电压有功正反馈孤岛检测的改进算法

王西伟

(贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550003)

0 引言

当电网供电因故障或停电维修而断开时，用户端的分布式发电系统并未即时检测出孤岛状态而将自身切离市电网络，使电网停电区的部分线路仍维持带电状态，形成自给电力供应的孤岛［1］。孤岛一旦形成，将危害设备的安全运行，危及运行人员的生命安全，影响孤岛系统的电能质量。因此，研究孤岛检测的方法，及时发现孤岛，将其产生的危害降到最低，具有重要的现实意义。随着新能源的发展，分布式电源并网运行增多，孤岛发生的可能性及对系统的影响越来越大。而大部分的分布式电源是通过逆变器并网的，因此，基于逆变器的孤岛检测受到重视。

1 传统孤岛检测方法

目前，逆变器侧的孤岛检测方法分为2类:被动检测方法和主动检测方法。被动检测方法是通过监测电网断电时公共连接点的端电压幅值、相位、频率、谐波是否出现异常来判断是否产生孤岛。它主要包括:电压/频率检测法 VFD［2］(Voltage/Frequency Detection)、电压谐波检测法 HD［3］(Harmonics Detection)、电压相位突变检测法 PJD［4］(Phase Jump Detection)及关键电量变化率检测法 CRDKP［5］(Change Rate Detection of Key Power)。被动检测方法的不足之处是存在较大的检测盲区。一般将被动法与主动法结合使用，应用于负载频率变化不大且与逆变器的功率输出不匹配的场合。当分布式发电系统的输出功率与本地负载完全匹配时，电网断电后系统端电压幅值及相位、频率无明显变化，被动式检测法无法准确地检测出孤岛状态。主动检测法的提出，解决了这个问题。主动检测法是在逆变器的控制中加入扰动信号，并网运行时，由于大电网的钳制，扰动信号对逆变器的影响很小;孤岛发生时，逆变器输出端的参数(电压、相位、频率)受扰动信号作用偏离正常值，当超出设定阈值时，逆变器停止并网运行。主动检测方法主要包括特定频率的阻抗测量法 SFIM［6］(Specific Frequency Impedance Measurement)、输出功率扰动法 OPP［6］(Output Power Perturbation)、Sandia 电压偏移法 SVS［7］(Sandia Voltage Shift)、主动频率偏移法 AFD［8］(Active Frequency Drift)、滑模频率漂移 SMS［9］(Slide － Mode Frequency Shift)及 Sandia 频率偏移法 SFS［10］(Sandia Frequency Shift)等。对于主动检测法，相应的检测盲区(NDZ)有了较大的改善，孤岛检测的效率有一定提高，但由于引入了扰动，对系统的电能质量和暂态响应有一定的影响。在孤岛检测法研究中，应从投资成本、检测盲区、检测灵敏度及电能质量等方面出发，提出一种新型或改进的检测方法，为电力系统针对产生的孤岛采取相应的措施、减小孤岛带来的危害提供依据［11－12］。

基于此，本文提出了一种改进电压有功正反馈主动检测法，该方法在原有电压有功正反馈基础上引入频率变化量，结合电压、频率这2个变量，加速有功扰动，从而减小检测盲区、提高检测灵敏度。

2 改进电压有功正反馈检测方法

2．1 试验原理

孤岛检测电路如图1所示，当断路器S断开，孤岛形成，此时负载有功功率与电压、无功功率与频率的关系为

式中:VPCC为公共节点电压;Pload为负载有功功率;Qload为无功功率;ω为电压角频率;C为电容。

图1 孤岛检测电路图

电压有功正反馈的原理如图2所示，当系统检测到VPCC升高时，由于正反馈，逆变器输出有功功率P增加，孤岛状态时，负载所需有功功率只需与逆变器输出平衡，即Pload=P，则Pload相应增加，VPCC相应升高。依此循环，最终超出电压越限检测元件阈值，检测出孤岛。

图2 电压有功正电馈原理图

在电力系统分析和控制中，为使数学模型简化，常将abc坐标系的各参数变换到dq坐标系［13］。因此，本文将电压有功正反馈与dq变换相结合，通过dq变换实现对Vd，Vq电压的分离及有功电流Id和无功电流Iq的分离。由式(2)可知，负载电压的变化也会影响1/ωL－ωC。即当有功功率不匹配时，负载电压发生变化，如果此时电源提供的无功功率没有发生变化，则系统角频率将依据式(2)发生相应的变化。在设计中，如果保证断网前、后负载无功功率不发生变化，由式(2)可以看出，电压的变化和角频率的变化趋势相同，即电压增大时，角频率增大，电压减小时，角频率减小。因此，将频率的变化引入正反馈环节可以加快逆变器有功输出与负载有功功率的不匹配度，孤岛检测更灵敏。本文令无功电流的参考值Iqref为恒定值，用来平衡本地负载的无功功率，在断网前、后，无功功率不发生变化;将Vd和ω作为正反馈加入的扰动量，经过增益环节与参考电流值Idref一起作为Id的参考量。改进电压有功正反馈孤岛检测方案如图3所示，其控制原理图如图4所示。

图3 加入频率变量的电压有功正反馈检测方案

2．2 仿真分析

本文用Matlab/Simulink对改进算法进行了仿真和试验研究，采用电流特性控制的电压源逆变器和谐振情况下的负载。由于在功率不匹配情况下效果比较明显，本文不做研究，只针对功率匹配的情况进行仿真研究，0．3 s时断路器断开。仿真图如图5、图6所示。

分析如下:

(1)加入未改进电压有功正反馈时，0．40 s时电压幅值达到最大值，最大值为2750V。

(2)加入改进电压有功正反馈时，0．37 s时电压幅值达到最大值，最大值为2955V。

试验结果表明，与未改进电压有功正反馈相比，改进的检测方法检测时间缩短，电压幅值有所增大。

图6 加入改进电压有功正反馈后的电压波形

3 结束语

与传统的电压有功正反馈检测方法相比，改进的检测方法由于在电压扰动基础上加入了频率扰动，使检测效果更加明显。在以后的研究中，可以针对连续性扰动的情况进行改善，对系统进行间歇性扰动，从而减小对系统电能质量的影响。

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