微电网新型孤岛检测技术的研究

第 40 卷 第 12 期 电力系统保护与控制 Vol.40 No.12 2012 年 6月 16 日 Power System Protection and Control Jun. 16, 2012 微电网新型孤岛检测技术的研究 刘 洋，王明渝，高文祥，王立建 （ 重庆大学电气工程学院， 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 ，重庆 400044 ） 摘要： 当电网发生故障时，微电网系统可以用主动频率偏移法检测孤岛现象。但若电流扰动角与负载角相等时，此时主动频 率偏移法将无法判别孤岛效应。针对上述问题，研究了一种新颖的正半周期电流扰动法，在正半周期给电流频率一个扰动， 在负半周期电流频率与电压频率保持同步。一旦孤岛现象出现，输出电流频率的变化将导致公共连接点处电压频率的变化， 根据相邻半周期频率之差是否连续正负交替变化来检测孤岛现象。通过仿真验证，该方法减小了主动频率偏移法存在的非检 测区，检测快速、有效，对电网电能质量的影响也较小。 关键词： 微电网；孤岛检测；非破坏性孤岛检测；主动频率偏移检测 Research on a novel islanding detection for micro-grid connected inverters LIU Yang, WANG Ming-yu, GAO Wen-xiang, WANG Li-jian (State Key Laboratory of Power Transmission Equipment islanding detection; non-devastating islanding detection; active frequency drift detection 中图分类号： TM71 文献标识码： A 文章编号： 1674-3415(2012)12-0146-05 0 引言 近年来，随着新能源的开发和利用以及公共环 境政策和电力市场扩大等因素的共同作用，分布式 发电得到了长足的发展 [1] 。微电网就是在分布式发 电的基础上， 提高了供电可靠性、 改善了电能质量， 形成的一种新型的供电方式 [2] 。所谓微电网，是指 由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负 荷和监控、保护装置组合而成的小型发配电系统， 是一个能够实现自我控制、 保护和管理的自治系统， 它既可以与外部电网并网运行，也可以在电网出现 故障时孤立运行。 基金项目 ： 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 资助项目(2007DA10512711205) 微电网切换控制方式的关键性技术问题之一， 就是孤岛检测问题。孤岛现象，是指当电网由于电 气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，分 布式发电系统未能及时检测出停电状态而脱离电 网，仍然向周围的负载供电 ，从而形成一个电力公 司无法控制的自给供电孤岛 [3] 。处于孤岛运行状态 的分布式发电系统，会产生诸如损坏用户设备、分 布式发电系统被烧毁、对检修人员造成危险、降低 电网安全性等严重后果。 因此，研究孤岛检测方法， 消除孤岛现象产生的危害，对当今微电网系统的研 究具有十分重要的现实意义。 传统的孤岛检测方法分为两类：被动检测方法 和主动检测方法 [4] 。被动检测方法虽然实现简单， 但是存在较大的非检测区，不能有效地实现微电网 刘 洋，等 微电网新型孤岛检测技术的研究 - 147 - 的灵活控制。传统的主动检测方法虽然可以减小非 检测区，但是由于对电网注入扰动，对电网产生的 不良影响较大，并将导致此时系统电压的幅值和频 率很可能处于故障运行状态，在微电网系统由并网 运行模式向孤岛运行模式切换的过程中，可能出现 由于参考电压（正常）和实际电压（故障）差别大 而出现较大的暂态过程（如过压或过流现象） [5] 。为 了避免此类现象的发生， 需要采用的微电网孤岛检测 方法在不破坏电压幅值、频率的前提下（即电压处于 正常运行范围： 0.88 pu ＜ U pcc ＜ 1.1 pu， 49.5 Hz ＜ f ＜ 50.5 Hz），仍能检测到孤岛的出现。 针对传统的主动频率检测法存在一定的非检 测区，文献 [6]的正负半周期扰动方法存在影响电网 电能质量、 文献 [7]的 2N电压周期电流扰动方法存在 检测时间过长的问题，本文在分析比较上述的两种 方法的基础上，研究了一种新型的孤岛检测方法， 即正半周期电流扰动法，以提高孤岛检测的稳定性 和快速性。该方法不再单纯地依靠检测公共连接点 电压频率是否超出规定的参考范围为检测准则，而 是根据在公共连接点相邻半周期的频率差是否正负 交替变化来判断孤岛现象发生。仿真结果验证了该 方法的有效性。 1 主动频率偏移检测原理 主动频率偏移检测方法是通过锁相环（ PLL） 确定公共连接点 PCC 点处电压的频率和相位，调整 微电网并网逆变器输出电流的给定频率，使电流频 率比公共连接点 PCC 点处的电压频率略高或略低。 若电流半波已完成而电压过零点未到，则强制电流 给定为零，直到电压过零点触发到来，电流才开始 下一个半波，如图 1 所示。 图 1 电流给定信号及其基波分量 Fig. 1 Given current signal and its fundamental component 电网失压后，若不关闭并网逆变器，公共连接 点 PPC 点处电压的频率会发生波动， 直到产生新的 平衡。稳态频率应使负载相角满足 pcc z pcc f pcc 1 arctan 22 t RC c L ω ω ω ⎡⎤⎛⎞ π −=−=−⎢⎥⎜⎟ ⎝⎠⎣⎦ （ 1） 式中： t z 为电流过零超前（或滞后）电压过零点的 时间间隔； c f 为主动频率偏移法的截断系数，且 z f 2 t c T = ； T 为电压周期。 式（ 1）为相角判据，一旦满足，控制系统将不 再调整 I in 的频率，系统达到稳态。 若在调整过程中， 频率超过设定的过频 /欠频检测的阈值， 则孤岛现象 将被检测出来。 这样在电网正常运行时， 公共连接点 PCC 点处 电压受电网箝位而保持不变，一旦电网发生故障， 公共连接点 PCC 点电压将由本地负载相位特性曲 线决定，公共连接点 PCC 点处的电压的频率会受电 流频率的影响而逐渐偏离原值，最终超过正常范围 而被过频 /欠频检测到，从而判断出孤岛现象 [8-9] 。 但当分布式发电系统提供的功率和本地负载所 需功率匹配，且负载角和扰动角相等时，即使发生 孤岛现象， 公共耦合点电压也一直处于非检测区内， 从而导致主动频率偏移法无法识别的孤岛效应问 题。为此，文献 [6]提出在电流的正负半周分别注入 正负扰动的方法，但该方法存在直流分量，容易引 起电网变压器的偏磁问题，而且由于整个电压周期 都对电网注入了电流扰动，对电网的电能质量影响 较大。文献 [7]提出 2N 电压周期电流扰动方法，虽 然能减小文献 [6]对电网产生的不利影响，但是也存 在电压频率变化速率较慢 [10] ，检测速度较慢等问 题。 2 正半周期电流扰动法检测原理 为了解决主动频率偏移法的非检测区问题，消 除文献 [6-7]的缺点，本文对文献 [6-7]的方法进行了 深入的分析，做出了适当改进，采用的正半周期电 流扰动法如图 2 所示，该检测方法将文献 [6]的正负 半周的扰动修改为只在正半周期进行扰动，可以减 小对电网电能质量的影响；将文献 [7]的偶次周期扰 动改进为每个周期内都进行扰动，可以有效提高检 测的速度。 在每个电流周期的正半周期， 采用与 AFD 法相 同的电流扰动；在每个电流周期的负半周期，逆变 器输出电流与公共连接点电压同频同相，即不注入 任何扰动，有利于进一步降低电流的谐波含量，提 高电网的电能质量。 - 148 - 电力系统保护与控制 图 2 正半周期电流扰动法 Fig. 2 The positive half-cycle current perturbation method 在分布式发电系统输出功率和本地负载所需功 率匹配的情况下，相邻的两个半周期的电压频率变 化可以表示为 1nnn f ff − Δ= − (2) 式中： f n 为当前过零点检测到的半周期频率； f n-1 为 前一过零点检测到的半周期频率。若此时微电网处 于并网模式，则连续两个半周期的电压频率变化约 为 0；若此时孤岛现象出现，公共连接点电压频率 在正半周期会减小（若负载的谐振频率小于电网频 率）或增大（若负载的谐振频率大于电网频率） ，在 负半周期保持原有频率不变，则连续两个半周期的 电压频率变化呈现正负交替改变，这样便能有效缩 短孤岛检测时间。若连续 5 次检测到 Δf n •Δf n-1 ＜ 0， 则可以认为此时发生了孤岛现象。 图 3 为该孤岛检测方法的程序流程图。程序先采 用被动检测方法中最常用的过/欠压、过/欠频检测方 法，判断电压的幅值、频率是否超过参考范围，若不 超过则采用本文的孤岛检测方法进行孤岛检测。 计算电压 过压或欠压 孤岛保护 结束 开始 是 否 计算频率 过频或欠频 是 Nref =Nref+1 Nref= 0 是 否 Nref 5 否 是 否 否 1 0 nn ff − Δ ⋅Δ f nom +0.5 2 s 2 s 2 cycles 6 cycles 6 cycles 注： U nom 指电网电压幅值的标准值， 对于中国的单相市电， 为交流 220 V （有效值）， f nom 指电网电压频率的标准值，对于中国市电，为 50 Hz。 表 1 给出了 IEEE Std 929-2000 对微电网并网发 电系统孤岛保护的时间标准。从图 6、图 7 的仿真 - 150 - 电力系统保护与控制 结果可以看出，本文研究的孤岛检测方法从孤岛发 生到孤岛检测并保护用了 0.08 s， 远远低于 IEEE Std 929-2000 标准所规定的时间，说明该保护方法具有 很好的快速性。此外，并网工作的电流 THD 仅为 1.61%，说明该检测方法对电能质量的影响较小。 4 结论 本文针对主动频率检测法存在的非检测区，研 究了一种新颖的正半周期电流扰动法，该方法通过 检测相邻半周期电压频率之差是否为连续正负交替 变化来判断孤岛现象的发生，检测快速、有效，对 电能质量影响较小。同时，该方法能有效保证电压 的频率在正常工作范围内，为微电网由并网工作模 式切换到孤岛运行模式的平滑切换奠定了基础。 参考文献 [1] 甘忠，李正天 . 一种新的分布式发电孤岛检测方法 [J]. 电力系统保护与控制， 2011， 39(1)： 123-127. 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