分布式并网发电系统孤岛检测方法综述

周 林,代 璐,郭 珂,刘 强,傅 望

(重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆 400030)

提要:分布式发电系统并网运行时处于孤岛状态会对设备造成损坏,影响电力系统安全正常运行,严重时甚至可能会威肋到线路检修人员

的人身安全。因此,对分布式发电系统孤岛检测方法的研究具有现实意义。本文综述了分布式并网发电系统孤岛检测的基本方法,并对其进行分类,最后对该领域的研究方向作出了展望。

关键词:分布式发电;孤岛检测;非检测区

中图分类号:TM615 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2011)02-0008-02

Review of islanding detection methods for distributed generation

Z HO U Li n,DAI Lu,G UO Ke,LIU Qi ang,FU Wang

(State Key Laboratory of Power Trans missi on Equipment &Sys tem Security and New

Technol ogy,Chongqing Universi ty,Chongqing 400030,China)

Abs tract:Distri buted generation s ystem operate with grid in islanding condition will damage equipment,affect the safe and stable operati on of power s ys te m,even threaten the safety of line maintenance people.Therefore,studyi ng on di stributed generation system in is landing condi tion has practical significance.This paper presents an overvi ew of islanding detection methods for distributed generation s ys tems.The paper classi fies islandi ng detec tion methods.Finally,its s tudy direction i n the future i s also looked ahead.

K ey words :distributed generation;islanding detection;non-detection zone

收稿日期:2011-02-21

基金项目:1. 211工程 创新人才项目(S -09111)2.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室自主研究项目(2007D A10512709211)

作者简介:周 林(1961-),男,教授,博士生导师,主要从事电能质

量分析与控制和太阳能光伏发电方面的研究。

由于分布式系统大多采用可再生能源发电,可减少不可再生资源的消耗和环境污染。因此,分布式发电将在未来的电力系统中迅速发展。然而,分布式发电的并网运行带来了一些新的问题,其中最为严重的就是孤岛现象。

孤岛现象是指当电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时,系统未及时检测出孤岛状态,分布式电源仍然向周围的负载供电,此时将形成一个公共电网无法控制的自给供电网络 1 。由图1所示的孤岛系统原理电路图可见,当电网中断供电使得断路器断开时,分布式电源通过逆变器与RLC 本地负载就构成了一个运行的 孤岛 系统。

图1 孤岛系统原理电路图

而分布式系统处于孤岛运行将会对用户的设备和检修人员的人身安全带来损害 2 。因此,从用电安全与用电质量方面考虑,孤岛检测问题的研究具有重要的现实意义。所谓孤岛检测就是当分布式发电系统处于孤岛运行状态时,能及时有效地将其检测出来,并将逆变器从公共点(PCC 点)断开,以阻止分布式电源继续向本地负载输送功率。

本文主要介绍孤岛检测的本地技术法,将其详细分类,并对该领域的研究方向作出了展望。

1 无源孤岛检测法

无源孤岛检测法是最初使用的孤岛检测方法。该方法

通过监测公共耦合点电压的参数(如:幅值、频率、谐波等)是否超过设定的阈值来判断孤岛是否发生。若监测的参数超过了设定的阈值,则说明发生孤岛现象,此时应控制逆变器使其停止运行。否则,说明没有发生孤岛现象。

无源法的主要特点有以下几点:阈值是无源法检测的关键,设置时应该特别注意,因为阈值设置过大可能导致无法检测出孤岛,设置过小可能导致孤岛的误判:无源法一般通过直接监测参数来判断孤岛状态,不需添加扰动,因此检测

速度快;由于无需扰动,不需要增加额外的硬件电路或者的保护继电器,因此不影响电能输出质量:在多台逆变器的情况下,其检测效率不会降低:该方法只在分布式系统输出功率和负载功率不匹配度较大时有效,当分布式系统输出功率和负载功率匹配时,其存在较大的非检测区域(non-detection zone,NDZ) 3 。1.1 基本参数测量法

该类方法通过检测电压、频率等参数来判断是否发生孤岛,主要分为以下三种方法:过/欠压和过/欠频检测法(Over/under voltage and over/underfrequency method,OUV/OUF) 4 、相

位突跳检测法(Phase jump detection,PJD ) 5

、谐波检测法

(Harmonics detection,HD) 6

。1.2 参数变化率检测法

该类方法通过检测功率、频率等参数的变化率,来判断是否发生孤岛。该类方法的共同的特点是,灵敏性较高,且当功率不匹配程度较高时,该方法可靠性较高;若DG 的容量和对应的本地负载相匹配时,该方法将会失效。参数变化率检测法主要有四种:输出功率变化率法(Rate of change of

output power,ROC OP) 7

、频率变化率检测法(Rate of change of

frequency,ROCOF) 8

、频率变化和功率变化之比检测法(Rate of change of frequency over power,ROCOFOP) 9 、频率变化和负

荷电压变化之比检测法 10

。

2 有源孤岛检测法

有源检测法通过在逆变器输出的电流、电压或频率中注入扰动信号;然后监视其响应,来判断孤岛的发生 11 。

有源法具有以下特点;当分布式电源输出功率与负载所需功率匹配时,有源法仍能检测出孤岛,与无源法相比,其检测效率明显提高,非检测区域较小;由于引入了扰动,势必会对电能质量产生影响;控制算法过于复杂或使得输出谐波较大;在多逆变器的情况下,注入的扰动信号可能相互抵消,检测效率会有所下降。

2.1 对逆变器输出电流幅值进行扰动

该类方法就是对逆变器输出电流的幅值引入扰动,从而判断孤岛。该类方法包括以下三种方法:阻抗测量法

(Impedance moni toring ,IM ) 12-13

、主动频率偏移法(Active

frequency drift,AFD ) 14

、正反馈主动频率偏移法(Active frequency drift with positive feedback,AFDPF ) 15 。其中主动频率偏移法应用最为广泛,文献 16-20 对其进行了改进。2.2 对逆变器输出电流进行相位扰动

该类方法即是对逆变器输出电流的相位进行扰动,从而判断出孤岛。主要包括以下两种方法:滑模频率漂移法(Slide-mode freq uency shift,SMS) 14 、自动相位偏移(Automatic

phase-shi ft,APS) 21

。

8

周 林等:分布式并网发电系统孤岛检测方法综述 激光杂志 2011年第32卷第2期 LASER J OURNAL(Vol.32.No.2.2011)

该类方法即是对逆变器输出电压的幅值进行扰动,从而判断出孤岛。该类方法主要有Sandia电压偏移法(Sandia voltage shift,SVS) 22 。

3 混合法

由于无源法与有源法各有优缺点,最近有文献提出将有源法和无源法结合起来的方法,称为混合法。文献 23,24 结合正反馈技术(posi tive feedback,PF)和总谐波失真检测法(voltage unbalance and total harmonic dis tortion,VU/THD)原理提出一种混合孤岛检测法。文献 25 提出一种结合电压平均变化率和有功偏移的混合孤岛检测方法,能够克服有源法和无源法的不足。

4 结语

本文对现有的孤岛检测方法进行了详细的分类。然而各种孤岛检测方法都有自己的优点同时又不可避免的存在缺点,由于分布式并网发电孤岛检测方法的发展不很完善,其技术手段尚未完全成熟,因此其孤岛检测方法具有广泛的研究前景和发展空间。

4.1 选择孤岛检测方法时应考虑的问题

在孤岛检测方法的选择上,除了需要考虑各种方法本身的优缺点外,还需要考虑多种不同的因素:检测方法实现的难易程度、经济程度、检测速度和精度以及NDZ等。

对于不同的检测方法需要采集不同的信号进行控制,例如电压和电流的幅值、相位和频率等信号。通常情况下测量电压要比测量电流更加容易,并且电压传感器要比电流传感器便宜。

非检测区域是衡量一种检测方法的重要指标,目前对孤岛非检测区可有多种描述方法 26 ,不同的描述方法具有各自不同的特点或者适用对象。 P Q空间可用来对无源孤岛检测方法进行定量描述。L C n orm空间是一种基于具体负载参数的坐标空间方法,可准确地评估有源孤岛检测方法。Q f f res空间可以针对最坏情况的负载进行分析。Q f

f res空间可直观反映出NDZ与负载参数间的对应关系。

4.2 向多机并联情况下研究发展

目前分布式系统的反孤岛研究主要集中于针对单台逆变器的检测算法与参数优化 27 。当采用有源检测法加入扰动检测时,对于多台逆变器来说可能扰动不同步,产生相互作用,而使有效性降低。如AFD与AFDPF法均通过对逆变器输出电流频率产生扰动来实现孤岛检测,在单台逆变器下能正常工作,但是在多机并联工作情况下这些方法在一定程度上会相互影响,孤岛检测性能甚至发生变化。文献 28 深入分析了AFD及AFDPF在多机并联工作模式下的相互影响及孤岛检测盲区变化规律。

随着分布式系统的发展,系统中多台逆变器并联将成为一大发展趋势,多机并联工作模式下的孤岛检测将受到越来越多的关注。

4.3 多种检测方法的有机结合

由于各种检测方法均存在着一定的缺点或者局限性,因此对各种方法有机结合则可以扬长避短,充分发挥各种方法的优点。

当孤岛发生瞬间分布式发电系统所带负载有功功率变化不大时,其端电压相位偏移量很小,检测装置无法区分孤岛与非孤岛,仅靠检测相位偏移不能解决灵敏度和误动的矛盾。因此,文献 29 提出一种基于相位偏移的复合型孤岛检测新方法,该方法设置2个电压相位偏移阈值,大定值用于孤岛时分布式发电机(DG)和负载有功功率不匹配程度较大时的情况,而小定值用于孤岛时有功功率不匹配程度较小时的情况,同时将频率变化作为检测量,与相位偏移相结合组成复合判据,判断DG是否处于孤岛状态。在保证可靠性的前提下,可以提高孤岛检测装置的灵敏度。

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