利用闭锁滤波装置的孤岛检测方案

朱时雨

(国家电网有限公司东北分部，辽宁 沈阳 110181)

1 电力系统微网中的孤岛效应

在电力系统中，微网由微电源、电力电子装置、储能系统及负荷等构成，微网与配电网络通过隔离开关并列运行[1-2]。微电源供应能源、电力电子装置实现电能转化与系统调节、储能系统保证了非正常情况下电力负荷的正常用电。当电网发生故障或计划检修等原因非正常运行时，微电源系统持续向本地负载提供有功和无功功率的现象，被称为孤岛效应[3]。孤岛的发生形成了一个自给自足的供电网络，图1虚线内网络即为孤岛网络。

图1 孤岛效应网络结构

孤岛效应的危害主要体现在两个方面：一是当孤岛系统被重新接入配电网络时，重合闸装置的非同期合闸会产生较大的冲击电流，冲击电流会对电网中的电气设备产生巨大危害；二是由于孤岛效应的存在，会对电网维修工作人员的生命安全带来严重危胁。

2 孤岛检测方案

目前，主要的孤岛检测方法大致分为两大类：被动式孤岛检测法与主动式孤岛检测法[4-5]。

2.1 被动式孤岛检测方案

a.过/欠电压、过/欠频率孤岛检测方案

过/欠电压孤岛检测方案是通过监测孤岛系统中有功功率与负载需求有功功率不匹配时产生的电压幅值变化来完成孤岛检测，过/欠频率孤岛检测方案是通过监测孤岛系统中无功功率与负载需求无功功率不匹配时产生的频率变化来完成孤岛检测[6-7]。过/欠电压、过/欠频率孤岛检测方案的优势在于经济性好，对电能质量无干扰性，但最大缺点是检测盲区过大。

b.相位跳变检测方案

分布式电源并网逆变器的端电压相位在孤岛效应产生时会由于失去电网控制而发生跃变，通过监测该相位变化情况即可判断孤岛情况发生与否。相位跳变检测方案的实用性较强，但目前确定一个可靠而广泛适用的阈值来作为判断依据是该方案的一个难点。

2.2 主动式孤岛检测方案

a.主动频移孤岛检测方案

该方案核心思想是对并列运行的配电网注入连续略微形变的电流，导致系统形成一个持续变化的频率，通过检测频率的偏移而达到孤岛检测的目的[7]。如图2所示的方法是利用插入死区的方式等效注入略微畸变的电流。

图2中，iinv为并网逆变器输出电流；Tu为电压周期；tz为死区时间。

图2 利用主动频移孤岛检测方案的电流波形

该方法有较好的实践性，同时克服了被动检测法盲区大的缺点，但其畸变的电流会导致系统电能质量下降。

b.阻抗测量孤岛检测方案

正常情况下，将电网等效成电压源，此时公共耦合点处的阻抗特性是小阻抗特性；当孤岛形成时，公共耦合点处为负载阻抗，此时公共耦合点处的阻抗特性是高阻抗特性[8]。其具体实现方法为初次检测公共耦合点处的电压和电流，完毕后施加扰动，然后检测该时刻的公共耦合点处的电压和电流，最后用第2次的测量值与第1次的测量值做差，利用其差值得到所需扰动信号的电压、电流值，各个频率处的阻抗值可以由式(1)得出：

式中:F代表傅里叶变换。

该方法优点是可以快速得到测量结果，但对采样和数字处理环节要求较高，同时当多个光伏并网逆变器并联运行时，检测信号会相互干扰，造成误差。

3 基于闭锁滤波装置的微网孤岛检测方案

3.1 方案原理

分布式电源会向电网注入大量谐波，为防止谐波干扰用电设备正常运行，微网系统在分布式电源输入端会配置滤波装置。本方案利用闭锁滤波装置这一操作，来实现微网的孤岛检测。

图3为本方案原理示意图。图3模拟T(T≥1)条负荷支路的分布式电源微网结构。图3中滤波装置外设一个判断控制系统，当判断控制系统发出正常信号时，分布式电源输出的电气量经过滤波装置滤波后进入微网，此时滤波装置正常运行；当判断控制系统发出闭锁信号时，滤波装置停止工作，分布式电源输出的电气量不经过滤波装置直接进入微网，此时分布式点电源会将大量谐波注入电网。当微网正常运行时，由于电网的钳制作用，滤波装置是否正常运行，其公共耦合点(PCC点)的电压谐波畸变率变化不大。当发生孤岛现象时，情况会发生不同，在滤波装置正常运行情况下，分布式电源输出的电气量在滤波装置的作用下被有效过滤，因此谐波含量较少，这时PCC点的电压谐波畸变率变化微小。在滤波装置闭锁情况下，由于缺少滤波环节，大量谐波被注入，将导致PCC点的电压谐波畸变率大于滤波装置正常运行的情况。

图3 基于闭锁滤波装置的微网孤岛检测原理

经过以上分析，将滤波装置间歇性闭锁，通过比较滤波装置正常情况与闭锁情况下PCC点电压谐波畸变率的数值大小，就可以判断出系统是否发生了孤岛现象。本文根据IEEE Std.929—2000及GB/T 19939—2005《光伏系统并网技术要求》的规定，并结合实际工程运行经验，将PCC点电压谐波畸变率的阈值设定为5%，即当滤波装置闭锁前后PCC点电压谐波畸变率大于5%，并持续时间超过0.5 s，判定系统发生孤岛状态；反之判定为非孤岛状态。

同时，考虑到频繁闭锁滤波装置不但会影响系统的电能质量，而且也会造成滤波装置的损耗。因此本文将判断控制系统设计为规定时限内频率偏差值与PCC点近侧电流有效值的“或”逻辑结构，以使滤波装置的闭锁次数合理化，具体判断控制系统逻辑实现叙述如下：ft为规定时限内系统前后2个时间点的频率差值(根据GB/T 15945—2008《电能质量 电力系统频率偏差》规定，设置频率偏差允许值为±0.2 Hz)，I1、I2、I3、…、IT为PCC点近侧电流有效值(T为支路数)，那么当ft的绝对值大于0.2 Hz或I1×I2×I3×…×IT=0时，判定系统为不正常运行状态，此时判断控制系统发出闭锁指令闭锁滤波装置。反之判定为系统正常状态，滤波装置正常运行。孤岛检查流程如图4所示。

图4 基于闭锁滤波装置的微网孤岛检测方案流程

3.2 方案仿真分析

本文使用Matlab实现检验仿真分析。试验参数如下。

电源系统：线电压为380 V，容量无限大，频率为50 Hz，线路阻抗R0=0.1 Ω，L0=0.01 H。

分布式系统参数：容量为50 kW，开关频率为2000 Hz。

负载系统：R=50 Ω，L=0.08 H。

滤波装置参数：Lf=0.15 mH，Lg=0.075 mH，Cf=190 μF，阻尼电阻为0.5 Ω。

a.发生孤岛情况仿真分析

本文设置仿真系统运行时间为3 s，在1.5 s发生孤岛情况，仿真情况具体说明如下。

如图5所示，在系统正常运行情况下，系统PCC点电压谐波畸变率为0.23%，符合国家标准。当系统发生孤岛情况后，系统PCC点电压谐波畸变率上升为6.63%，超过设定阈值1.63%，根据分析可知，基于闭锁滤波装置的微网孤岛检测方案可以正确有效完成孤岛检测。

图5 1.5 s孤岛发生前后PCC点电压谐波畸变率

b.伪孤岛情况仿真分析

为防止本方案对伪孤岛情况的误判，本文利用该仿真模型，对系统发生三相故障、相间故障以及单相接地故障进行模拟，模拟系统运行时间为3 s，1.2 s发生上述故障情况，在1.6 s恢复系统正常运行状态。

由图6所示，当系统发生三相故障及故障切除时刻，PCC点电压谐波畸变率会发生突变，且变化量约为本文设定的5%阈值，但其保持时间小于本文设定的0.5 s，因此本方案可以完美地防止伪孤岛情况的误判。由表1可知，对于不同的故障类型，该方案均可避免伪孤岛情况的误判。

表1 不同故障类型情况故障期间PCC点电压谐波畸变率数值 单位：%

图6 发生三相故障前后PCC点电压谐波畸变率

4 结语

基于闭锁滤波装置的微网孤岛检测方案，其原理是通过检测比较闭锁滤波装置前后公共耦合点电压谐波畸变率变化情况，从而判断是否发生孤岛效应，经理论分析以及Matlab仿真，验证了本文提出方法具备可操作性。