孤网检测方法优化及参数设置

齐智善 苑 舜 蔡志远

（沈阳工业大学 电气工程学院，沈阳 110870）

孤网检测方法优化及参数设置

齐智善 苑 舜 蔡志远

（沈阳工业大学 电气工程学院，沈阳 110870）

孤网检测技术是微电网在特定情况下由并网运行模式向孤网模式转换的必不可少的前提条件。本文主要结合两种不同检测方法进行孤网检测，两种方法互相补充，互相完善，并进行系数优化，提高了孤岛检测技术的准确性、快速性，提高了设备的安全性和供电可靠性。

孤网检测方法 优化 参数设置

引言

随着电网的不断发展，人们对电网的需求不断升高，微电网已成为电网发展的趋势。分布式能源的不断加入，对电力系统的设计提出了更高的保护需求，通常称之为“解列保护”。当电网出现故障时，需要形成孤网，以自动将大电网与孤网分离[1]。当大电网与分布式发电设备分离时，会出现一个继续给负荷供电的“孤岛”，但其存在一定的危险性：①当电压频率偏差较大时，负荷需要降容运行，影响正常运行；②当断开后，孤网与大电网之间的相位存在差异；③危及人生安全。因此，对PCC的检测尤为重要，必须及时准确检验出孤岛运行。

1 孤岛检测方法描述

传统的孤岛检测分为主动检测、被动检测、通信检测。被动检测分为电压阀值和频率阀值保护、检测谐波电压、检测相位突变、电压偏差和频率偏差。主动检测包括阻抗检测法、SMS、SFS、SVS、ADF、频率突变法和阻抗插入法。通信方法包括采用通信手段、切断电路产生信号、SCADA。本文采用被动检测与主动检测结合的方法，用频率偏差与Sandia频率检测法互相补充，进行孤岛检测。被动的频率偏差法是测量连接点频率的变化，当变化程度超过极限值时，就会触发继电器的动作，但会因大负荷的启动而触发。Sandia频率检测法主要利用频率的变化，该方法会加速偏离，从而检验出孤岛效应[2]。

2 孤岛检测方法分析

2.1 首次检测

在研究孤岛检测时，通常采用并联RCL电路模拟本地负载，如图1所示，PCC为公共耦合点。

图1 孤岛检测仿真电路

首先进行节约成本、容易实现、原理简单的被动频率偏差检测。利用检测公共耦合点PCC的频率，来判定系统是否发生孤岛效应，当发生孤岛效应时，逆变器发出的输出功率与本地负荷频率不一样，且与原频率都发生改变。若频率变化超出设定的阈值，则可能发生孤岛效应。一旦检验到频率超过正常范围，则断定发生孤岛效应，与大电网切开进行孤岛运行[3]。

2.2 二次检测

2.2.1 检测描述

对于第一次检测，当微电网中的本地负荷与各分布式电源输出的功率接近匹配时，频率变化较小，致使NDA较大，对孤岛检测存在隐患[4]。对上述现象，可进行二次检测，利用主动检测Sandia频率检测法。SFS孤岛检测与带线性正反馈AFD方案不同的是初始频率不同，可明显改变并网系统输出电流谐波水平[5]。SFS是AFD的扩展，对DSP控制并网的逆变器而言，SFS易于实现。它通过正反馈逆变方法应用于逆变器输出电压频率，加大频率差异。其工作过程通过检测逆变器输出电压频率，进而控制并网电流频率，使其满足公式（1）：

式（1）中，fi(n+1)为第n+1周期的逆变器输出电流频率设定值；Ks为第n周期的电网电压监测频率；ks为频移系数；f0为电网电压经低通滤波器后的滤波频率[6]。

2.2.2 参数设计

由上述分析可知，孤岛发生时，系统会自动跟踪fr。设计ks时，必须考虑fr落在安全带内时也能通过合适的正负频移顺利实现孤岛检测，同时也要考虑ks取值过大会向电网注入大量谐波。在此，主要讨论在保障电能质量基础上能顺利检测出孤岛[7]。孤岛后第n+1个周期，此时逆变器输出电流频率为fi(n+1)。由负载引入的ϕ可用时间量ΔT表示为公式（2）。

正频移时，由逆变器输出周期关系可得出公式（3）。

联立式（1），（2）和式（3）可得式（4）。

为消除落在安全带内的fr，fr必须保证在系统到达fr后能继续进行正向频移。应满足公式（5）。

联立式（1），（4）和式（5）可得公式（6）。

但是，ks的取值不仅要保证与fr跟踪趋势相反，且必须保证系统频率在最大保护时间内要跳出频率安全带，进行孤岛保护[8]。这个可应用AFDPF的控制思路，孤岛后可在每个电压监测周期加入一定量的扰动频率fc，确保能在较短时间内检测出孤岛。能维持正频移的限制条件为（7）。

fc影响时间Δt由具体孤岛检测时间要求决定，通常为微秒级，由式（8）可知，对于给定品质因数，ks的最小值由实际频率fu(n)决定。Qf=2.5时，可作出ks最小取值曲线。

与期望的一样，保护频率带增加，则ks最小取值减小，而在50Hz时，ks的值趋于无限，对于实际工况（保护频带宽为±0.5Hz），ks取3即可。

当电网存在时，逆变输出端电压频率，此时频移加速被抑制。当电网断电后，逆变器输出端电压频率为：

又可推得：

由式（10）可见，孤岛时，逆变器输出交流电压频率fu(n+1)通过ks加速偏移，很快进行频率保护，保证了反孤岛的发生。

3 仿真实验

图2 K=5仿真结果

图3 输出电流实验波形

应用软件PSCAD/EMTDC构建仿真模式，对孤岛检测进行验证。根据IEEE Std，按上述模拟RCL电路，选择数据：R=6，L=7.5mH，C=1300，频率为50Hz。经过IEEE标准选择K，范围为3～5为最佳。应用上述K选取法则，实现无NDA。

由仿真结果可知，在最差情况下，引用SFS方案作用后，约3个周期可检测到孤岛的发生，满足IEEE Std 929～2000的规定[9]。

在CTM-2KS上把传统ADF与上述SFS方案进行对比，通过XINT1引脚的电网电压零相位信号和采样电网电压信号来防止孤岛现象。

电压断开后，通过SFS主动式反孤岛算法，能及时检测出孤岛效应，进而下一步动作，最终逆变器输出电流为零，较好地实现的反孤岛效应，如图3所示[10]。

4 结论

孤网检测技术是微电网在特定情况下由并网运行模式到孤岛运行模式转化必不可少的前提条件，提出易于DSP算法实现的Sandia频率检测法，实现了无盲区孤岛检测方案。通过两种不同方法的结合，快速经济检验孤岛现象。

[1]任德曦，胡泊.对加快我国核电发展的思考——基于我国能源、电力结构布局状况分析[J].福建行政学院学报，2008，（4）：68-73.

[2]张群洪.中国可再生能源定价的SWOT分析与政策选择[J].福建行政学院学报，2012，（2）：80-86.

[3]简方.我国能源危机产生的原因与对策研究[J].经营与管理，2008，（11）：61-65.

[4]李峰，李兴源，郝巍．不间断电力变电站中分布式电源接入系统研究[J]．继电器，2007，（10）：13-19．

[5]张艳红，杜欣慧，张建伟.微电网控制技术的研究现状及发展方向[J].山西电力，2011，（6）：28-31.

[6]李莉华，李宾皑．微电网技术的研究与应用前景[J]．电力与能源，2011，（2）：124-126．

[7]郑漳华，艾芊．微电网的研究现状及在我国的应前景[J]．电网技术，2008，（16）：27-31．

[8]朱永强.新能源与分布式发电技术[M].北京：北京大学出版社，2010．

[9]齐志远,王生铁,田桂珍.风光互补发电系统的协调控制[J].太阳能学报，2010，（5）：654-660.

[10]王成山，杨占刚，王守相，等.微网试验系统结构特征及控制模式分析[J].电力系统自动化，2010，（1）：99-105.

Optimization and Parameter Setting of the Detection Method for the Single Network

QI Zhishan,YUAN Shun,CAI Zhiyuan
(College of electrical engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870)

The detection technology is the essential prerequisite for the trans formation from the grid operation m ode to the network mode in the s pecific cas e of the m icrogrid. In this paper, two different detection methods are combined with methods, the two methods complement each other, improve each other, improve the accuracy and speed of the island detection technology, improve the safety and reliability of the equipment.

detection method, optimization parameters, setting of the arc