基于盲区判别的混合型孤岛检测方法

高蕾，蒋平，顾文，杨宏宇，唐一铭

（1.东南大学电气工程学院，南京210096；2.江苏方天电力技术有限公司，南京211102）

基于盲区判别的混合型孤岛检测方法

高蕾1，蒋平1，顾文2，杨宏宇2，唐一铭2

（1.东南大学电气工程学院，南京210096；2.江苏方天电力技术有限公司，南京211102）

孤岛检测是分布式发电系统并网逆变器必须具备的功能，针对被动型检测方法盲区大及主动型方法对电能质量产生影响这两个不足，提出了主被动结合的混合型孤岛检测方法。该方法分析并推导出被动型方法盲区判别式，在工频周期内对系统运行状态进行计算和盲区判别，判断是否引入电流偏移实现Sandia频率偏移法的孤岛检测。在被动型方法的盲区内引入Sandia频率偏移法的混合型孤岛检测方法能有效地检测出孤岛状态，实现无盲区检测，也能较大地减小主动式方法对电网电能质量产生的影响。通过Matlab仿真验证了该混合型方法的有效性。

分布式发电；盲区；判别；孤岛检测；Sandia频率偏移

“孤岛”是指公共电网停止供电后，分布式发电会给负载持续供电的状态[1]。非计划孤岛运行可能会对用户和配电设备造成十分严重的损害，因此孤岛检测是其必备的重要功能。

目前国内外研究孤岛检测方法主要包括两类：本地孤岛检测法和基于远程通讯的孤岛检测法。基于远程通讯的检测法利用电力载波通信技术在电网侧检测，检测的可靠性高但设备投资大[2]。本地孤岛检测法即为基于逆变器的检测方法，分为被动型和主动型两种。被动型通过检测孤岛形成前后公共耦合点PCC（pointof common coupling）的电气量发生的变化来实现，包括分布式发电系统一般都具备的过/欠电压保护O/UVP（over/under voltage protection）及过/欠频率保护O/UFP（over/under fre⁃ quency protection）。文献[3]表明被动型检测存在检测盲区大的不足；但在实际并网运行时，O/UVP及O/UFP不能检测的孤岛情况较少。主动型检测方法包括主动频率偏移法、SFS法、滑膜频率偏移法及电压反馈法等。这类方法通过对分布式电源的输出注入一个扰动，监测系统响应的变化量来判断孤岛是否发生。文献[4]提出了相位正弦扰动法，提高了输出功率因数；文献[5]利用分段函数改进频率偏移法，降低电流谐波失真度；文献[6]指出了主动型方法与被动型相比，盲区可极大地减小甚至消除，但会对电网的电能质量产生影响。

针对上述不足，本文提出一种基于盲区判别的主被动混合孤岛检测方法，该方法通过对O/UVP和O/UFP进行盲区分析，推导出判别式；对系统运行状态进行实时盲区判别，以选择合适的检测方法，在被动式方法的盲区内采用SFS型的主动式方法，保证无盲区检测并减小对电网电能质量的影响。

1 O/UVP及O/UFP的盲区分析

图1为分布式发电系统接入电网的示意，分布式发电系统采用恒定电流源输出的控制方式。当电网断开，分布式发电系统会继续给负载RLC供电。

如图1所示，假设DG的输出功率为P+j Q，电网供应的功率为ΔP+jΔQ，所以RLC负载吸收的功率为Pload+j Qload，其中Pload=P+ΔP，Qload=Q+ΔQ；由于分布式发电系统输出无功较小，可近似Q≈0，DG的输出电流为。

采用分布式发电系统一般都具备的O/UVP和O/UFP为被动型孤岛检测方法。O/UVP检测是通过检测并网点PCC的电压幅度并与规定的电压限值相比较来实现。因电网断开瞬间阻抗变化小于0.5%[3]，故电网断开后的并网点的电压幅度变为

当PCC点的新的电压幅值保持在电压限值以内时，O/UVP将不能起作用，所以对于恒电流控制的DG的O/UVP的盲区为

式中：Umax为电压阈值的上限；Umin为电压阈值的下限；由标准GB/T19939—2005[7]可知，正常的电压范围为88%～110%，即，将此电压范围带入式（2）中可以得到O/UVP的盲区为

O/UFP检测是通过检测PCC点的频率值并与规定的频率阈值相比较。如图1所示，在电网断开前RLC负载吸收的有功和无功为

在电网断开后，为了保持单位功率因数，在逆变器锁相环的作用下，PCC点电压的频率将会变为RLC负载谐振频率。将式（5）和式（4）相除，可得到

式中：fmin为电压阈值的下限；fmax为电压阈值的上限；正常的频率范围为49.5 Hz～50.5 Hz，即；当PCC点的电压频率没有超过阈值时，O/UFP不能动作。由于Qf≤2.5，取Qf=2.5，此时O/UFP的盲区为

联立式（3）和式（8），得到被动型检测方法O/UVP和O/UFP的盲区判别式为

根据式（9）确定的被动式检测方法的盲区分布如图2所示。

2 SFS的原理及参数选择

主动式孤岛检测法采用SFS法，通过并网逆变器向电网注入略微变形的电流。在并网运行时，系统的频率会保持不变；在电网断开时，运用正反馈使电压的频率因电流波形的变形发生持续偏移，从而判断孤岛的发生。文献[8]通过参数设计消除了SFS的盲区，本文采用此种改进参数的SFS法，斩波系数定义为

式中：cfk为第k个周期的斩波系数值；cf0称为初始斩波系数，是ua与电网电压没有频率偏差时斩波系数的大小；K为正反馈增益；fg为电网电压额定频率；fk为第k个周期的电压频率。

与主动式频率偏移法相比，SFS的斩波系数不是一个常量，而是一个与频率偏移线性相关的量，频率越大，斩波系数就越大，从而使输出电流的偏移增大，这个就形成了正反馈的过程。SFS法的相位偏移为

而负载的相位角为

式中：f为孤岛时频率；f0为负载谐振的频率；Qf为负载的品质因数。

在SFS方法中，将上述两个相位角相等得出盲区判别式。若要保证孤岛检测即盲区的消除，对所有的负载方案下，两式相等都是一个不稳定的运行点，此条件可表示为

选择参数K可保证频率能够偏离O/UFP阈值以外，将式（11）和式（12）代入，并假设f=f0，可得

当满足此条件时，SFS方法的盲区将为零。已知Qf≤2.5，f0约等于电网频率，可推出K＞0.063 7，取K=0.07时，即可近似认为此时SFS法无盲区。

3 主被动结合的混合孤岛检测方法

3.1 盲区判别方法

此种混合型孤岛检测方法即由系统中运行状态，根据被动型方法的盲区判别式判断是否处于盲区内，从而选择检测方法。式（9）为被动型方法的盲区判别式，判别所需量包括分布式发电系统的输出功率P，负载吸收的有功功率P+ΔP及无功功率ΔQ。对于光伏系统，P可用通过逆变器的输出电流和电压计算可得，其余量为

式中：U为系统中PCC点电压的有效值；Iload为流入负载电流的有效值；Δθ为并网点电压和负载电流的相位差。

U和Iload的测量运用数字化原理，根据采样定理进行等间隔采样，通过对获得的时间离散信号序列进行数值积分求有效值。两信号间的相位差为Δθ，测量采用数字相关原理的相位差测量方法[9]。

由测量可得U、Iload和Δθ计算出P+ΔP及无功功率ΔQ，代入式（9）进行盲区判别，选择孤岛检测方法。

3.2 混合型孤岛检测方法的流程图

在通常情况下，分布式发电的输出功率同负载消耗功率的匹配度高的可能性很小，被动型检测方法能成功动作；在特殊的负载条件下，则需要主动型的方法检测判断。若采用混合型孤岛检测方法，在每个工频周期的过零点对系统测量的关键量计算分析并盲区判别，由负载参数实时选择检测方法。若在盲区外即采用被动型检测方法；若处于被动型方法的盲区内，即转换成SFS主动型检测方法，此时逆变器输出略有变形的电流，从而正确检测出孤岛状态。其算法流程如图3所示。

4 仿真及分析

本文采用Matlab/Simulink对所提出的方法进行仿真验证。仿真模型如图1所示，仿真参数如下：并网光伏系统的额定输出功率为5 kW；电网电压为220 V，频率为50Hz。选择不同的负载条件进行仿真，测试负载参数设置如表1所示。

对于第1、2种负载参数情况，经盲区判别式判断，在被动型检测方法的盲区外，即选择被动型检测方法，通过O/UVP、O/UFP检测出孤岛发生。以第2种情况的仿真结果为例，仿真设置电网在0.1 s的时候断开，如图4所示，图4（a）为并网点电流波形，检测到的电流波形为无变形的正弦波；图4（b）为电压信号的频率变化曲线，稳定的频率为负载达到的谐振频率；图4（c）为输出的孤岛检测信号，0表示正常运行情况，1表示检测出孤岛发生，如图在0.16 s左右成功检测出孤岛发生。此种情况下，孤岛检测的装置并未对并网的电流质量产生影响。

对于第3种负载情况，经判别在被动型检测方法的盲区内，即并网点的电压及频率都未超出阈值，被动型检测方法不能成功动作。若没有跳转成主动型孤岛检测方法，仅采用被动型的方法，其仿真运行情况如图5所示，图5（a）为电压频率波形，稳定于当前负载的谐振频率，图5（b）为孤岛判断信号的变化曲线，图示中孤岛识别信号一直为0，未变为1，被动型检测方法在电网断开后的0.5 s内仍未检测出孤岛。

若采用本文的混合型检测方法，由于经过盲区判别，会转换成SFS孤岛检测方法。对并网点的电流波形加入偏移，得到的仿真波形如图6所示。图6（a）为SFS方法下的电压频率信号波形；图6（b）为SFS方法下孤岛判断信号变化曲线。尽管稳定的谐振频率未超过阈值，但引入的频率偏差由于正反馈的作用会持续增大，从而使频率值超过阈值，触发孤岛判断信号的变化，成功检测出孤岛的发生。

为便于观察，设置SFS法的cf0=0.1，K=0.1，在0.08 s时负载跳转成情况3，此时为一个工频周期的起点，进行一次盲区判别，由图中可知在0.09 s时已转为SFS检测方法，电流波形加入偏移，电网在0.1 s断开，约在0.18 s成功检测出孤岛，检测时间符合要求。电流波形如图6（c）所示，加入盲区判别，仅在负载变化为被动型方法不能检测时，给电流加入偏移，其他情况为正弦波形的电流，减小了对电能质量的影响。

5 结语

本文对O/UVP和O/UFP法的盲区进行了分析和推导，研究了基于参数选择的无盲区SFS法，在此基础上提出了一种基于被动型盲区判别的混合型孤岛检测方法。通过系统状态相关量计算并进行盲区判别，在被动型方法不能成功检测的情况下切换成SFS的检测方法，实现主被动结合的混合型检测。该算法实现简单，通过仿真实验验证了该方法的有效性，且结合了被动型和主动型方法两者的特点，在检测无盲区的基础上极大地减小孤岛检测方法对电能质量的影响。

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A Hybrid Islanding Detection M ethod Based on Discrim ination of Non-detection Zone

GAO Lei1，JIANGPing1，GUWen2，YANGHongyu2，TANGYiming2
（1.Schoolof Electrical Engineering，SoutheastUniversity，Nanjing 210096，China；2.Jiangsu Frontier Electric TechnologiesCo.，Ltd.，Nanjing211102，China）

Islanding detection isan important function of distributed generation（DG）system with connected converter．To solve the problem of largenon-detection zone（NDZ）ofpassivemethodsand obviouseffectofactivemethodson pow⁃er quality，a new hybrid method is proposed by combining the passive and activemethods.The NDZ criterion is ana⁃lyzed and derived with passivemethods，and Sandia frequency shift（SFS）method is introduced based on the detection criterion by calculating the data from the operation system within one frequency cycle．By combining the passivemeth⁃od and SFS，the hybrid method has the advantage of realizing detection without NDZ and less effect on power quality due to the activemethod．The simulation results in MATLB verify the effectivenessof the hybridmethod．

distributed generation（DG）；non-detection zone（NDZ）；discrimination；islanding detection；Sandia fre⁃quency shift（SFS）

TM615

A

1003-8930（2017）03-0074-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.012

高蕾（1991—），女，硕士研究生，研究方向为可再生能源在电力系统中应用。Email：gaolei132@126.com

2015-05-04；

2016-04-28

蒋平（1954—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力系统运行控制。Email：jping@seu.edu.cn

顾文（1969—），男，硕士，高级工程师，研究方向为电厂及新能源技术监督和试验。Email：wengu@sina.com