幾種常見的孤島檢測方法

1、幾種常見的孤島檢測方法    摘要：    關(guān)鍵詞：     孤島是指當(dāng)電網(wǎng)由于電器故障、誤操作或自然因素等原因中斷供電時，發(fā)電系統(tǒng)未能及時檢測出停電狀態(tài)并脫離電網(wǎng)，使發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負(fù)載組成一個電力公司無法控制的自供給供電系統(tǒng)。發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行時如果處于孤島狀態(tài)將會對設(shè)備造成損壞，影響電力系統(tǒng)安全正常運行，嚴(yán)重時甚至可能威脅線路檢修人員的人身安全。因此，研究孤島檢測方法及保護(hù)措施，將孤島產(chǎn)生的危害降低到最小，具有重要的現(xiàn)實意義。1分布式同步發(fā)電機孤島的本地檢測1.1

2、0; 基于頻率的無源孤島檢測方法分布式發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，頻率基本不變。當(dāng)孤島形成時，電源與負(fù)載之間可能存在嚴(yán)重的功率失衡，系統(tǒng)的頻率會發(fā)生變化，因此可通過測量頻率偏差和變化速率探測孤島?；陬l率檢測的繼電器可分為：頻率繼電器、頻率變化率繼電器(Rate of Change of Frequency，ROCOF)和相位突變繼電器(Vector Surge Relay，VSR)。頻率繼電器測量DG端電壓的頻率，根據(jù)頻率是否高于或低于頻率閾值來檢測孤島。當(dāng)孤島中有多個分布式發(fā)電機時，頻率繼電器可能互相干擾，影響其它繼電器測量準(zhǔn)確性；該方法NDZ很大，如果孤島中負(fù)荷功率缺額低于10%-30%

3、，則不能有效地檢測到孤島。ROCOF測量發(fā)電設(shè)備的頻率變化率。頻率變化率的閾值一般整定在0.10 Hz/s-1.20 Hz/s之間。ROCOF的一個重要特性是具有最小電壓閉鎖功能，如果電壓低于，ROCOF輸出的跳閘信號將被閉鎖，可避免當(dāng)發(fā)電機處于啟動或短路時，ROCOF受到干擾信號的激勵而誤動作。三種繼電器中ROCOF非檢測區(qū)最小，靈敏度最高，但也最容易產(chǎn)生誤動作。VSR檢測發(fā)電機端電壓波形與參考電壓波形之間的相角偏移。此方法也可通過測量頻率來間接實現(xiàn)。1.2  阻抗測量孤島檢測阻抗測量孤島檢測法是當(dāng)分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并網(wǎng)時，發(fā)電機端的等效阻抗很小，而當(dāng)孤島時等效阻抗很大，通過檢測

4、電阻的變化就能檢測到系統(tǒng)是否處于孤島狀態(tài)。由于等效電阻值相差很大，所以不需要測量精確的阻抗值。孤島時，功率不平衡大小不會影響孤島檢測。當(dāng)系統(tǒng)有多個分布式發(fā)電機時，注入的各干擾信號可能相互沖突，影響阻抗的測量；成本也是一個考慮的因素，因為該方法需要在每個分布式發(fā)電機側(cè)安裝一個專用的干擾信號發(fā)生器；另外，某些負(fù)荷的頻率響應(yīng)可能正好將此干擾信號濾除掉，而不能產(chǎn)生相應(yīng)的電壓和電流響應(yīng)。2. 逆變器本地孤島檢測方法2.1  電壓相位突變孤島檢測電壓相位突變孤島檢測(Phase Jump Detection，PJD)是監(jiān)測逆變器輸出端電壓和電流之間相位是否發(fā)生突變，若發(fā)生突變且超過設(shè)定閾值，則可

5、以檢測到孤島。正常工作時，電流源型逆變器檢測電壓過零點，使輸出電流波形(通常由鎖相環(huán)來完成)與系統(tǒng)電壓同步，如圖2-1所示。電壓源型逆變器正好相反。 圖2-1  相位突變孤島檢測原理圖對于電流源型逆變器，與電網(wǎng)斷開后，逆變器端電壓不再被電網(wǎng)電壓所固定，而逆變器的電流由于PLL的作用是固定的，只有在過零點時輸出電流和端電壓是同步的。在過零點之間，逆變器工作在開環(huán)狀態(tài)，由于電流頻率沒有發(fā)生變化，負(fù)載相位必然與電網(wǎng)斷開前相同，因此電壓必須跳到新的相位。在下一個過零點，“新”電壓和逆變器輸出電流之間的相位差即可用來檢測孤島。此方法的優(yōu)點是易于實現(xiàn)，只需要檢測逆變器輸出電流和端電壓的

6、相位誤差，若超過閾值則關(guān)斷逆變器。既不影響電能質(zhì)量也不影響系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)。而且對于具有多臺逆變器的DG系統(tǒng)，孤島檢測的效果也不會減弱。缺點是PJD很難提供可靠的孤島檢測閾值。某些負(fù)荷啟動時，尤其是電動機，可能會產(chǎn)生大幅度瞬間相位突變，閾值過低將會導(dǎo)致逆變器誤動作。2.2  滑模頻率漂移(SMS)滑模頻率漂移檢測方法是一種利用正反饋檢測孤島的方法。正常情況下，逆變器相角響應(yīng)曲線設(shè)計在系統(tǒng)頻率附近范圍內(nèi)，單位功率因數(shù)時逆變器相角比RLC負(fù)載增加得快。當(dāng)逆變器與配電網(wǎng)并列運行時，配電網(wǎng)通過提供固定的參考相角和頻率，使逆變器工作點穩(wěn)定在工頻。當(dāng)孤島形成后，如果逆變器輸出電壓頻率有微小波動，根

7、據(jù)正反饋機理，逆變器的S型相位響應(yīng)曲線會使相位誤差增加，到達(dá)一個新的穩(wěn)定狀態(tài)點。新狀態(tài)點的頻率必會超出OFR/UFR動作閾值，逆變器因頻率誤差而關(guān)閉。理論和實驗都表明此檢測方法具有很高的孤島檢測效率，NDZ很小。但反饋環(huán)中有非常高的穿透率和高增益，可能會影響系統(tǒng)電能質(zhì)量和暫態(tài)響應(yīng)。2.3  有源頻率偏移(AFD)應(yīng)用微處理控制器的逆變器很容易實現(xiàn)AFD。該方法的檢測原理如圖2-2所示。圖2-2  AFD法逆變電源輸出電流波形圖中是系統(tǒng)電壓周期，T是逆變器輸出電壓周期。因逆變器的輸出電流波形有少量畸變，前半周，逆變器輸出電流的頻率稍高于系統(tǒng)電壓頻率，逆變器輸出電流先到零，并且

8、在電壓波形到達(dá)零之前的時間里一直保持為零。后半周，逆變器輸出電流又先到零，并且一直保持到系統(tǒng)電壓到零。孤島時，若此電流加到阻性負(fù)載上，其電壓響應(yīng)會跟隨這種失真電流波形并且在更短的時間內(nèi)()到達(dá)零點，從而引起輸出電壓和電流之間的相位誤差。逆變器為消除相位誤差會增加輸出電流的頻率，導(dǎo)致阻性負(fù)載電壓響應(yīng)的過零點與預(yù)期相比更提前了。逆變器會繼續(xù)檢測相位誤差并再次增加電流頻率，直到頻率偏移足夠大，能夠被OFR/UFR檢測到為止。頻率偏移檢測法會降低逆變器輸出電能的質(zhì)量。另外，當(dāng)存在多個逆變器時，所有逆變器必須統(tǒng)一頻率偏移的方向。如果頻率偏移方向不一致，其輸出會相互抵消，降低孤島檢測效率。2.4 

9、; Sandia頻率漂移孤島檢測法(SFS)SFS是頻率偏移方法的擴展，是對逆變器輸出電壓應(yīng)用正反饋的孤島檢測方法。為實現(xiàn)正反饋，斬波系數(shù)定義為：(2-1)式中為無頻率誤差時的斬波系數(shù)；k為加速增益；為逆變器輸出電壓的測量頻率；為工頻。實際應(yīng)用中也可采用其它頻率誤差函數(shù)，某些分段線性函數(shù)已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用。正常情況下，電網(wǎng)的穩(wěn)定性阻止頻率的變化。孤島形成后增加，頻率誤差也隨之增加，增加，逆變電源也增加其自身頻率，達(dá)到OFR的動作閾值為止。反之如果減小，根據(jù)正反饋，最后變?yōu)樨?fù)數(shù)，代表逆變器輸出電流的周期大于輸出電壓周期。此方法具有很小的NDZ。但當(dāng)逆變器與配電網(wǎng)相連時，正反饋放大的頻率變化會使

10、逆變器輸出的電能質(zhì)量輕微下降。與弱電網(wǎng)連接時，能影響系統(tǒng)的暫態(tài)響     應(yīng)。這些問題可以通過降低增益k來調(diào)節(jié)，但同時會增加NDZ。2.5  Sandia電壓漂移孤島檢測法(SVS) SVS對逆變器輸出電壓的幅值變化應(yīng)用正反饋。如果輸出電壓降低，逆變器將減小輸出電流和功率36。正常情況時，逆變器輸出功率的減小對整個系統(tǒng)影響很小或者沒有。當(dāng)孤島發(fā)生后，逆變器輸出電壓下降時，輸出功率也下降而引起電流減小。根據(jù)歐姆定律此電流與RLC負(fù)載阻抗相乘得到的逆變器輸出電壓也將進(jìn)一步減小，而輸出電壓的減小又將導(dǎo)致逆變器輸出電流進(jìn)一步減小，最終，UVR可以檢測到

11、電壓降低信號。反之則將引起OVR的動作。對帶有微控制器的逆變電源，此方法易于實現(xiàn)。SVS通常與SFS結(jié)合使用，具有很高的效率，NDZ非常小。但SVS會使輸出電能質(zhì)量降低，引起系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)。2.6  頻率突變孤島檢測法(FJ) 頻率突變孤島檢測法是對AFD的修改，與阻抗測量法相類似。FJ檢測法在輸出電流波形(但并不是每個周期)中加入了死區(qū)。頻率按預(yù)先設(shè)置的模式振動。例如，在第三個周期加入死區(qū)。正常情況下，逆變器電流引起頻率突變，但是電網(wǎng)阻止其波動。孤島形成后，F(xiàn)J通過對頻率加入偏差，檢測逆變器輸出電壓頻率的振動模式是否符合預(yù)先設(shè)定的震動模式來檢測孤島。此檢測方法的優(yōu)點是如果模式足夠成熟

12、，當(dāng)使用單臺逆變器時，F(xiàn)J防止孤島是有效的。但在多逆變器情況下，如果頻率偏移不同向，會降低孤島檢測效率。3. 兩種衍生的正反饋孤島檢測法3.1  正反饋有源頻率偏移檢測法(AFDPF)有源頻率偏移檢測法就是通過在逆變器的輸出電流上每周期加入一個死區(qū)時間，使輸出電流頻率有一個偏移，則根據(jù)輸出端電壓關(guān)系，其中是檢測到兩次電網(wǎng)電壓過零點的時間間隔，以便在每個周期與電網(wǎng)同步。在逆變電源側(cè)的輸出電壓和電流的相位差為。孤島發(fā)生時，為了達(dá)到負(fù)載RLC電路的諧振頻率以及相角差，逆變器的輸出頻率將持續(xù)增加或減少，直至達(dá)到高/低頻率繼電器所設(shè)定的閾值。此方法適用于大多數(shù)的RLC負(fù)載，但是當(dāng)變化的頻率造成

13、的相位差恰好與孤島時負(fù)載RLC電路的相位差相等時，此檢測法失效。也就是說，RLC負(fù)載的諧振頻率滿足公式(3-1)。              (3-1)但此時頻率仍然在OFR/UFR繼電器的額定值范圍內(nèi)，即負(fù)載在非檢測區(qū)NDZ內(nèi)。式中稱為偏移因子(Chopping Fraction，CF)可以看出CF越小，非檢測區(qū)NDZ越大。為避免這種情況，可采用正反饋的有源頻率偏移檢測法(Active Frequency Drift with Positive Feedback，AFDPF)。其工作原理是引入正反饋算法以減小AFD非檢測區(qū)

14、的范圍，縮短響應(yīng)時間。該算法用正反饋加劇頻率偏移的正常值，如公式(3-2)。 (3-2)式中為前一周期偏移因子，為兩個周期的頻率差，為頻率增量的正反饋函數(shù)。該方法與有源頻率偏移相比不僅能加速頻率的偏移，而且在頻率變化為負(fù)值的情況下可以減小CF，也就意味著在相同的CF下，根據(jù)公式(3-2)，非檢測區(qū)減小。當(dāng)多臺有AFDPF算法的逆變器并聯(lián)時，正反饋的作用將更為顯著。AFDPF算法的關(guān)鍵是正確選擇正反饋函數(shù)F，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上加劇頻率偏移。3.2  自動移相APS(automatic phase shift)滑模頻率漂移SMS孤島檢測法，其工作原理是將輸出電流的參考電壓的相位平移，

15、即： (3-3)該相角是頻率的正弦函數(shù)，其關(guān)系式為： (3-4)在圖3-1中，斜線為負(fù)載相頻特性曲線。在一定負(fù)載條件下，輸出電流電壓相差與頻率成正比。圖3-1  逆變器SMS相頻曲線和負(fù)載相頻曲線關(guān)系圖當(dāng)并網(wǎng)運行時，逆變器輸出頻率為50 Hz，輸出電流電壓相位差為0。當(dāng)電網(wǎng)斷開后，如果頻率有微小的增加或減小，輸出電流跟隨給定電壓相角偏移則按SMS曲線，而負(fù)載特性決定了相角和頻率只能成比例增加/減少。因此，只有在A、B兩點系統(tǒng)才能達(dá)到新的平衡。在此過程中，如果頻率的變化超過OFR/UFR繼電器閾值范圍，則孤島能被檢測出。如果在達(dá)到平衡過程中以及在新的平衡點處，滿足公式(3-5)： (3-5)頻率在繼電器允許范圍內(nèi)，則系統(tǒng)進(jìn)入非檢測區(qū)?；谠谶@種檢測方法的基礎(chǔ)之上，發(fā)展了APS自動移相檢測方法。這里引入?yún)⒖茧妷旱南嘁?，其與角度的關(guān)系式為：(3-6)該相差是頻率變化的符號函數(shù)： (3-7)  (3-8)當(dāng)孤島發(fā)生時，如穩(wěn)態(tài)頻率有一個微小的增加，則就會有一個額外的相角增量，這將打破系統(tǒng)的平衡點。在達(dá)到新的平衡點過程中，由于負(fù)載相角與頻率成正比，系統(tǒng)輸出的電流為了保持和電壓的相角差，則需不斷增大f。根據(jù)公式(3-8)，為正，則隨周期增大，又據(jù)公式(3-6)，增大的相角又導(dǎo)致f進(jìn)一步增大，因此形成正反饋。當(dāng)