光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)間可以實(shí)現(xiàn)功率互補(bǔ)，具有環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性等特點(diǎn)，因此越來(lái)越多地應(yīng)用于電力系統(tǒng)。多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的研究表明，孤島效應(yīng)是分布式發(fā)電并網(wǎng)中存在的重要問(wèn)題之一，對(duì)于孤島檢測(cè)技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。所謂孤島效應(yīng)是指當(dāng)電力公司因供電故障或其他因素而停止供電后，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負(fù)載形成自給供電孤島。這種自給的孤島現(xiàn)象可能會(huì)損害用電設(shè)備，危害電網(wǎng)維護(hù)人員的人身安全。因此在分布式發(fā)電系統(tǒng)中，及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)到孤島發(fā)生對(duì)于避免重大安全事故發(fā)生具有重要意義[1]。

1 復(fù)合式孤島檢測(cè)方法
    孤島檢測(cè)算法可以分為電網(wǎng)端和逆變器端兩種，通過(guò)逆變器并網(wǎng)運(yùn)行是分布式發(fā)電系統(tǒng)最常見的方式。圖1給出的分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖，節(jié)點(diǎn)a為并網(wǎng)逆變器和電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)。逆變器側(cè)孤島檢測(cè)算法一般可分為兩類：主動(dòng)式檢測(cè)方法和被動(dòng)式檢測(cè)方法。主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法通過(guò)對(duì)某一參數(shù)添加擾動(dòng)，改變并網(wǎng)逆變器的某些輸出量，孤島發(fā)生時(shí)這種擾動(dòng)就會(huì)引起輸出量的改變，從而能夠在電網(wǎng)斷電時(shí)檢測(cè)到孤島效應(yīng)的發(fā)生。主動(dòng)式檢測(cè)方法控制算法較復(fù)雜，輸出諧波較大。其中主動(dòng)頻率偏移法AFD(Active Frequency Drift)只需對(duì)逆變器輸出電流參考波形加入畸變，應(yīng)用較多。被動(dòng)式檢測(cè)方法僅僅監(jiān)控電網(wǎng)斷電時(shí)逆變器輸出端電壓、頻率、相位或諧波變化進(jìn)行孤島檢測(cè)，該方法容易實(shí)現(xiàn)，但檢測(cè)盲區(qū)較大，應(yīng)用于負(fù)載頻率變化不大且與逆變器的功率輸出不匹配的場(chǎng)合[2-5]。其中過(guò)/欠壓和過(guò)/欠頻保護(hù)基于孤島檢測(cè)基本原理，是所有主、被動(dòng)孤島檢測(cè)方法的基礎(chǔ)。
    為了減小孤島檢測(cè)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，本文在研究主、被動(dòng)孤島檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的復(fù)合式孤島檢測(cè)方法。新孤島檢測(cè)算法一方面實(shí)時(shí)檢測(cè)公共點(diǎn)電壓頻率、相位的變化，利用過(guò)/欠壓和過(guò)/欠頻方法進(jìn)行孤島檢測(cè)；另一方面通過(guò)改變擾動(dòng)電流波形對(duì)已有AFD方法存在的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，在過(guò)/欠壓和過(guò)/欠頻方法失效時(shí)采用改進(jìn)后的AFD方法來(lái)檢測(cè)孤島。將過(guò)/欠壓和過(guò)/欠頻被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法和改進(jìn)主動(dòng)式AFD方法相結(jié)合，形成了本文提出的復(fù)合式孤島檢測(cè)方法。經(jīng)驗(yàn)證，該方法避免了主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量存在影響，以及被動(dòng)式方法檢測(cè)盲區(qū)較大的缺點(diǎn)，大大提高了孤島檢測(cè)的效果。


    在傳統(tǒng)的AFD孤島檢測(cè)算法中，欲使Q/P的值達(dá)到5.017%，THD的值將會(huì)達(dá)到5%，電流波形失真率增大了近30%。而THD的最大值為5%，可以求出此時(shí)K的值為0.108，利用式(14)求出Q/P的值為7.4%。在傳統(tǒng)AFD孤島檢測(cè)算法中，若Cf=0.046得到Q/P的值為4.8%。兩種檢測(cè)算法的THD和Q/P的對(duì)比曲線如圖2所示。
    圖中“○”和“+”分別表示本文提出的改進(jìn)AFD方法以及傳統(tǒng)AFD方法的THD和Q/P的對(duì)比值?？梢钥闯?，改進(jìn)的AFD法在任意Q/P值下所引起的輸出電壓總諧波失真值都比較小。改進(jìn)后的AFD算法中Q值增大了近50%，在不影響孤島檢測(cè)效果的基礎(chǔ)上提高了電網(wǎng)的輸出電能質(zhì)量。
1.2 復(fù)合式孤島檢測(cè)法
    在改進(jìn)AFD方法中，電流的擾動(dòng)周期取值一般不宜過(guò)小，并且只有在擾動(dòng)周期到來(lái)時(shí)才能夠檢測(cè)出孤島，致使孤島檢測(cè)速度較慢。因此本文嘗試將改進(jìn)AFD方法與被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法結(jié)合，即復(fù)合式孤島檢測(cè)算法。復(fù)合式孤島檢測(cè)方法可以分以下兩種情況。(1)一般情況下，即逆變器輸出功率與負(fù)載功率不平衡和負(fù)載呈非阻性的情況下利用過(guò)/欠壓和過(guò)/欠頻法，通過(guò)控制電路實(shí)時(shí)檢測(cè)公共點(diǎn)電壓的頻率和相位是否超過(guò)閾值來(lái)判定孤島狀態(tài)，進(jìn)行孤島保護(hù)。(2)針對(duì)逆變器輸出功率與負(fù)載功率平衡以及負(fù)載呈阻性的情況，此時(shí)過(guò)/欠壓和過(guò)/欠頻等被動(dòng)式孤島檢測(cè)算法失效。采用本文提出的改進(jìn)的AFD方法來(lái)檢測(cè)孤島，即通過(guò)對(duì)逆變器輸出電流施加擾動(dòng)電流而改變電流的頻率和相位，使輸出電流頻率比公共連接點(diǎn)處電壓頻率略高或者略低。
    我國(guó)發(fā)布的孤島檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求至少采用主動(dòng)與被動(dòng)孤島檢測(cè)方法各一種進(jìn)行孤島保護(hù)，且電網(wǎng)失壓時(shí)防孤島效應(yīng)保護(hù)必須在2 s內(nèi)動(dòng)作。表1為IEEE Std.2000—929規(guī)定的孤島運(yùn)行后并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)斷開的最大時(shí)間限制，其中Vnom為額定電壓，仿真中取交流值220 V；fnom為正常工作的電網(wǎng)電壓頻率范圍，仿真中取60 Hz。孤島發(fā)生時(shí)，隨著擾動(dòng)量的累積使系統(tǒng)輸出電壓頻率等超出保護(hù)閾值，從而達(dá)到孤島保護(hù)的目的[6]。

2 仿真分析
    為了驗(yàn)證本文所提出的復(fù)合式孤島檢測(cè)算法的可行性，在Matlab/Simulink中使用Power System Blockset建立系統(tǒng)主電路進(jìn)行了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測(cè)的建模仿真實(shí)驗(yàn)。
    仿真參數(shù)為：選取參考正弦波頻率為50 Hz，分布式電源采用光伏系統(tǒng)，可以用直流電源表示，大小為25 kV，電網(wǎng)電壓設(shè)置為220 V/50 Hz，設(shè)置普遍采用的電阻R、電感L和電容C作為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)載，仿真時(shí)間為1 s，t=0.4 s時(shí)電網(wǎng)斷開發(fā)生孤島效應(yīng)，此時(shí)的電網(wǎng)電壓輸出波形如圖3所示。每隔0.2 s對(duì)參考電流施加擾動(dòng)信號(hào)，擾動(dòng)周期持續(xù)兩個(gè)電網(wǎng)周期，逆變器輸出功率與負(fù)載功率平衡以及負(fù)載呈阻性的情況下，被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法很難檢測(cè)到孤島效應(yīng)的發(fā)生，采用復(fù)合型孤島檢測(cè)方法進(jìn)行孤島檢測(cè)所獲得的仿真波形如圖4所示。

    由圖4可以看出，采用復(fù)合型孤島檢測(cè)方法，在t=0.6 s時(shí)，孤島被檢測(cè)出來(lái)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2 s。另一方面，從上文所述關(guān)于輸出電壓總諧波失真值的分析可以得到，新的孤島檢測(cè)方法對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響是比較小的。
    本文提出了一種被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法與改進(jìn)的主動(dòng)頻率偏移法結(jié)合的復(fù)合式孤島檢測(cè)方法，該方法兼顧了兩者優(yōu)點(diǎn)，克服了采用單一的被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法在近乎阻性負(fù)載下失效和單一主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法影響輸出電能質(zhì)量的問(wèn)題。為了驗(yàn)證該方法的有效性，采用Matlab/Simulink仿真軟件進(jìn)行了進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果證明了該方法的正確性、快速性和有效性，檢測(cè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2 s，符合我國(guó)對(duì)于孤島檢測(cè)時(shí)間的規(guī)定。不影響電網(wǎng)的頻率,不向電網(wǎng)注入諧波，不存在檢測(cè)盲區(qū)，具有快速有效的孤島檢測(cè)功能。
參考文獻(xiàn)
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