基于微电网孤岛检测原理的防孤岛运行方法分析

周　唯，马少华

(沈阳工业大学 电气工程学院，辽宁 沈阳 110870)



基于微电网孤岛检测原理的防孤岛运行方法分析

周唯，马少华

(沈阳工业大学 电气工程学院，辽宁 沈阳 110870)

孤岛是分布式发电系统的一个基本问题。孤岛现象会对DG设备的寿命、继电保护装置的正常工作、系统中的绝缘等造成不同程度的威胁，因而快速、可靠地检测出孤岛非常重要。针对由负载性质及大小的变化而引起的检测方法失效问题，为了实现负载运行的多样性，提出了采用组合式检测方法和监测联络线上的功率缺额来解决。组合式检测方法可以有效互补检测盲区，保证联络线的功率缺额，也可以保证特征电气量超过检测阈值。通过仿真验证，证明了该方法的有效性。为负载运行的多样性提供了保障。

孤岛检测原理；检测方法；负载性质；功率缺额

目前，传统资源的日益枯竭，全球环境的不断恶化以及大电网自身存在的缺陷等问题使得分布式发电技术得到迅速发展。所谓孤岛[1]是指主电网因故障或进行检修而处于失电状态时，分布式发电系统仍可能持续工作，并与本地负载连接处于独立运行状态。孤岛产生后，会影响配电系统的保护开关动作程序，在重合闸时可能对用电设备造成损害。因此，孤岛检测是分布式发电装置必须具备的一种保护功能。目前，并网逆变器型的分布式发电系统的本地式孤岛检测技术主要包括被动式和主动式两大类。孤岛形成前后，电气量一般会发生变化，被动检测通过观察PCC点的电压、频率以及相位的变化来判断有无孤岛产生。主动检测法是在逆变器的控制信号中加入很小的电压、电流或相位扰动信号。并网运行时，由于受电网钳制，扰动信号作用很小；而当孤岛发生时，扰动信号的作用比较明显。因此，可通过检测PCC点的系统响应，来判断是否有孤岛发生[2-3]。每种检测方法都有其自身的优、缺点，例如：被动检测方法虽然无须外加设备，也无须引入扰动，对电能质量无影响且实现简单，但检测盲区比较大，检测阈值难以确定；而主动检测法可以有效地改善检测盲区问题，但会带来电能质量问题，同时负载性质对主动检测法也有影响。因而采用多种检测方法的组合式孤岛检测越来越受到人们的关注。

图1　微网并网示意图

1　孤岛检测的基本原理及相关方法

微电网分为并网运行和孤岛运行两种运行方式。微源与主网并网运行的示意图如图1所示，微源通过逆变器后与主网相连于公共连接点(PCC)处[4]。

并网运行时电网和逆变电源共同为负载提供功率，可得到：

Pload=P+△P,Qload=Q+△Q

(1)

(2)

(3)

将式(1)、(2)带入(3)中整理可得：

(4)

孤岛产生后，主网不再向负载供入能量，逆变电源的功率输出不会瞬间变化，因此在孤岛形成的一瞬间，孤岛内部一般会产生功率缺额，即△P≠0、△Q≠0。致使PCC点的电压、频率发生相应的变化。

当有功功率缺额和无功功率缺额在某一范围内时，是不足以使频率或幅值超出检测的上、下限阈值[5]。其中有功功率的缺额是影响检测盲区大小的主要因素。

现有的各种检测方法都存在一定的适用范围，对于某些特定的情况都会发生失效[6-7]。

2　实验检测方法的有效性分析

对实验室中运行的微网系统进行运行波形采集，观察不同负载性质及不同功率缺额下检测方法的有效性，示波器采用四个采集通道，探针连接示意图如图2所示，通道一检测市电电流，通道二检测微源电流，通道三接于QF2断口处，用于触发，通道四测量并网点PCC处的电压。当微源电流(通道二)、PCC点电压(通道四)为零时，即孤岛检测方法检测出孤岛，将微源从微网中解列出来。 孤岛检测方法采用被动检测法和Sandia频率偏移法相结合的检测方法。

为验证负载性质对检测方法的影响，测量了三组不同负载性质下，检测方法的检测性能。示波器检测波形如图3、图4、图5所示。其中，图3为纯阻性负载时与主网断开过程，图4是感、阻性负载且Qf=1，图5是感、阻性负载Qf=2.5的情况。从图3～图5中可以看出，纯阻性负载时约0.5个周期便将微源解列，感、阻性负载Qf=2.5时，约1.5个周期。随负载品质因数的升高检测时间变长。

图2　示波器探针连接示意图

图3　纯阻性负载

有功功率缺额是影响检测盲区的主要因素，将联络线功率分别设置为5 kW、1 kW、0 kW，示波器检测波形如图6、图7、图8所示，联络线的功率缺额越大，孤岛检测的时间越短，当联络线的功率缺额为0时，即没有功率缺额的情况下孤岛检测方法失效，发生了孤岛运行现象。

图5　负载品质因数为2.5

图6　联络线功率设置为5kW

图7　联络线功率设置为1kW

图8　联络线功率设置为0kW

3　防止检测方法失效的措施

检测盲区的客观存在，负载性质的多样性都为孤岛检测方法的有效性带来了挑战[8]。如何确实解决运行中检测方法的失效是一个值得探讨的问题。在实际的系统运行中，负载是动态变化的，实时的投切会改变联络线上的功率和负载的性质，因而影响到检测方法的有效性。针对负载性质对检测方法的影响，采用组合式的检测方法，尽量使多种检测方法的检测盲区相互互补，达到较小死区，增加系统运行的多样性。在Simulink中建立微网并网运行模型，如当检测方法采用电压相位突变法时，对纯阻性负载检测方法将失效，若加入Sandia频率偏移法与其共同作为检测方法。则可快速检测出孤岛，在t=0.1s时与主网断电，仿真结果如图9所示。

图9　纯阻性负载下式孤岛检测

图10　功率检测装置的微电网并网示意图

联络线功率变化对检测方法的有效影响，可以在联络线上装设功率测量装置，当功率测量装置测量到联络线上功率缺额不满足检测要求时，采取相应的措施。装设检测装置的微网并网示意图如图10所示。

采取的措施分为两类，第一类是不再维持并网运行，直接将并网系统平滑切换为孤岛运行。第二类是将负载按重要性进行等级划分为一类、二类、三类。当功率测量装置测量到联络线上功率缺额不满足检测的要求时主动切除等级较低的负载，以保证功率缺额的存在。若切除负载后仍不能满足功率缺额要求，再进行平滑切换为孤岛运行模式。

4　结论

(1)有功功率缺额是影响检测方法有效性，带来检测盲区的主要原因。

(2)针对负载性质对检测方法的影响，通过采用组合式检测方法达到盲区互补的效果，增加了系统运行的多样性。

(3)针对联络线功率缺额过小致使检测方法失效，通过在电网侧增设功率检测装置对小功率缺额系统采用直接平滑切换为孤岛运行或通过切掉负载的方法来保证功率缺额的存在。

[1]丁明，张颖媛，茆美琴.微网研究中的关键技术[J].电网技术，2009，33(11)：6-11.

[2]于正友.并网系统孤岛检测方法的研究[D].南京:南京航空航天大学,2009.

[3]孙美玲.基于正反馈的逆变器孤岛检测研究[D].秦皇岛:燕山大学,2007.

[4]牛冲宣.微电网的孤岛检测与孤岛划分[D].天津:天津大学,2008.

[5]贺眉眉，李华强，陈静,等.基于离散小波变换的分布式发电孤岛检测方法[J].电力自动化设备，2012，32(10)：103-107.

[6]奚淡基.逆变器并网孤岛检测技术的研究[D]. 杭州：浙江大学,2008.

[7]程明，张建忠，赵俊杰.分布式发电系统逆变器侧孤岛检测及非检测区描述[J].电力科学与技术学报，2008，23(4)：44-52.

[8]马静，米超，王增平.基于谐波畸变率正反馈的孤岛检测新方法[J].电力系统自动化，2012，36(1)：47-50.

Anti-island operation based on micro grid detection principle

ZHOU Wei，MA Shao-hua

(ShenyangUniversityofTechnology，Shenyang110870,China)

Island phenomenon is a basic problem in the distributed generation system,which is a threat to the life of the DG device,the normal operation of the relay protection device and the insulation of the system.So,fast and reliable detection of isolated island is very important.The failure of the detection method is caused by property and size of the load is analyzed.In order to achieve load operation of diversity,combined detection method and monitoring tie line power vacancy are proposed.Combined detection method can effectively detect blind area.To ensure the power shortage of tie line and guarantee the electrical characteristics over the detection threshold. The effectiveness of the proposed method is verified by simulation.The method provides the guarantee for the diversity of the load running.

island detection principle;detection method;load characteristics;power shortage

2015-10-16

周唯(1990—)，女，辽宁锦州人，硕士研究生。

1674-7046(2016)03-0084-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.03.016

TM615

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