分布式发电系统孤岛检测技术

采用频率和电压调整控制后 ,逆变器输出参考
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有功功率 Pref 和无功功率 Qref 不再是一个定值 ,而
是 Pref = P0 - kfΔf , Qr ef = Q0 - kVΔV PCC。正常并网 运行时 ,逆变器输出有功和无功保持为 P0 和 Q0。孤
岛后 ,由于频率和电压的变化 , 逆变器的输出有功
图 1 分布式发电系统并网运行结构 Fig. 1 Structure of distributed generation system
对于分布式并网发电系统 ,有
P = PL + ΔP
Q = QL + ΔQ
( 1)
PL =
3V
2 PCC
/R
QL =
3V
2 PCC
[
(kL
)-1
-
kC ]
( 2)
和无功也会产生变化 ,且满足
P′= P - kfΔf Q′= Q - kVΔV PCC
( 10)
式中: kf 为频率调节系数 ; kV 为电压调节系数。
带 电压和频率调整后 , 孤岛后 PCC处的电压
和频率变化都非常小 ,这使孤岛检测的难度更大 ,
传统的被动式方法根本无法检测出孤岛 ,所以必须
采用更为有效的检测方法。实验证明利用 Δf /ΔVL
(湖南大学电气与信息工程学院 , 长沙 410082)
摘要: 针对现有孤岛检测方法的不足之处 ,在分析孤岛检测基本原理的基础上提出了一种 新的被动式孤岛检 测 方法。该方法以并网公共连接点 ( point o f co mmon co upling , PCC)处频率变化与负荷电压变化之比Δ f /ΔVL 作 为检测指标 ,其计算值与所给门 槛值相比较来判断 并网系统是否发生孤 岛现象。 在考虑负荷突 变、电网电 压波动等多种扰动对 孤岛检测的影响的基础上做了仿真实验。 结果表明 ,该方法简 单可行、快速可靠 ,且检测 盲区很小。 关键词: 分布式发电 ; 并网 ; 逆变器 ; 孤岛检测 中图分类号: TM 615 文献标志码: A 文章编号 : 1003-8930( 2009) 03-0106-05
( 3)
式 中: k′为孤岛后 PCC 处角频率 ,k′ = k+ Δk;
V′ PCC
为孤
岛后
PCC
处
相
电
压
,
V′ PCC
=
VPCC +
Δ V P CC。
由式 ( 1) ～ 式 ( 3) 有
ΔVPCC =
R 3
(
P-
P - ΔP)
( 4)
[ (k+ Δk) L ]-1 - (k+ Δk)C = {ΔQ +
( P - ΔP ) R [ (kL )-1 - kC ] } / ( P R )
根据式 ( 4) 可以看出 ,只要 ΔP、ΔQ不为零 ,即
逆变器输出功率与本地负荷需求功率不完全匹配 ,
孤岛后的 PCC处电压和频率都会发生变化 ,且不 匹配程度越大 , 电压和频率变化也就越大。由于电
压和频率的变化 ,相关的一些其他电量也必然发生
由式 ( 1) ～ 式 ( 3) 有
( V PCC +
ΔVPCC ) 2 -
V2 PCC
=
ΔP R
/3
( 5)
式 ( 5) 可改写为
( 2VPCC + ΔVPCC )ΔVPCC = ΔP R / 3
( 6)
由 于 PCC处电压即为本地负荷电压 , 负荷吸
收的有功变化等于 ΔP ,所以有
ΔP ΔV
L L
目前 ,分布式发电技术所面临的一个重要问题 就是如何快速有效地进行孤岛检测。所谓“孤岛” 是指当电网供电因故障事故或停电维修而跳断时 , 用户端的分布式发电系统未能即时检测出孤岛状 态而将自身切离市电网络 ,形成由分布式发电系统
和周围的负载组成的一个自给供电的孤岛 [6 ]。分布 式发电系统的孤岛运行对电力设备及运行人员的 人身安全造成危害 ,并且影响供电质量 [7 ]。因此 ,并 网系统必须具有很强的反孤岛检测功能。
近年来 , 分布式发电技术在世界各国快速发 展。分布式发电技术不仅清洁环保、经济高效 ,而且 供电可靠 , 能提高整个电力系 统的稳定性和灵活 性 [1～ 3 ]。然而 , 分布式发电在给人们带来各种利益 的同时 ,也将面临巨大的技术挑战。分布式发电系 统与电网的并网运行 ,将使分布式发电系统本身以 及 电网的结构和运行方式都发生重大变化 [4, 5 ]。因 此 ,如何保证分布式并网发电系统的安全可靠运行 成为分布式发电技术研究的重要内容。
变化 ,如负荷吸收有功和无功、负荷电压等。
当电压和频率变化较大时 ,可以用传统的被动 式检测方法进行孤岛检测。当电压和频率变化较小
时 , 考虑到相关电量变化之比 Δf /ΔPL , 如频率变 化与负荷有功变化之比、频率变化与负荷电压变化
之比 Δf /ΔVL 等有可能会比较大 ,因此可以考虑根 据孤岛后的这些比值大小来判断孤岛的存在。
① 收稿日期: 2008-05-04; 修回日期: 2008-05-27
第 3期 曾 议等: 分布式发电系统孤岛检测技术
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被动式检测方法是指通过直接测量分布式发 电系统逆变器的输出功率的变化或 PCC处电压或 频率的变化来判断孤岛情况。依其参考电气参数的 不同 ,被动检测方法可分为过 / 欠电压、过 / 欠频 率 检测 法、 电 压谐 波 检 测法 、 相 位偏 移 检 测法 和 关 键电量变化率检测法 [11 ]。
作孤岛检测指标的方法在这种情况下仍然可行。
2 孤岛检测算法
由于分布式发电系统正常并网稳定运行时 , PCC 处的频率和本地负荷的电压基本不变 , 只有 在系统出现扰动 (如产生孤岛 ,本地负荷突变 ,电网 侧负荷突变 , 电网电压出现突然的波动等等 ) 时 , 频率和电压才会产生明显变化。因此可以分布式发 电系统的频率与并网系统稳定运行时的频率之差 的绝对值 |f - f 0|作为判断并网系统是处于稳定 状态还是出现扰动的判定指标。由于我国的市电频 率是 50 Hz,所以这里 f 0取 50 Hz。|f - f 0|≤ λ时 认为 系统处于稳定运 行状态 , 此时取 Δf /ΔVL 为 0(λ值一般很小 ) ;|f - f 0|时认为系统出现了扰 动 ,此时取 Δf /ΔVL 为其实际计算值 ,再与设定的 孤岛检测门槛值 T 相比较来判断系统产生了何种 扰动。如果 Δf /ΔVL 的计算值大于 T ,则认为产生 了孤岛 ; 小于 T 则认为系统出现的是其他扰动。
Islanding Detection Method for Distributed Generation Systems
ZEN G Yi, W U Zheng-qiu, L IU Yang -hua, LUO Jia n-zhong, GAN Lei , ZHAN G Chao ( College o f Elect ri cal a nd Inf o rm atio n Engi neeri ng , Hunan Univ ersit y, Changsha 410082, China)
=
ΔP ΔV PCC
=
3(ΔV PCC +
2VPCC ) /R
( 7)
Δf ΔV
L
=
3(ΔVPCC + R
2V PCC ) Δf ΔPL
( 8)
电压变化非常小时 ΔVPCC < < V PCC ,式 ( 8) 可
写成
Δf ΔV
L
≈
6V PC C R
Δf ΔPL
=
2P Δf VPCC ΔPL
( 9)
如果比值 2P /VPCC 大于 1,则由式 ( 9) 可以看 出 , 利 用 Δf /ΔV L 作 为 孤 岛 检 测 指 标 要 比 用 Δf /ΔP L 作为指标的灵敏度高。而根据实际电网运 行经验 , 2P /VPCC 是大于 1的。
式中: P、 Q 为逆变器输出有功和无功 ; PL、 QL 为本
地负荷吸收的有功和无功 ; ΔP、ΔQ 为不匹配有功
和无功 ; VPCC 为 PCC处的相电压。
孤岛产生后逆变器输出有功和无功保持不变 ,
逆变器输出的功率与本地负荷吸收功率达到平衡 ,
因此
P = P′L = 3V′P2CC /R
Q = Q′L = 3V′P2CC [ (k′L ) -1 - k′C ]
为了使分布式发电系统在发生孤岛后对本地
负荷的供电电能质量更高 ,可以采用电压和频率调
整反馈控制的方法 , 使孤岛后 PCC处电压和频率
变化尽可能的小。本文采用一种基于分布式发电系
统电压升降特性和频率偏移特性的电压和频率调
整 控制方法 [ 13]。该方法的原理是: 通过 PI控制 ,使
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电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 第 21卷
主动式检测方法无检测盲区 ,但是输出谐波较 大 ,且其控制算法较复杂 ,实际应用中难以实 现 [12 ]。传统的被动式检测方法虽然比较容易实现 , 但检测盲区较大。本文提出了一种新型被动式孤岛 检测方法。该方法利用孤岛后 PCC处频率变化与 本地负荷电压变化之比 Δ f /ΔV L 作为检测指标来 判断孤岛的存在。实验表明该方法可靠、有效。
国内外的专家学者提出了多种孤岛检测方法 , 这些方法分为主动式检测和被动式检测两类 [8 ]。
主动式检测方法是通过对分布式发电系统的
逆变器输出产生一个小的扰动 ,当分布式发电系统 与电网正常并网运行时 ,小扰动对系统不足以产生 影响 ; 当孤岛产生时 , 主动产生的小扰动将会造成 孤岛状态大的变化 [ 9]。即使在分布式发电系统输出 功率与负载需求功率完全匹配的情况下 , 也会通 过外部施加的扰动破坏系统平衡 ,造成系统电压、 频率明显变动 ,从而检测出“孤岛” 的存在 [10 ]。
1 被动式孤岛检测原理分析
被动式孤岛检测的关键是通过相关电量的变 化判断电网是否断电。对于图 1给出的分布式发电 系统并网运行结构图 ,本地负荷选用并联 RLC模 型 ,并网控制采用基于电压型逆变器正弦脉冲宽度 调制 ( si nusoidal pulse w idth mo dulatio n, SPW M ) 的 PQ控制法 ,对孤岛检测原理进行简单分析。
第22010卷9年第6月3期
电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 Pro ceeding s of the CSU -EPS A
V o l. 21 No. 3 Jun. 2009
分布式发电系统孤岛检测技术①
曾 议 , 吴政球 , 刘杨华 , 罗建中 , 干 磊 , 张 超
Abstract: Aiming a t the disadv antages of existing me tho ds, a new passiv e islanding detection alg o rithm is pro posed based on a na ly zing th e basic principle of isla nding detectio n. The v alue o fΔ f /ΔVL is rega rded as the detectio n index and the identifica tio n o f isla nding is realized by comparing the eva luated va lue with the giv en thr esho ld v alue. Simulatio n study with M A T L A B is do ne with co nsidering the impacts o f sev er al disturbances such as change of lo cal lo ad and vo ltag e sag of g rid o n islanding detectio n. The results sho w that the algo rithm is simple a nd feasible, fast and reliable , and the no n-detection zone is ve ry small. Key words: distributed g ene ration; g rid co nnectio n; inv erte r; islanding detectio n
逆变器输出有功与 PCC处频率、输出无功与 PCC
处电压有效值存在一定的下降型线性关系 ; 并网稳
态运行时由于大电网频率和电压变化不大 ,逆变器
的输出有功、无功基本不变 , 孤岛后频率和电压发
生变化 ,由于这种线性关系的存在 ,逆变器输出有
功、无功会自动调节来抑制频率和电压的变化 ,达
到电压和频率调整的效果 [14 ]。