分布式发电系统中的新型主动式孤岛检测方法

冉成科^{1, 2}，夏向阳¹，刘乐³，李拥平⁴，龚芳⁴，唐卫波¹

(1. 长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙，410077；

2. 湖南机电职业技术学院，湖南 长沙，410151；

3. 河南省电力公司 漯河供电公司，河南 漯河，462000；

4. 株洲变流技术国家工程研究中心有限公司，湖南 株洲，412001)

摘要：针对孤岛效应时被动式检测法存在较大检测盲区，而主动式检测方法具有检测盲区小、可靠性高等特点，介绍2种主动式孤岛检测方法即主动电流扰动法和主动频率偏移法，通过理论分析和仿真对比这2种方法各自的特性。在针对常规主动频率偏移法存在的不足，提出一种新型主动频率偏移法。研究结果表明：所提出的方法实现简单，能快速有效地检测出孤岛的发生，同时兼顾了孤岛检测的效果和电能质量，具有较大的工程应用价值。

关键词：孤岛效应；检测盲区；新型主动频率偏移法

中图分类号：TM92          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)12-4887-07

Novel active frequency drifting islanding detection method

RAN Chengke^{1, 2}, XIA Xiangyang¹, LIU Le³, LI Yongpin⁴, GONG Fen⁴, TANG Weibo¹

(1. College of Electrical Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410077, China;

2. Hunan Mechanical & Electrical Polytechnic, Changsha 410151, China;

3. Luohe Power Supply Company, State Grid Henan Electron Power Company, Luohe 462000, China;

4. CSR Zhuzhou Electric Locomostive Research Institute Co, Ltd, Zhuzhou 421001, China)

Abstract: The passive islanding detection method has obvious blind detection zone, while the active detection methods has, high reliability of detection. The existing islanding detection methods were analyzed, and a kind of improved active frequency drift method was proposed based on the conventional active frequency drift method. The results prove that the detection method can effectively detect the islanding and has good engineering application.

Key words: islanding detection; blind area detection; active frequency drift method

随着经济和社会的发展,能源消耗越来越大，环境污染和电力需求的迅速增长使得人们越来越重视可再生能源的发展。分布式发电(distributed generation，DG)技术以其独有的环保性和经济性引起人们越来越多的关注^[1]。随着分布式电源并网的增多，逆变器孤岛发生的可能性和对系统用户的影响越来越大，如；孤岛中的电压和频率无法控制，可能会使用电设备造成损坏；孤岛中的线路仍然带电，会对维修人员造成人身危险等。因此，对于每一个并网发电系统必须具备反孤岛检测的功能^[2]。孤岛检测方法一般分为被动式检测法和主动式检测法两类^[3-4]。与被动式检测方法相比，主动式检测方法具有检测盲区小、可靠性高等特点，因而，在工程实践中得到广泛应用^[5-7]。Ropp等^[8-9]提出了主动频率偏移法，其特点是易于实现、花费少、实用性强，因而得到人们的广泛关注。黄守道等^[10-11]提出了基于电流扰动的主动式检测方法并得到了应用。本文作者通过介绍主动电流扰动法和主动频率偏移法，并对其特性进行仿真和理论分析，发现主动电流法虽然不存在检测盲区，但其对并网系统的输出效率产生影响，而且不适合多机同时使用的场合。而主动频率偏移法虽然在一定程度上解决了盲区问题，但给电网电能质量带来较大的影响。本文作者针对上述情况，提出一种改进的主动频率偏移法。

1  孤岛效应

孤岛效应检测原理如图1所示。以电阻R、电感L和电容C并联作为该系统的负载。其中O为并网逆变器与电网的公共连接点，其端电压为U_O。

图1  孤岛效应检测原理图

Fig. 1  Schematic diagram of islanding detection

当断路器S1和S2闭合时，系统处于并网发电状态，此时，并网系统向通过公共连接点O点流入负载的视在功率S=P+jQ，P为有功功率，Q为无功功率；负载得到的功率为P_L+jQ_L；电网提供的视在功率为△P+△jQ，于是，由功率平衡得：

              (1)

系统在并网发电运行时，通常工作于单位功率因数，故Q=0，而ΔQ=Q_L。故图1中是RLC负载的有功和无功功率的计算式为

          (2)

当电网未断开时，电压的频率及幅值始终受电网控制，基本保持不变。当电网断开即孤岛效应发生时，若△P或△Q很大，则表明系统输出功率与负载功率不匹配，逆变器输出电压或频率会发生很大的变化；当电压或频率变化超出正常范围时，保护电路可检测到孤岛的发生。但当△P或△Q较小时，保护电路会因电压和频率未超出正常范围而检测不到孤岛的发生^[12]。

2  主动电流扰动法

主动电流扰动法是针对电流型并网系统而提出的一种简单易行的主动型孤岛效应检测方法。该方法通过对逆变器输出电流幅值周期性扰动，在电网断电时影响公共节点的电压，使其超出过电压/欠电压保护阈值，从而检测出孤岛^[13]。

并网逆变器孤岛运行时供电系统看作是一个电流源，系统的负载用RLC并联电路来代替，如图1所示。若负载是采用最不利情况下的RLC并联电路来代替，则系统孤岛运行时电阻R的端电压和LC并联的端电压相同，因此，RLC并联的等效负载导纳为

           (3)

而LC并联的阻抗是频率的函数，即

             (4)

由得出LC并联的阻抗也是分布式发电系统输出有功、无功功率的函数，即

               (5)

由式(4)和(5)可以得出系统孤岛运行时系统频率的特性方程为

        (6)

式中：为孤岛时的负载角频率。将并联电路的品质因数代入式(6)，系统频率的特性方程可表示为

         (7)

计算可得系统孤岛运行时的系统频率为

            (8)

而根据电网断开前后瞬间的有功功率关系，可得出系统孤岛运行时的系统电压为

                (9)

式中：。在DG并网系统中，在正常情况下，O点的电压总是被钳位在电网电压，若逆变器输出功率与负载消耗功率相匹配，则在不添加扰动情况下电网断电时，O点的电压不发生变化，会导致孤岛发生。一旦电网发生故障断电，则O点的电压则由输出电流和本地负载决定。

2.1  主动电流扰动法仿真分析

通过对主动电流扰动法原理的分析，采用Matlab/Simulink对其进行仿真研究。仿真参数如下：电网相电压为220 V/50 Hz；滤波电感为1 mH，500 V直流电源等效分布式电源，根据IEEE Std.929—2000规定的最差情况，选择并联RLC负载，其中电阻 R=48 Ω，电感L=61.1 mH，电容C=165.87 μF，仿真时间为1 s。

电网正常时，O点的电压总是被钳位在电网电压，O点电压不发生变化，逆变器正常工作，仿真波形如图2所示；当电网在0.6 s处断开时的仿真波形如图3所示。从图3可以看出：在0.76 s处公共节点电压降低一半，从而检测到孤岛发生。该方法在0.16 s内检测到孤岛现象，小于IEEE Std.2000—929^[14]所规定的保护时间。

2.2  主动电流扰动法的优缺点

主动电流扰动法的主要优点是控制简单，实现方便，对电网无谐波污染，在单机应用的情况下无检测盲区，但其对并网系统的输出效率有较大的影响。在连接有多台并网逆变器的系统中，即使所有并网逆变器都采用该方案，也会产生稀释效应，最终使公共点的电压变化很小，不足以被检测到，从而导致检测失败。

图2  电网正常时的仿真波形

Fig. 2  Simulation waveforms in normal running of power networks

图3  电网故障时的仿真波形

Fig. 3  Simulation waveforms in fault location of power networks

3  主动频率偏移法

主动频率偏移法(active frequency drift, AFD)^[15]是通过控制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电压的频率略高或略低。若电流半波已完成而电压过零点未到，则强制电流给定为0 A，直到电压过零点触发到来，电流才开始下一个半波，如图4所示。当电网电压U_net供电正常时，公共点频率将受电流给定频率的影响发生偏移，最终达到频率保护设定值而封锁逆变器，从而实现孤岛保护。

图4  主动频率偏移法

Fig. 4  Active frequency drift

在主动频率偏移法中，斩波因子c_f 定义为偏移时间t_z与之比，即

              (10)

在前半周期的正弦段，并网逆变器输出电流i的频率略高于电网电压的频率。当 i 到达下降过零点并且在开始下半周期之前，电流为0 A的持续时间为t_z。在后半周期的开始部分，i 是负的前半周期电流的正弦段，当电流到达过零点时，将保持为0 A直到电网电压也到达过零点为止。注意后半周期的电流为零段不固定，也不需要等于t_z。

在实际应用中，主动式频移方案可以通过插入固定的死区t_z来实现，也可通过强迫电流频率总比前1个周期的电压频率快δf (也称为恒频率偏移)来实现。同时，t_z和δf的选取要满足电流总谐波失真率(THD)＜5%的要求。不同截断系数下对应的电流总畸变率如表1所示^[16]。

表1  AFD算法及其对应的THD

Table 1  THD under different c_f for AFD method

由表1可知：THD受AFD的截断系数c_f 的影响，截断系数越大，则AFD算法引入的总畸变率也就越大。

主动移频法容易实现多台逆变器并网运行^[17]，检测盲区小，但其检测性能受算法参数的影响很大，若参数设置较小，虽然对电网的扰动小，但孤岛状况有被漏检的可能；若参数设置较大，则孤岛检出的可能性大，又会恶化电能质量，甚至可能引起电压闪变和系统不稳定。

4  新型主动频率偏移法及仿真

4.1  新型主动频率偏移法

随着分布式电源技术及智能电网的发展，孤岛检测技术也是其研究热点之一。目前，无论是被动式检测方法还是主动式检测方法都存在自身优点和特点，当然也有缺点，为此，提出一种快速而有效的新方法变得尤为重要。

主动频率偏移法如图4所示。电网失压后，如果不关闭逆变器，公共点电压的频率会发生波动，直到新的平衡产生为止。稳态频率应使负载相角满足如下关系：

   (11)

式(11)为相角判据，一旦满足，控制电路将不再调整并网电流的频率，系统达到稳定状态。若在调整中频率超过正常范围，则孤岛被检测出。因此，必须合理选择c_f ，其过大则对电能质量的影响较大，过小则可能影响孤岛检测的效果。此外，负载的阻抗特性也可能阻止频率的偏移，从而降低孤岛检测的可靠性。当负载呈阻容性时，会导致电网跳闸时逆变器输出端的频率向下偏移。因此，在孤岛发生后的第k个周期，若负载阻抗角的滞后作用与频率差的超前作用相抵消，则可能引起孤岛检测的失败；当负载呈阻感性时，也会存在与上述类似的问题。

常规的主动频率偏移法(AFD)是在1个电流周期内对其进行2次扰动，即加入2个死区，死区时间为2t_z，改进的AFD如图5所示。该法在1个周期内对电流施加1个扰动，即在1个周期快结束时加入1个死区t_z。与常规方法相比，该法简化了系统控制，便于工程实现，同时，并网电流的电能质量得到改善。

图5  改进的主动频率偏移法

Fig. 5  Improved active frequency drift

由图5可知电压方程为

，0≤t≤T_u       (12)

电流方程为

  (13)

其中：U_m为电网电压峰值；T_u为电网电压周期；I_m为并网电流峰值。

则斩波因子为

                (14)

为有效地检测出孤岛的发生，t_z的选择必须足够大，这使得并网电流的谐波含量增大。为了进一步减小孤岛检测盲区(NDZ)，加快检测速度，从而引入频率正反馈作用^[18]，即

         (15)

式中：c_f0 为固定值；f_g为电网额定频率；△f 为公共点频率对电网额定频率的偏差；k 为反馈系数。当f-f_g≥0时，sign(f-f_g)=1；当f-f_g＜0时，sign(f-f_g)=-1。该方法使容性负载具有与感性负载同样的快速检测性。

改进后的方案强化了频率偏差，同时孤岛检测算法产生的截断系数被大大降低，减小了并网运行时孤岛检测算法带来的电流波形畸变。当电网连接时，检测到微小的频率变化，并试图加快频率的变化，但是，电网的稳定性禁止了频率的改变。在电网跳开后，若频率向上偏移，则频率偏差将随U_O频率的增加而增加，斩波因子也增加，于是，并网逆变器增加了输出电流的频率，这种状况持续直到频率增大到触发过/欠频保护。对于频率向下偏移的情况，U_O频率下降的情况与此类似，最终斩波因子变为负，i 的周期变得比U_O的长，与常规AFD相比，由于正反馈的作用，改进的方案将导致逆变器输出在电网跳闸后会出现更大的频率偏差，这使得弧岛检测盲区(NDZ)进一步减小，且它兼顾考虑了检测的有效性、输出电能质量以及对整个系统暂态响应的影响。

系统程序流程图如图6所示。将O点电压检测作为一个独立的保护形式，检测O点电压是否超出门槛值，若不超过则返回；若电压超出正常范围，则检测到孤岛的发生。同时检测并网电流及电网电压的频率，并根据频率差判断出初始扰动的方向，从而避免了由于负载性质导致的逆变器输出频率与扰动方向相反的情况，然后，对其施加正反馈。当电网异常时，则能快速地检测出孤岛的发生，从而触发保护电路，停止逆变器的工作。

4.2  仿真

针对上述分析，采用Matlab/Simulink进行仿真试验。本地负载由RLC并联模拟，其中电阻R=48Ω，电感L=61.1 mH，电容C=165.87 μF，电网电压为220 V/50 Hz。仿真时间设为0.5 s。仿真结果如图7~10所示。

由图7可知：系统在0.2 s与电网断开后，由于电网电压不稳定，导致输出电压频率越来越大，经过0.13 s达到50.5 Hz，此时，系统的保护电路将检测出系统的频率异常，将系统与电网断开，实现孤岛保护。

而图9表明：经过0.1 s能检测到孤岛发生。应用Simulink/Power gui模块对并网电流进行谐波分析，发现采用常规AFD实现的并网电流总谐波失真THD为3.24%(见图8)，而改进后的并网电流THD为1.40%(＜5.0%，见图10)，由此可知改进后的算法使得并网系统的输出电流波形质量得到明显改善。同时，孤岛检测时间缩短了1个半周期，从而证明了改进方案的可行性与优越性。

图6  孤岛检测流程图

Fig. 6  Flow chart of islanding detection

图7  采用AFD的孤岛检测仿真波形

Fig. 7  Simulation waveforms of islanding detection using AFD

图8  采用AFD的并网电流谐波频谱分析

Fig. 8  Grid-connected current harmonic frequency spectrum analysis using AFD

图9  采用改进AFD的孤岛检测仿真波形

Fig. 9  Simulation waveforms of islanding detection using improved AFD

图10  采用改进AFD的并网电流谐波频谱分析

Fig. 10  Grid-connected current harmonic frequency spectrum analysis using improved AFD

5  结论

(1) 主动电流扰动法虽然不存在检测盲区，但其应避免多机同时检测的场合，而且人为地在逆变器中加入电流扰动将对并网系统的输出效率产生影响；另外，其检测动作阀值的选取困难。若动作阀值过大，则会增加孤岛不可检测区；而若动作阀值过小，则可能引起误动作。

(2) 常规的主动频率偏移法虽然其在一定程度上解决了盲区，但同时给电网电能质量带来较大的影响。改进的主动频率偏移法简化了系统控制，在DSP实现上算法简单，并能快速而有效地检测出孤岛的发生，同时兼顾了孤岛检测效果和电能质量两方面的指标，具有较好的工程应用价值。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2012-12-15；修回日期：2013-02-12

基金项目：广东省科技计划重大科技专项(2010A080804023)；湖南省自然科学基金资助项目(2011JJ5027)；湖南省科技计划项目(2011JJ3118)

通信作者：夏向阳(1968-)，男，湖南长沙人，博士后，教授，硕士生导师，从事分布式发电技术和电能质量控制等研究；电话：13873191528；E-mail：xia_xy@126.com