适用于直流配电网的分布式光伏发电防孤岛方法

郭 捷，胡文平，刘 曼

（国网河北省电力公司电力科学研究院，河北 石家庄 050000）

适用于直流配电网的分布式光伏发电防孤岛方法

郭 捷，胡文平，刘 曼

（国网河北省电力公司电力科学研究院，河北 石家庄 050000）

直流配电网可以实现分布式光伏发电的大规模高效接入，提高可靠性并降低接入成本。但是，直流配电网因仅有直流电压作为判断依据，且无法实施主动移频等方法避免检测盲区等原因，造成孤岛检测困难。文中给出适用于直流配电网的分布式光伏发电防孤岛方法，通过低频电压分量主动注入，并对该分量进行检测，实现直流配电网孤岛的无盲区检测。并能实现AC／DC接口换流器间的工作模式切换。仿真结果证明该方法可以正确、迅速地检测出直流配电网中出现的孤岛，并保证模式切换时不会发生误动作，同时证明了低频电压波动不会传递到DC／DC换流器的另一侧，不会影响光伏矩阵和其它直流设备的正常工作。

防孤岛；直流配电网；分布式发电；光伏发电；AC／DC换流器；DC／DC换流器

能源问题是现代社会和经济发展所面临的重要问题之一。当前我国能源结构以煤炭等化石能源为基础，大量能源消费造成化石能源日渐枯竭，引发全球气候变化以及环境污染等严峻问题。太阳能是公认的可持续能源，具有安全、环境友好、储量巨大的特点。分布式光伏发电是太阳能利用的重要形式之一，其转化效率高，有利于资源充分利用，并提高能源供应可靠性［1－3］。

当分布式光伏发电接入交流电网后，可能会在电网停运时，不能自动退出运行，而是向部分电网继续供电，在停运电网中形成非计划性的供电孤岛。特别是当分布式电源发出功率与本地负荷基本相等时，会形成相对稳定供电的孤岛，孤岛内电压、频率较孤岛前变化很小，形成检测盲区。孤岛效应带来的危害包括：孤岛内供电稳定性和电能质量无法保证，孤岛带电影响低压重合闸，检修时孤岛带电威胁人身、设备安全，供电权责不清等［4－5］。

直流配电网是未来配电网发展新方向之一，近年来受到学术界的广泛关注［6］，并有示范工程投入应用［7］。直流配电网的优势之一就是灵活开放，取消了光伏发电等直流电源接入的逆变环节，大幅降低分布式发电入网成本，能够适应分布式电源大量接入。与直流微网不同，直流配电网是一个更为开放的面向公用的配电系统，能够更为广泛地纳入分布式发电和直流负荷。而微网强调在局部形成自治的微型电力系统，内部设备产权、调度权单一，容易实现分布式电源的协调控制。此外，微网多具备孤网运行的能力，形成孤岛后结构较为简单且容易检测。

综上所述，直流配电网防孤岛应作为一个技术问题进行深入分析，并寻找解决方案。

1 直流配电网防孤岛问题

交流配电网防孤岛目前已经发展较为成熟，其防孤岛思路对于直流配电网防孤岛具有借鉴意义。交流配电网防孤岛主要有以下方法。

a.在换流器内部或外部均不附加电源，通过检测电压、频率、相位突变、谐波等参数，被动判断孤岛形成。此类方法简便、成本低，但会受盲区的影响而无法检测出全部可能出现的孤岛。

b.通过换流器主动扰动交流侧频率或电压，并形成正反馈。当孤岛形成时，孤岛失去外部电源的箝位作用，会在扰动的作用下使频率或电压偏离正常范围，从而消除盲区对孤岛检测的影响。

c.通过在配电变压器低压侧或其它合理的分界点主动插入负荷，从而打破孤岛功率平衡。在拓扑结构相对简单、分布式发电渗透率相对较低的前提下，该方法具有很强的实用性。

d.利用通信的方式传递开关状态，对配电网拓扑进行分析，可以无盲区检测出复杂孤岛。但是当网络规模较大时成本较高、算法较为复杂且依赖于通信网络的可用性。

直流配电网中孤岛检测较交流系统困难，原因主要包括以下几方面。

a.直流配电网孤岛检测时仅有电压作为判据，无法通过频率、相位变化检测出孤岛，也不能使用主动移频的方法避免检测盲区。分布式光伏发电通过DC／DC换流器并入直流配电网，由于无需交流同步而不具有锁相环（Phase Locked Loop，PLL），所以也无法根据PLL的失锁判据来快速判定孤岛。

b.分布式光伏发电装置一般具有最大功率点追踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）功能［8］。MPPT是一个动态自寻优的控制策略，在外部环境不断变化的情况下，用以保证光伏电池方阵工作在输出功率特性的最大功率点附近。常见的MPPT方法有扰动观测法、固定参数法和电导增量法等，其中，扰动观测法算法简单且追踪精度较高，应用较为普遍。扰动观测法在进行MPPT时，对光伏电池方阵的工作点进行小幅扰动，根据功率变化方向判断最大工作点位置。其输出功率会在最大功率附近发生波动。理论上来讲，当形成孤岛盲区时，如果光伏电池输出功率波动，孤岛内直流电压也会发生变化。然而，MPPT所形成的功率扰动不足以打破孤岛盲区功率平衡，孤岛仍然难以检测，主要原因是：首先，MPPT产生的功率扰动本身较小，不足以造成较大的电压波动（例如，± 200 V的低压直流配网孤岛功率波动5%时，反映到直流电压波动为2.5%）；此外，双极直流系统通过分裂电容器接地，换流器直流侧通常也有较大的直流电容，造成直流配电网极间等效电容较大，电压波动更加不明显。

c.直流配电网中存在大量包括光伏并网DC／DC变换器在内的电力电子装置，工作时会产生高频谐波。高频谐波分量根据不同类型、不同型号的电力电子装置而不同。而且大部分在直流出口处通过直流电容吸收，注入配电网的高频谐波幅值很小。所以在直流配电网中，高频谐波信号较弱且成分复杂，通过高频谐波检测孤岛较困难。

d.当孤岛结构形态较为复杂时（如图1中的孤岛Ⅱ），孤岛内有多个分布式发电接入。如果采用分布式发电并网换流器有源检测的方法，可能发生由于各换流器采用的检测方法、扰动参数、判断标准不协调造成的孤岛检测互相干扰问题，发生防孤岛拒动或误动。此外，复杂形态孤岛可能并非放射状拓扑结构，与外部网络的分界点不止1个，此时难以准确选择1个分界点在孤岛侧插入一定功率负载进行负荷扰动。

图1 直流配电网中的孤岛效应

2 低频电压分量注入的孤岛检测方法

2.1 低频电压分量注入方法

低频电压分量注入的检测方法基本原理是在直流配电网接口的AC／DC换流器直流侧注入频率小于50 Hz的低频交流电压分量，若光伏并网DC／DC换流器可以检测到该分量，表示与AC／DC接口换流器存在电气联系，若光伏并网DC／DC换流器无法检测到该分量，表示与AC／DC接口换流器失去电气联系，该并网DC／DC换流器处于孤岛。

AC／DC接口换流器直流侧注入的低频分量可以表示为

式中：k为注入低频分量占直流额定电压Udc的百分比；fac为注入低频分量的频率；t为时间。上述参数设计可以遵从下列原则。

a.低频分量占比k，应在保证全直流配电网各并网点能可靠检测到低频分量的前提下尽量取小值，以便把低频电压注入带来的影响降到最低，可取2%～5%。

b.注入低频分量的频率fac采用50 Hz以下低频分量，原因在于直流配电网可能与交流电网耦合产生工频或高次谐波分量，但次谐波不易产生，可以用来作为体现AC／DC接口换流器电气连通性的特征分量；低频分量电抗小容抗大，在直流配电网内传播的距离较远；便于光伏发电DC／DC并网换流器光伏电池侧的稳压控制，且对外干扰较小。但频率过低时，计算其有效值时延迟较长，可取5～30 Hz。

c.低频分量注入AC／DC接口换流器可以通过向换流器直流电压Udc上叠加u∗ac实现。典型的AC／DC换流器直流侧定电压控制采用双环控制，外环为电压环，内环为前馈解耦的有功电流环。低频电压分量注入直流侧的方法如图2所示，在dq坐标系下，设电流的d轴分量id为有功电流，q轴分量iq为无功电流，Lac为交流电抗，ed为交流系统电势d轴分量，udc为直流电压，i∗d为有功电流指令值，u∗d为换流器交流电压d轴分量参考值，与q轴分量参考值经派克逆变换可得abc坐标下的电压参考值。

图2 低频电压分量注入方法

低频电压分量注入直流配电网后，将对直流配电网电气特性造成一定改变。功率方面，会在AC／DC接口换流器处引起交流侧功率波动，并会在直流侧形成交流回路引起功率损耗。但是，由于该电压分量占比k很小，加之交流回路经过直流电容阻抗较大，故引起的功率波动和损耗均可接受。电压方面，由于分布式光伏发电经并网DC／DC换流器接入，通过调制开关占空比在光伏电池侧实施具有MPPT的电压控制，故电网侧电压波动不会传递到光伏电池侧，亦不会引起光伏功率输出波动。综上所述，低频电压分量注入直流配电网后不会影响配电网的安全、经济运行。

2.2 低频电压分量监测

在直流配电网内监测2.1节所述注入的电压分量，可以判断测量点与AC／DC接口换流器的电气连通性，具体算法如图3所示。首先将计数器N清零，然后对电网侧电压采样、滤波、提取有效值，与整定值Uset（动作门槛值）进行比较。若有效值大于Uset则程序一直处于监视循环中，一旦有效值小于动作延时Tset，则判断测量点与AC／DC接口换流器已断开形成孤岛。

图3 低频电压分量监测算法流程图

2.3 AC／DC接口换流器工作模式切换

直流配电网通常采用双AC／DC接口换流器提高供电可靠性。但在前文所述的低频电压分量注入时，为了避免产生环流而应在配电网内仅保留1个注入点。所以当采用双AC／DC接口换流器供电时，应将其中1台换流器设置为主模式，正常运行时向直流配电网注入交流分量；另1台设置为从模式，正常运行时不注入交流分量，一旦主模式换流器停机，自动开始注入。

AC／DC接口换流器工作模式切换的具体方法是从模式换流器按照图3所示的算法进行低频电压分量监测，当判断为主模式换流器已经断开后，立即按照式（1）在图2所示控制环节注入低频电压分量。为了防止切换过程中，从模式换流器开始注入前光伏并网DC／DC换流器已判断孤岛形成而发生误动作，应保证：

式中：Tset1为DC／DC换流器动作延时；Tset2为AC／DC换流器动作延时；Uset1为DC／DC换流器动作门槛；Uset2为AC／DC换流器动作门槛。

3 仿真验证

在PSCAD／EMTDC平台上建立仿真模型，模型将直流配电网的光伏孤岛简化为如图4所示的结构，直流配电网两端通过AC／DC接口换流器Ⅰ、Ⅱ与交流系统相连，光伏发电通过并网直流断路器并网并带本地负荷。

图4 直流配电网光伏孤岛模型

直流配电网额定电压±200 V，光伏电池矩阵由6×6额定功率260 W的光伏电池板构成，环境温度25℃，光照强度1 kW／m2，并网DC／DC换流器采用定电压控制，MPPT采用扰动观测法在光伏矩阵侧施加扰动。设定AC／DC接口换流器Ⅰ工作在主模式，AC／DC接口换流器Ⅱ工作在从模式，k为2%，fac为10 Hz，Uset1为0.5 V，Uset2为0.3 V，Tset1为0.2 s，Tset1为0.5 s。

图5所示为未加入防孤岛策略时的仿真结果，udc为光伏发电并网点正极电压，upv为光伏矩阵出口电压。并网直流断路器在5 s时断开（箭头所指），光伏发电与本地负荷形成孤岛，此时设置本地负荷与发电功率相等，孤岛检测处于盲区中。孤岛形成后，udc和upv均无明显变化，upv的波动是由于MPPT扰动观测造成的，幅值很小无法打破孤岛的检测盲区。

图5 直流配电网孤岛检测盲区

图6所示为加入低频电压分量注入的孤岛检测后仿真结果。AC／DC接口换流器I首先注入10 Hz低频电压分量，第2 s时（I）停机跳闸；AC／DC接口换流器Ⅱ在0.3 s后（Ⅱ）切换为注入低频电压分量，由于配电网内该分量在0.5 s内恢复，切换过程中防孤岛没有发生误动作；第5 s时（Ⅲ），并网直流断路器跳闸形成孤岛，此时并网DC／DC换流器与直流配电网失去联络，由于本地负荷和光伏发电功率相等，直流分量保持不变造成检测盲区；但由于孤岛内低频电压分量消失，跳闸0.7 s后（Ⅳ）光伏发电装置停机。仿真结果表明，给出的方法可以快速、有效地防止直流配电网产生光伏孤岛，孤岛切除时间小于2 s；能够克服检测盲区，并在AC／DC接口换流器工作模式切换时保证不发生误动作。

图6 直流配电网孤岛检测和注入模式切换

图7所示为低频电压分量对光伏电池工作电压影响的仿真结果。仿真结果截取了第5 s（箭头所指）前后共1 s波形，首先注入10 Hz低频电压0.5 s，之后停止注入0.5 s。由仿真结果可以看出，DC／DC换流器电网侧（并网点正极）电压udc有明显的低频分量变化，而换流器光伏矩阵侧电压upv则无明显变化，说明DC／DC换流器的定电压控制可以消除电压低频波动对光伏矩阵工作带来的影响。同理，对于其他经稳压控制换流器的分布式电源和负荷，也不会受到直流电压低频波动的影响。

图7 低频电压分量对光伏电池工作电压的影响

4 结论

针对直流配电网中分布式光伏发电的防孤岛问题，给出了低频电压分量注入的孤岛检测方法，通过1台AC／DC接口换流器向直流系统叠加低频电压分量，在并网DC／DC换流器处检测实现防孤岛。给出方法的优点在于简便可靠，实现无盲区防孤岛，实施成本低且无需增加一次设备；缺点是会对直流配电网电压造成轻微低频波动，但幅值很低不会影响DC／DC换流器另一侧电压，频率很低亦不会对外形成干扰源。

［1］孟 懿.太阳能光伏发电的发展［J］.东北电力技术，2010，31（11）：19－21.

［2］罗 存.太阳能分布式发电站远程监控设计［J］.东北电力技术，2009，30（8）：50－52.

［3］张相明，邓 玮，关焕新，等.光伏发电双轴自动跟踪控制系统的设计［J］.东北电力技术，2013，34（5）：10－14.

［4］奚淡基.逆变器并网孤岛检测技术的研究［D］.杭州：浙江大学，2006.

［5］蒋颖亮，孙玉坤，於 锋.光伏并网系统的无盲区孤岛检测实现［J］.电力电子技术，2012，46（5）：49－51.

［6］江道灼，郑 欢.直流配电网研究现状与展望［J］.电力系统自动化，2012，36（8）：98－104.

［7］Ito Y，Zhong Y，Akagi H.DC microgrid based distribution power generation system［C］.2004 The 4th International Power Electronics andMotionControlConference.Xi'an，China：IEEE，2004：1 740－1 745.

［8］杨永恒，周克亮.光伏电池建模及MPPT控制策略［J］.电工技术学报，2011，26（S1）：229－234.

Anti⁃islanding Method for Photovoltaic Power Generation Concerned with DC Distribution Network

GUO Jie，HU Wen⁃ping，LIU Man
（State Grid Hebei Electric Power Research Institute，Shijiazhuang，Hebei 050000，China）

DC distribution network is considered as a high reliability and low cost solution for large scale connection of distributed pho⁃tovoltaic power generation.However，in a DC distribution network，anti⁃islanding check is difficult due to the reasons that only DC voltage can be used for anti⁃islanding，and active frequency drift method is not applicable.For photovoltaic power generation concerned with DC distribution network，the proposed anti⁃islanding method detects electrical islands by injecting low frequency voltage to the network and detecting it as a criterion for no⁃blind area anti⁃islanding.Injection mode switch between AC／DC converters is also a⁃chieved.Simulation results verified the proposed method is feasible for fast anti⁃islanding in DC distribution network and no false⁃action during the mode switch.The PV matrix and other DC devices in the network can be normally operated，because the injected component does not transmit to the PV side of DC／DC converter.

Anti⁃islanding；DC distribution network；Distributed generation；Photovoltaic power；AC／DC converter；DC／DC con⁃verter

TM615

A

1004－7913（2015）12－0023－05

郭 捷（1985—），男，博士，工程师，研究方向为智能电网技术、高压直流及柔性交流输电技术。

2015－09－21）