頻率不變。因此，當(dāng)分布式電源輸出功率與負(fù)載功率相差很大時(shí)，孤島容易被檢測(cè)；當(dāng)兩者功率接近時(shí)，孤島檢測(cè)存在盲區(qū)。

2 結(jié)合相位突變和頻率擾動(dòng)的孤島檢測(cè)方法

2.1 相位突變檢測(cè)法

相位突變檢測(cè)是通過檢測(cè)DG逆變器輸出端電壓與電流的相位差來判斷孤島的[10]。DG并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，其輸出電流與電壓同頻同相；電網(wǎng)斷開后，逆變器輸出端電壓相位將發(fā)生跳變。相位跳變的大小取決于負(fù)載的阻抗角，由于負(fù)載采用RLC并聯(lián)電路等效，因此相位差可表示為：

(7)

由式(3)、(4)可得，負(fù)載等效電抗XLC為：

(8)

因此有：

(9)

若DG工作于單位功率因數(shù)，其輸出無功功率為0，則式(9)可表示為：

(10)

即當(dāng)分布式發(fā)電孤島運(yùn)行時(shí)，相位角的變化和逆變器輸出功率有關(guān)。當(dāng)相位變化超出一定范圍時(shí)就能檢測(cè)出孤島。優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是當(dāng)孤島內(nèi)部功率平衡時(shí)，相位差無變化，無法檢測(cè)。

2.2 改進(jìn)型頻率擾動(dòng)檢測(cè)法

頻率擾動(dòng)檢測(cè)是通過向并網(wǎng)電流Iinv注入微小擾動(dòng)，使電網(wǎng)斷開時(shí)并網(wǎng)電壓Up的頻率偏移，從而利用過/欠頻保護(hù)(Over-Frequency/Under-Frequency Protection,OUF)來檢測(cè)孤島[11]。通過給并網(wǎng)電流加入一個(gè)死區(qū)時(shí)間Tz來改變波形(圖2)。

圖2 頻率擾動(dòng)方案并網(wǎng)電流波形

斬波因數(shù)cf定義為：

(11)

式中Tgrid——電網(wǎng)電壓周期；

Tz——死區(qū)時(shí)間。

穩(wěn)態(tài)下逆變器輸出電流和相位的參考值為：

(12)

(13)

并網(wǎng)時(shí)，逆變器電流和PCC處電壓同頻同向，孤島產(chǎn)生后，PCC處電壓頻率將會(huì)發(fā)生波動(dòng)直到產(chǎn)生新的平衡，穩(wěn)態(tài)頻率使負(fù)載相角滿足：

(14)

式(14)為相角判據(jù)，一旦滿足，系統(tǒng)就不再調(diào)整Iinv的頻率，若在調(diào)整過程中，頻率超過設(shè)定的閥值，即可檢測(cè)出孤島[8]。

在傳統(tǒng)頻率擾動(dòng)法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，即在每個(gè)周期的第二和第四個(gè)四分之一周期對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行擾動(dòng)，使其不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。具體的擾動(dòng)方式是在原電流值的基礎(chǔ)上增加或減少一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)，即：

(15)

式中K——擾動(dòng)系數(shù)；

I——幅值；

w——角頻率。

對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，得到一次系數(shù)a1、b1分別為：

(16)

則基波幅值I1和相位φ1為：

(17)

(18)

所以加入擾動(dòng)信號(hào)引起的并網(wǎng)逆變器輸出無功功率和有功功率比值與擾動(dòng)系數(shù)相關(guān)，K越大主網(wǎng)斷開后擾動(dòng)系數(shù)引起的系統(tǒng)頻率偏移也越大，孤島檢測(cè)更加容易。

結(jié)合相位突變測(cè)和改進(jìn)型頻率擾動(dòng)的孤島檢測(cè)流程如圖3所示。

圖3 結(jié)合法孤島檢測(cè)流程

3 仿真分析

根據(jù)上述孤島檢測(cè)原理，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建模型(圖4)進(jìn)行分析，具體仿真參數(shù)為：分布式電源用直流源代替，輸出功率3kW；電網(wǎng)電壓有效值220V，頻率50Hz；負(fù)載R=16.13Ω，L=20.55mH，C=493.12μF。

圖4 孤島檢測(cè)仿真模型

仿真總時(shí)長(zhǎng)為2s，1s時(shí)斷開主網(wǎng)。由圖5a、b可知，單獨(dú)使用相位突變法，當(dāng)負(fù)載與逆變器輸出功率不匹配時(shí)，易檢測(cè)到孤島；當(dāng)功率匹配時(shí)，PCC處的電壓和電流變化不大，孤島檢測(cè)失敗。由圖5c、d可知，采用相位突變與頻率擾動(dòng)相結(jié)合的檢測(cè)方法時(shí)，無論功率是否匹配都能檢測(cè)到孤島，在1.0s時(shí)主網(wǎng)斷開后，1.1s時(shí)并網(wǎng)電流開始為零，檢測(cè)到孤島，檢測(cè)時(shí)間為5個(gè)工頻周期。

圖5 仿真波形

4 結(jié)束語

筆者提出了結(jié)合相位突變和改進(jìn)型頻率擾動(dòng)的孤島檢測(cè)方法，當(dāng)分布式電源和負(fù)載功率不匹配時(shí)，相位突變檢測(cè)方法能很快檢測(cè)出孤島；當(dāng)功率匹配時(shí)，通過施加頻率擾動(dòng)，使公共點(diǎn)電壓產(chǎn)生波動(dòng)并超出頻率正常值從而檢測(cè)出孤島。該方法消除了傳統(tǒng)孤島檢測(cè)方法的檢測(cè)盲區(qū)，仿真結(jié)果也驗(yàn)證了此方法的有效性，對(duì)分布式發(fā)電并網(wǎng)具有重要的指導(dǎo)意義。

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