分布式发电系统的主动式孤岛检测

夏向阳¹，唐卫波¹，毛晓红²

(1. 长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙，410077；

2. 广州有色金属研究院，广东 广州，510651)

摘要：基于分布式电源并网的增多使得孤岛现象发生的可能性和对系统用户的影响越来越大，在分析电压相位突变检测法的基础上，阐述一种改进型主动电流扰动法。针对电压相位突变检测法检测时间短，但在阻性负载下检测失效，而改进型主动电流扰动法虽然能实现无盲区检测，但必须在扰动时刻到达时才能检测出孤岛的发生等问题，提出一种基于电压相位突变检测与改进型主动电流扰动法相结合的新型组合式孤岛检测方法。仿真试验结果表明：新型组合式检测方法实现了快速性与无盲区检测的统一。

关键词：分布式发电；并网逆变器；孤岛检测

中图分类号：TM92         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)07-2662-06

Active islanding detection methods in distributed generation

XIA Xiang-yang¹, TANG Wei-bo¹, MAO Xiao-hong²

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

2. Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals, Guangzhou 510651, China)

Abstract: With the development of distributed generation grid-connected, the possibility of the island phenomenon and the influence on the system user has become greater. According to phase jump detection methods, a kind of improved active current disturbing was described. Considering the fact that the phase jump detection has short test time, but fails to work under resistive load, and improved active disturbing can be detected in blind area, but only detect the occurrence of islands in the disturbance moment arrives, a new combined islanding detection method was proposed based on phase jump and when the improved active current disturbing combination of grid-connected system. The simulation results show that the new combined detection method realizes the unity of rapidity and no blind area detection.

Key words: distributed generation; grid-connected inverter; islanding detection

近年来，分布式发电DG(Distributed generation)技术以其独有的环保性、经济性和灵活性而成为现代电力系统中新的研究热点^[1-2]。与此同时，智能电网建设以及国家节能减排的要求将进一步促进分布式发电技术的应用与发展。随着配电网中分布式电源并网日益增多，在利用孤岛效应的条件尚未成熟的条件下，逆变器孤岛发生的可能性和对系统用户的影响越来越大，它不仅会对逆变器系统和用电设备造成损坏，而且会对电力检修人员造成危险。现有的国际标准均将孤岛效应的防止提到了非常重要的位置，所有并网逆变器必须具有防孤岛效应的功能^[3-4]。因此，孤岛检测技术的研究具有重要的理论意义和实用价值。目前，针对并网逆变器的本地检测方法的研究与应用较广泛。逆变器侧孤岛检测方法可分为被动式和主动式2种。被动检测法通过直接检测公共点处的电压幅度或频率是否出现异常从而判断是否发生了孤岛效应。现有的被动检测方法主要有过电压/欠电压、过频/欠频检测，电压相位突变检测和电压谐波检测^[5]。被动式检测无需对系统运行施加任何扰动，对电能质量无影响，而且在多台逆变器并联运行的情况下，检测效率不会降低。但是，其存在较大的检测盲区(Non- detection zone，NDZ)。主动式检测方法常见的有主动频率偏移法(Active frequency drift, AFD)^[6]、滑模频率偏移法(Slip-mode frequency Shift, SMS)^[7]和Sandia电压偏移法^[8]等。主动式检测方虽然检测盲区较小甚至没有，但其给电网电能质量带来一定影响。改进型主动电流扰动法^[9]对电能质量无影响，但其扰动周期不能设置过小，过小会对并网输出功率影响较大。基于上述情况，本文作者提出一种基于电压相位突变检测与改进型主动电流扰动法相结合的新型组合式孤岛检测方法。该方法兼顾了两者优点，克服了各自的不足；同时，在多个并网发电系统并联运行的情况下也能实现无盲区检测。

1  孤岛效应及其检测原理

所谓孤岛效应^[10]，是指当电网供电因故障事故或停电维修而跳脱时，各个用户端的分布式并网发电系统未能即时检测出停电状态而将自身切离市电网络，形成由分布电站并网发电系统和周围的负载组成的1个自给供电的孤岛，如图1所示。本文以最具有普遍性的电阻R、电感L和电容C并联作为该系统的负载。A为并网逆变器与电网的公共连接点。

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，并网系统向公共连接点A点流入的有功和无功功率为P+jQ；负载得到的功率为P_L+jQ_L；电网提供的有功和无功功率为?P+?jQ，于是，有：

               (1)

系统在并网发电运行时通常工作于单位功率因数，则Q=0，而?Q =Q_L。RLC负载的有功和无功功率的计算公式为：

           (2)

其中：U_A为节点A处的电压。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，即孤岛发生后，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，保护电路即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^[11]，即产生孤岛检测盲区，这样，逆变器可能继续向负载供电，从而形成由并网发电系统和周围负载构成的一个自给供电的孤岛发电系统。

2  电压相位突变检测法

分布式并网系统正常工作时，A点的电压由电网电压所钳位，即有：

              (3)

式中：U_m为电网电压幅值；为电网电压初始相位。

逆变器并网运行时，应使逆变器输出电流与电网电压同相位，以实现单位功率因数并网发电，即

                 (4)

式中：I_m为并网逆变器额定输出电流幅值。

此时，负载电流由A点电压决定，即由电网电压决定，因此，有

          (5)

由此可见：并网运行时负载电流与电网电压的相位差由负载阻抗角决定。当电网突然断开后，即等效于断路器QF断开，出现了逆变系统单独给负载供电的孤岛现象。在孤岛现象发生前，逆变器输出电流I_o与电网电压U_g仅在过零点发生同步。在过零点之间，I_o要跟随系统内部的参考电流而不会发生突变。因此，孤岛现象发生后负载电流会突变为逆变器的输出电流，即

             (6)

这时，A点电压由逆变器输出电流I_o和负载阻抗Z所决定，即有：

          (7)

式中：； 。

将式(7)与式(3)对比可见：孤岛现象后，PCC点电压的相位将会发生变化，因此，可以采用电压相位突变检测法判断孤岛现象是否发生。当负载为非纯阻性时，即负载阻抗角不为0°，则在孤岛现象发生后，公共点A的电压U_A与逆变器输出电流I_o之间会产生一定的相位差，使输出电压U_A发生相位突变；若相位偏移超出正常的范围，则说明孤岛现象发生，控制器将断开或关闭并网系统。

电压相位突变检测算法简单，易于实现，属于被动式检测法，不会影响逆变系统输出电能的质量，也不会影响系统的暂态响应。电压相位突变检测与    过/欠频检测相类似，在电网频率下，当负载阻抗角接近0°即负载近似呈阻性时，该方法失效。

3  改进型主动电流扰动法

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的幅值周期性地扰动，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^[9]。其控制原理框图如图2所示。

在DG并网系统中，在正常情况下，A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，A点的电压不发生变化，会导致孤岛发生。

当电网发生故障断电时，A点的电压由输出电流和本地负载决定，即

        (8)

一旦到达扰动时刻，输出电流幅值改变，则负载上电压随之变化，并超出过/欠压保护的阈值范围，即可检测到孤岛发生，即使功率相匹配，孤岛也可以被检测出来^[9]。其检测算法仿真结果如图3所示。电网正常时，A点的电压总是被钳位在电网电压，A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，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^[3]所规定的保护时间。

图2  主动电流扰动法控制原理图

Fig.2  Control schematic diagram of active current disturbing

图3  主动电流扰动法仿真波形

Fig.3  Simulation waveforms of active current disturbing

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，但其对并网系统的输出效率有较大的影响。若孤岛时刻负载有功需求恰好与扰动输出有功需求相匹配，则孤岛检测失败。同时，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。为此，下面介绍一种改进型主动电流扰动方案^[10]。

改进的检测算法是：在加周期性的扰动之前，首先判断输出电压的变化情况，然后施加与电压变化方向相同的扰动。在不加扰动时，输出电流跟随给定电流i_g(与电网同频同相的正弦信号)，则逆变器输出电流i_o=i_g，添加扰动信号i_gd之后，逆变器输出电流为：

          (9)

式中：I_g为电流给定幅值；I_d为周期性扰动信号的幅值；ω为电网角频率。

        (10)

式中：U_o(k)为本周期逆变器输出电压最大幅值；U_o(k-1)为上1个周期逆变器输出最大幅值；I_d为相应的扰动量。

设检测阀值范围为(0.88~1.10)U_n(其中，U_n为电网额定电压幅值)。若要实现无盲区检测，则常规的主动电流扰动法由于不判断输出电压的变化方向，其扰动比例至少为0.10+0.12即0.22，则并网时对进网功率的变化比例为0.22。而改进后的方案，扰动比例为0.12，于是，并网时对进网功率的变化比例为0.12。

从以上分析可以看出：这种控制方法不会存在孤岛检测中失效的情况，所需要的扰动量较小，对进网功率的影响较小。同时，对于多个分布式发电系统并联的情况，也能够作到扰动一致，使耦合点端电压向相同的方向变化，从而快速准确地检测出孤岛的发生。

4  新型组合式检测法

在孤岛检测技术实际应用中，北美一般采用基于频率、相角、电压偏移等不同的主动检测技术；欧洲则一般采用频率变化率或主动检测方法作为补充^[12]。在国内，规定并网系统至少采用被动与主动式孤岛检测方法各1种。

4.1  新型组合式检测法基本原理

根据前面对电压相位突变检测和改进型主动电流扰动法的分析可知：电压相位突变检测法具有检测速度快、算法简单、易于实现的优点，属于被动检测方法, 不影响系统输出的电能质量，也不会影响系统的暂态响应；当负载阻抗角接近0°即负载近似呈阻性时,该方法失效。改进型主动电流扰动法虽然能实现无盲区检测，同时在多个分布式发电系统并联的情况下也能检测出孤岛的发生，但是，改进型主动电流检测法只有在扰动周期到来的情况下才能检测出孤岛，而检测周期又不宜过小，否则，对并网的效率影响较大，因此，其不能快速地检测出孤岛的发生。由于孤岛检测具有快速性，改进型主动电流扰动检测法不能单独使用，需要与其他检测方法结合使用。

基于上述分析，提出一种基于电压相位突变检测与改进型主动电流扰动法相结合的新型组合式检测方法，其程序控制流程图如图4所示。该算法中，电压相位突变检测与改进型主动电流扰动法分别作为独立的检测模块，电压相位突变检测主要针对本地负载呈电抗性的情况，IEEE Std 929—2000标准规定，电压频率超出额定频率0.5 Hz或低于额定频率0.7 Hz时需要进行孤岛保护。按照0.5 Hz折算的相位超前或滞后角度为3.6°，因此，电压相位突变检测中设定的相位阀值为3.6°。

图4  新型组合式孤岛检测法流程图

Fig.4  New combined islanding detection flow chart

4.2  新型组合式检测法仿真分析

为了验证理论分析的正确性，在Matlab仿真环境下对该方法进行仿真分析。仿真参数设为：主电路为单相全桥逆变器，滤波电感为1 mH，500 V直流电源等效分布式电源，电网相电压为220 V/50 Hz。电压阀值设为最低88%U_n即273.6 V，最高阀值设为110%U_n即342.1 V。其中：U_n为正常电网电压幅值311 V；扰动比例取0.15；仿真时间为0.5 s。

在负载电阻呈电抗性时，可以分感性与容性2种情况进行讨论。在感性负载情况下，系统在0.04 s时孤岛发生，其仿真波形如图5所示。从图5可见：A点电压在0.058 s处提前正向过0°，且相位突变角大于3.6°，从而判断孤岛发生；在容性负载情况下，系统在0.06 s时孤岛发生，其仿真波形如图6所示。PCC点电压在0.082 s处延迟正向过0°，且相位突变角小于-3.6°，同样检测到孤岛现象发生。

当负载呈纯阻性或负载阻抗角<3.6°时，电压突变检测法失效，此时，可通过改进型主动电流法检测出孤岛的发生。针对逆变器输出功率P与负载功率P_load的匹配度(P=P_load的情况与图3的相似)，分别对  P＞P_load与P＜P_load 2种情况进行验证。

图7所示为P＞P_load时的仿真波形。由图7可知：电网电压在0.1 s处断电，并判断输出电压变化方向是变大，然后施加和电压变化方向相同的扰动，该扰动加强了输出电压的变化。在断网后输出电压幅值变为360 V，超出了规定的电压阀值，逆变器在0.38 s时检测到孤岛的发生。而对于图8的情况，分析结果类似。

由图7和图8可知：在负载电阻呈电抗性时，电压相位突变检测能快速地检测孤岛的发生；而当负载呈电阻性时，则利用改进型主动电流扰动法检测出孤岛现象。新型的组合式检测法兼顾了两者优点，克服了各自的不足；同时，在多个并网发电系统并联运行的情况下也能实现无盲区检测，因此，该方法具有较大的工程应用价值。

图5  感性负载情况下的仿真波形

Fig.5  Simulation waveforms under inductive load

图6  容性负载情况下的仿真波形

Fig.6  Simulation waveforms under capacitive load

图7  P＞P_load时的仿真波形

Fig.7  Simulation wave forms of P＞P_load

图8  P＜P_load时的仿真波形

Fig.8  Simulation waveforms when P＜P_load

5  结论

 (1) 电压相位突变检测算法简单，易于实现，在本地负载呈电抗性的情况下能快速检测出孤岛的发生，同时不影响逆变系统输出电能的质量及系统的暂态响应。但当负载阻抗角φ接近0°即负载近似呈阻性时，该方法失效。

(2) 改进型主动电流扰动法虽然在多个并网发电系统并联运行的情况下也能实现无盲区检测，但其检测时间受扰动周期限制，必须在扰动时刻到达时才能检测出孤岛的发生。

(3) 新型组合式检测方法兼顾了主动与被动式检测两者的优点，克服了各自的不足。该算法参数整定简单、容易实现，因此，可广泛应用于太阳能、风能等逆变型分布式并网发电系统中。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2011-08-10；修回日期：2011-10-15

基金项目：广东省科技计划项目重大科技专项(2010A080804023)；湖南省自然科学基金资助项目(2011JJ5027)；湖南省科技计划项目(2011GK3118)

通信作者：夏向阳(1968-)，男，湖南长沙人，博士，副教授，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