基于B2B-VSC的配电网自适应低压反孤岛策略

赵国伟, 杨文, 刘澄, 陈祎熙, 赵锐

(1. 国网山西省电力公司大同供电公司，山西 大同 037008；2. 国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106；3. 南京师范大学，江苏 南京 210046)

为了促进节能减排并改善能源结构，分布式发电(distributed generation，DG)技术正迅速发展，其接入配电网的比例越来越高[1-6]。然而配电网发生故障后，DG可能产生的孤岛效应将会严重威胁配电网运检人员的生命安全[7-9]。DG的孤岛效应定义为：当配电网因故障停止运行时，若DG单元的输出功率与其就地负荷功率较为匹配，则其并网处的电压与频率较为稳定，并网处的保护装置不会断开使DG脱网，DG与其就地负荷将构成孤岛电网继续运行[10-11]。

近年来，国内学者为了解决DG的孤岛问题，对配电网低压反孤岛策略进行了大量研究。文献[12]针对传统DG孤岛检测方法存在检测盲区大或对电能质量有影响的缺陷，提出了基于可拓模式识别的被动式孤岛检测方法。文献[13]通过DG系统的小信号模型，分析了带正反馈反孤岛控制时系统的稳定性，为设计反孤岛算法的参数及确定系统最大功率传输能力提供了依据。文献[14]结合光伏并网逆变器的并网控制过程，提出了一种正反馈频率漂移反孤岛检测方法，并详细介绍了该方法的原理和实现过程。

尽管对于配电网的低压反孤岛策略已有了较为深入的研究，然而现有的反孤岛策略大多需要根据不同的灵敏性要求、可靠性要求、DG容量对扰动负载进行专门配置，这种方式不仅会造成资源的浪费还耗费人力[15]。

为了解决上述问题，本文基于背靠背式电压源型变流器(back-to-back voltage source converter，B2B-VSC)，提出一种具备自适应能力的配电网低压反孤岛策略。首先，分析传统低压反孤岛策略的基本原理；其次，分别研究B2B-VSC应用于低压反孤岛欠压保护与“欠压+过/欠频”综合保护下的控制策略；然后，建立B2B-VSC应用于低压反孤岛的控制回路；最后，通过仿真验证所述策略的有效性。

1 传统低压反孤岛策略原理及缺陷

当配电网因故障停止运行时，若DG单元的输出功率与其就地负荷功率较为匹配，DG将孤岛运行。为了解决这一问题，目前普遍采取的低压反孤岛策略是使用扰动负载。在发生孤岛效应后投入扰动负载，打破DG与其就地负荷的良好匹配，造成DG并网点的电压偏移或频率偏移，从而使保护装置动作，切断DG[16]，如图1所示。

图1 含反孤岛装置的DG并网系统Fig.1 DG grid-connected system with anti-islanding device

可根据不同的灵敏性要求、可靠性要求、DG容量配置扰动负载，具体配置要求如下[15]：

a)若仅需触发欠压保护，则扰动负载需配置为阻性，DG容量越高或灵敏性要求越低则所需阻值越小；

b)若为了提高可靠性，同时触发“欠压+过频”保护，则扰动负载需配置为阻感性；

c)若为了提高可靠性，同时触发“欠压+欠频”保护，则扰动负载需配置为阻容性。

根据上述分析，当DG容量、反孤岛灵敏性要求、反孤岛可靠性要求这三者其中之一发生改变时，扰动负载均需重新配置。

2 自适应低压反孤岛策略研究

为了解决上述传统低压反孤岛策略无自适应能力的问题，基于B2B-VSC变流器[17-19]，提出一种配电网自适应低压反孤岛策略，其基本结构如图2所示。

UDC为B2B-VSC的直流中间级电压；C为直流中间级电容；Lf为滤波电感；Cf为滤波电容；Rd-ini为反孤岛装置的初始扰动电阻；为B2B-VSC的输出电流；为B2B-VSC的输出电压；为初始扰动电阻的两端电压；为B2B-VSC与Rd-ini的整体两端电压。图2 自适应低压反孤岛策略基本结构Fig.2 Basic structure of adaptive low-voltage anti-islanding strategy

2.1 单种保护方式下的反孤岛策略分析

若单独使用欠压保护实现低压反孤岛策略，扰动负载单元需呈现出纯阻性特性，其相量关系如图3所示。其中：图3(a)表示扰动负载单元的等效负载值Rd-eqRd-ini，适用于较低的DG容量或较高的灵敏性要求。

(a) Rd-eq

(b) Rd-eq>Rd-ini图3 相量关系(扰动负载单元为纯阻性)Fig.3 Phaser relations (the disturbance load unit is pure resistive)

传统低压反孤岛策略中，若使用欠压保护，则扰动负载配置模型为

(1)

式中：Rd为所需配置的扰动负载；Un为母线额定电压；Pinv为DG容量；U为设定的欠压阈值。

若使用基于B2B-VSC的自适应反孤岛策略，则根据图3，扰动负载单元的等效负载值

(2)

需要说明的是，由于B2B-VSC的输出端消耗/发出的有功功率等于输入端发出/消耗的功率，因此B2B-VSC的有功功率恒为0，扰动负载单元的有功功率仅包括Rd-ini的功率消纳量。

2.2 多种保护方式下的反孤岛策略分析

(a) 阻感性

(b) 阻容性图4 相量关系(扰动负载单元为阻感性/阻容性)Fig.4 Phaser relations (the disturbance load unit is resistive-inductive / resistive-capacitive)

传统低压反孤岛策略中，若使用欠压与过频双重保护，则扰动负载的阻值配置模型同式(1)，扰动负载的感抗配置模型为

(3)

式中：XL为所需配置的扰动负载感抗值；U0与f0分别为孤岛运行时的母线电压和光伏系统输出频率；QL为就地负荷感性无功功率；fH为设定的过频阈值。

传统低压反孤岛策略中，若使用欠压与欠频双重保护，则扰动负载的阻值配置模型同式(1)，扰动负载的容抗配置模型为

(4)

式中：XC为所需配置的扰动负载容抗值；QC为就地负荷容性无功功率；fL为设定的欠频阈值。

若使用基于B2B-VSC的自适应反孤岛策略，则根据图4，扰动负载单元的等效负载阻抗

(5)

因此，使用基于B2B-VSC的自适应反孤岛策略后，在灵敏性要求、可靠性要求、DG容量任意一者发生变化时，扰动负载均不再需要重新配置。

综合上述内容，本文提出的基于B2B-VSC的自适应反孤岛策略中，孤岛判别方法与扰动负载类型之间的关系见表1。

表1 孤岛判别方法与扰动负载类型对应关系
Tab.1 Corresponding relations between islanding discrimination methods and disturbance load types

孤岛判别方法扰动负载单元特征类型B2B-VSC输出电压与输出电流的相位关系单种保护方式欠压保护纯阻性U·O与I·O同相多种保护方式欠压与过频双重保护阻感性U·O超前I·O0～90°欠压与欠频双重保护阻容性U·O滞后I·O0～90°

3 控制回路设计

从目前所掌握的情况来看，林下套种中草药的栽培过程中，无论是方法层面还是技术层面，都必须在地区的考察与分析力度上不断的提升。第一，林下套种中草药的栽培开展，需要的营养较为丰富，而且不同林业与药业的结合，涉及到具体的产品功能与效用的差异性，此时必须加强大量的调查，并且在数据分析过程中保持较高的精准度，甚至是要提前几年开展勘查工作，由此能够对各类动态因素的转变做出良好的把控。第二，林下套种中草药的栽培考察过程中，对于一些特殊情况要做出深入了解，尤其是自然灾害的出现，以及动物对于林业和药业的破坏情况，都要保持在承载范围以内，否则很容易产生严重的损失现象。

为了使Zd-eq满足于反孤岛的灵敏性要求与可靠性要求，并适用于对应的DG容量，需要对B2B-VSC的控制回路进行设计。如图2所示，B2B-VSC包括整流级与逆变级两部分，需要分别设计这两部分的控制回路。其中，B2B-VSC的整流级控制目标与传统整流电路的控制目标相同，其只需保证输出侧直流电压稳定及输入侧电压、电流同相即可，因此可采用传统整流电路的单位功率因数稳压控制回路[21]。

B2B-VSC逆变级控制回路设计如图5所示。

P为扰动负载单元实时功率；k为设定的比例积分(proportional integral, PI)控制器后置增益；Pref与Qref分别为扰动负载阻抗预期有功、无功负荷；为需配置的扰动负载阻抗；φ为的阻抗角；abs为取绝对值函数；sign为符号函数。图5 B2B-VSC逆变级控制回路设计Fig.5 Control loop design for inverter stage of B2B-VSC

(6)

4 算例分析

为了验证所述的低压反孤岛策略的有效性，建立如图2所示的仿真模型，具体参数见表2。

4.1 单种保护方式实现低压反孤岛

仅使用欠压保护方式实现配电网低压反孤岛。首先，设定欠压阈值为有效值200 V(即最大值282.84 V)，可得公共连接点电压波形如图6(a)所示，公共连接点电压满足欠压保护阈值要求，相应的扰动负载单元等效阻抗为32.27 Ω。

表2 仿真模型具体参数Tab.2 Parameters of simulation model

(a) 欠压阈值为有效值200 V，DG容量为15 kW

(b) 欠压阈值变为有效值180 V，DG容量变为25 kW(使用自 适应反孤岛策略)

(c) 欠压阈值变为有效值180 V，DG容量变为25 kW(使用传 统反孤岛策略)图6 公共连接点电压波形(欠压保护)Fig.6 PCC node voltage waveform (under-voltage protection)

然后，更改欠压阈值为有效值180 V(即最大值254.56 V)，更改DG容量为25 kW，可得公共连接点电压波形如图6(b)所示，公共连接点电压满足新的欠压保护阈值要求，相应的扰动负载单元等效阻抗根据控制回路自动调整为8.71 Ω。

若仍使用第2节所述的传统低压反孤岛策略，在欠压阈值或DG容量发生变化后，公共连接点电压波形将如图6(c)所示，公共连接点电压远高于阈值，不再满足新的保护要求。

根据图6可知，在反孤岛灵敏性要求(欠压阈值)或DG容量发生变化后，与传统反孤岛策略相比，基于B2B-VSC的自适应反孤岛策略可使扰动负载单元的阻抗值自动调整，从而满足保护装置的动作要求，在反孤岛投入后有效切除DG。

4.2 多种保护方式实现低压反孤岛

a)使用“欠压+过频”保护方式实现配电网低压反孤岛。首先，设定欠压阈值为有效值200 V(即最大值282.84 V)，过频阈值为55Hz，可得公共连接点电压波形如图7(a)所示，公共连接点电压满足欠压保护阈值要求与过频保护阈值要求，相应的扰动负载单元等效阻抗为(32.27+j13.97)Ω。

(a) 欠压阈值为有效值200 V，过频阈值为55 Hz，DG容量为 15 kW

(b) 欠压阈值变为有效值180 V，过频阈值变为60 Hz，DG容量 变为25 kW(使用自适应反孤岛策略)

(c) 欠压阈值变为有效值180 V，过频阈值变为60 Hz，DG容量 变为25 kW(使用传统反孤岛策略)图7 公共连接点电压波形(使用“欠压+过频”保护方式)Fig.7 PCC node voltage waveform (under-voltage protection + over-frequency protection)

然后，更改欠压阈值为有效值180 V(即最大值254.56 V)，更改过频阈值为60 Hz，更改DG容量为25 kW，可得公共连接点电压波形如图7(b)所示，公共连接点电压满足新的欠压保护阈值要求与新的过频保护阈值要求，相应的扰动负载单元等效阻抗根据控制回路自动调整为(8.71+j3.53)Ω。

若仍使用第2节所述的传统低压反孤岛策略，在欠压阈值、过频阈值或DG容量发生变化后，公共连接点电压波形将如图7(c)所示，公共连接点电压远高于阈值，频率低于阈值，不再满足新的保护要求。

b)使用“欠压+欠频”保护方式实现配电网低压反孤岛。首先，设定欠压阈值为有效值200 V(即最大值282.84 V)，欠频阈值为45 Hz，可得公共连接点电压波形如图8(a)所示，公共连接点电压满足欠压保护阈值要求与欠频保护阈值要求，相应的扰动负载单元等效阻抗为(32.27-j2.44)Ω。

(a) 欠压阈值为有效值200 V，欠频阈值为45 Hz，DG容量为 15 kW

(b) 欠压阈值变为有效值180 V，欠频阈值变为40 Hz，DG容量变 为25 kW(使用自适应反孤岛策略)

(c) 欠压阈值变为有效值180 V，欠频阈值变为40 Hz，DG容量变 为25 kW(使用传统反孤岛策略)图8 公共连接点电压波形(使用“欠压+欠频”保护方式)Fig.8 PCC node voltage waveform (under-voltage protection + under-frequency protection)

然后，更改欠压阈值为有效值180 V(即最大值254.56 V)，更改欠频阈值为40 Hz，更改DG容量为25 kW，可得公共连接点电压波形如图8(b)所示，公共连接点电压满足新的欠压保护阈值要求与新的欠频保护阈值要求，相应的扰动负载单元等效阻抗根据控制回路自动调整为(8.71-j1.05)Ω。

若仍使用第2节所述的传统低压反孤岛策略，在欠压阈值、欠频阈值或DG容量发生变化后，公共连接点电压波形将如图8(c)所示，公共连接点电压远高于阈值，频率高于阈值，不再满足新的保护要求。

由图7与图8可知：①在反孤岛可靠性要求提高后，基于B2B-VSC的自适应反孤岛策略可自动使扰动负载单元从纯阻性变为阻感性或阻容性，从而在反孤岛投入后可同时触发欠压保护与过/欠频保护。②与传统反孤岛策略相比，在反孤岛灵敏性要求或DG容量发生变化后，基于B2B-VSC的自适应反孤岛策略可使扰动负载单元的等效阻抗值自动调整，从而满足保护装置的动作要求，在反孤岛投入后有效切除DG。

5 结束语

基于B2B-VSC，提出了一种配电网自适应低压反孤岛策略。分析了详细的自适应低压反孤岛原理，设计了相应的控制回路，并通过仿真证明了所述策略的有效性。使用所述的基于B2B-VSC的配电网自适应低压反孤岛策略，可有效提高DG并网的可靠性，促进DG在配电网中的大规模利用，对构建清洁低碳的能源供应体系较为有益。未来，可将该自适应低压反孤岛策略应用于实际配电网中，在实际电网运行环境下对策略的有效性与可靠性进行论证，进一步提升其应用价值。