几种常见的孤岛检测方法

摘　要：

关键词：

　　孤岛是指当电网由于电器故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，发电系统未能及时检测出停电状态并脱离电网，使发电系统和周围的负载组成一个电力公司无法控制的自供给供电系统。发电系统并网运行时如果处于孤岛状态将会对设备造成损坏，影响电力系统安全正常运行，严重时甚至可能威胁线路检修人员的人身安全。因此，研究孤岛检测方法及保护措施，将孤岛产生的危害降低到最小，具有重要的现实意义。
1．分布式同步发电机孤岛的本地检测
1.1  基于频率的无源孤岛检测方法
　　分布式发电系统与大电网并网运行时，频率基本不变。当孤岛形成时，电源与负载之间可能存在严重的功率失衡，系统的频率会发生变化，因此可通过测量频率偏差和变化速率探测孤岛。基于频率检测的继电器可分为：频率继电器、频率变化率继电器(Rate of Change of Frequency，ROCOF)和相位突变继电器(Vector Surge Relay，VSR)。
　　频率继电器测量DG端电压的频率，根据频率是否高于或低于频率阈值来检测孤岛。当孤岛中有多个分布式发电机时，频率继电器可能互相干扰，影响其它继电器测量准确性；该方法NDZ很大，如果孤岛中负荷功率缺额低于10%-30%，则不能有效地检测到孤岛。
　　ROCOF测量发电设备的频率变化率。频率变化率的阈值一般整定在0.10 Hz/s-1.20 Hz/s之间。ROCOF的一个重要特性是具有最小电压闭锁功能，如果电压低于，ROCOF输出的跳闸信号将被闭锁，可避免当发电机处于启动或短路时，ROCOF受到干扰信号的激励而误动作。三种继电器中ROCOF非检测区最小，灵敏度最高，但也最容易产生误动作。VSR检测发电机端电压波形与参考电压波形之间的相角偏移。此方法也可通过测量频率来间接实现。
1.2  阻抗测量孤岛检测
　　阻抗测量孤岛检测法是当分布式发电系统与电网并网时，发电机端的等效阻抗很小，而当孤岛时等效阻抗很大，通过检测电阻的变化就能检测到系统是否处于孤岛状态。由于等效电阻值相差很大，所以不需要测量精确的阻抗值。孤岛时，功率不平衡大小不会影响孤岛检测。当系统有多个分布式发电机时，注入的各干扰信号可能相互冲突，影响阻抗的测量；成本也是一个考虑的因素，因为该方法需要在每个分布式发电机侧安装一个专用的干扰信号发生器；另外，某些负荷的频率响应可能正好将此干扰信号滤除掉，而不能产生相应的电压和电流响应。
2. 逆变器本地孤岛检测方法
2.1  电压相位突变孤岛检测
　　电压相位突变孤岛检测(Phase Jump Detection，PJD)是监测逆变器输出端电压和电流之间相位是否发生突变，若发生突变且超过设定阈值，则可以检测到孤岛。正常工作时，电流源型逆变器检测电压过零点，使输出电流波形(通常由锁相环来完成)与系统电压同步，如图2-1所示。电压源型逆变器正好相反。

 

图2-1  相位突变孤岛检测原理图
　　对于电流源型逆变器，与电网断开后，逆变器端电压不再被电网电压所固定，而逆变器的电流由于PLL的作用是固定的，只有在过零点时输出电流和端电压是同步的。在过零点之间，逆变器工作在开环状态，由于电流频率没有发生变化，负载相位必然与电网断开前相同，因此电压必须跳到新的相位。在下一个过零点，“新”电压和逆变器输出电流之间的相位差即可用来检测孤岛。此方法的优点是易于实现，只需要检测逆变器输出电流和端电压的相位误差，若超过阈值则关断逆变器。既不影响电能质量也不影响系统的暂态响应。而且对于具有多台逆变器的DG系统，孤岛检测的效果也不会减弱。缺点是PJD很难提供可靠的孤岛检测阈值。某些负荷启动时，尤其是电动机，可能会产生大幅度瞬间相位突变，阈值过低将会导致逆变器误动作。
2.2  滑模频率漂移(SMS)
　　滑模频率漂移检测方法是一种利用正反馈检测孤岛的方法。正常情况下，逆变器相角响应曲线设计在系统频率附近范围内，单位功率因数时逆变器相角比RLC负载增加得快。当逆变器与配电网并列运行时，配电网通过提供固定的参考相角和频率，使逆变器工作点稳定在工频。当孤岛形成后，如果逆变器输出电压频率有微小波动，根据正反馈机理，逆变器的S型相位响应曲线会使相位误差增加，到达一个新的稳定状态点。新状态点的频率必会超出OFR/UFR动作阈值，逆变器因频率误差而关闭。
　　理论和实验都表明此检测方法具有很高的孤岛检测效率，NDZ很小。但反馈环中有非常高的穿透率和高增益，可能会影响系统电能质量和暂态响应。
2.3  有源频率偏移(AFD)
　　应用微处理控制器的逆变器很容易实现AFD。该方法的检测原理如图2-2所示。

图2-2  AFD法逆变电源输出电流波形
　　图中是系统电压周期，T是逆变器输出电压周期。因逆变器的输出电流波形有少量畸变，前半周，逆变器输出电流的频率稍高于系统电压频率，逆变器输出电流先到零，并且在电压波形到达零之前的时间里一直保持为零。后半周，逆变器输出电流又先到零，并且一直保持到系统电压到零。孤岛时，若此电流加到阻性负载上，其电压响应会跟随这种失真电流波形并且在更短的时间内()到达零点，从而引起输出电压和电流之间的相位误差。逆变器为消除相位误差会增加输出电流的频率，导致阻性负载电压响应的过零点与预期相比更提前了。逆变器会继续检测相位误差并再次增加电流频率，直到频率偏移足够大，能够被OFR/UFR检测到为止。频率偏移检测法会降低逆变器输出电能的质量。另外，当存在多个逆变器时，所有逆变器必须统一频率偏移的方向。如果频率偏移方向不一致，其输出会相互抵消，降低孤岛检测效率。
2.4  Sandia频率漂移孤岛检测法(SFS)
　　SFS是频率偏移方法的扩展，是对逆变器输出电压应用正反馈的孤岛检测方法。为实现正反馈，斩波系数定义为：(2-1)
式中为无频率误差时的斩波系数；k为加速增益；为逆变器输出电压的测量频率；为工频。实际应用中也可采用其它频率误差函数，某些分段线性函数已经得到了成功的应用。正常情况下，电网的稳定性阻止频率的变化。孤岛形成后增加，频率误差也随之增加，增加，逆变电源也增加其自身频率，达到OFR的动作阈值为止。反之如果减小，根据正反馈，最后变为负数，代表逆变器输出电流的周期大于输出电压周期。
　　此方法具有很小的NDZ。但当逆变器与配电网相连时，正反馈放大的频率变化会使逆变器输出的电能质量轻微下降。与弱电网连接时，能影响系统的暂态响 应。这些问题可以通过降低增益k来调节，但同时会增加NDZ。
2.5  Sandia电压漂移孤岛检测法(SVS)
　　SVS对逆变器输出电压的幅值变化应用正反馈。如果输出电压降低，逆变器将减小输出电流和功率[36]。正常情况时，逆变器输出功率的减小对整个系统影响很小或者没有。当孤岛发生后，逆变器输出电压下降时，输出功率也下降而引起电流减小。根据欧姆定律此电流与RLC负载阻抗相乘得到的逆变器输出电压也将进一步减小，而输出电压的减小又将导致逆变器输出电流进一步减小，最终，UVR可以检测到电压降低信号。反之则将引起OVR的动作。
　　对带有微控制器的逆变电源，此方法易于实现。SVS通常与SFS结合使用，具有很高的效率，NDZ非常小。但SVS会使输出电能质量降低，引起系统暂态响应。
2.6  频率突变孤岛检测法(FJ)
　　频率突变孤岛检测法是对AFD的修改，与阻抗测量法相类似。FJ检测法在输出电流波形(但并不是每个周期)中加入了死区。频率按预先设置的模式振动。例如，在第三个周期加入死区。正常情况下，逆变器电流引起频率突变，但是电网阻止其波动。孤岛形成后，FJ通过对频率加入偏差，检测逆变器输出电压频率的振动模式是否符合预先设定的震动模式来检测孤岛。此检测方法的优点是如果模式足够成熟，当使用单台逆变器时，FJ防止孤岛是有效的。但在多逆变器情况下，如果频率偏移不同向，会降低孤岛检测效率。
3. 两种衍生的正反馈孤岛检测法
3.1  正反馈有源频率偏移检测法(AFDPF)
　　有源频率偏移检测法就是通过在逆变器的输出电流上每周期加入一个死区时间，使输出电流频率有一个偏移，则根据输出端电压关系，其中是检测到两次电网电压过零点的时间间隔，以便在每个周期与电网同步。在逆变电源侧的输出电压和电流的相位差为。孤岛发生时，为了达到负载RLC电路的谐振频率以及相角差，逆变器的输出频率将持续增加或减少，直至达到高/低频率继电器所设定的阈值。此方法适用于大多数的RLC负载，但是当变化的频率造成的相位差恰好与孤岛时负载RLC电路的相位差相等时，此检测法失效。也就是说，RLC负载的谐振频率满足公式(3-1)。
              (3-1)
　　但此时频率仍然在OFR/UFR继电器的额定值范围内，即负载在非检测区NDZ内。式中称为偏移因子(Chopping Fraction，CF)可以看出CF越小，非检测区NDZ越大。为避免这种情况，可采用正反馈的有源频率偏移检测法(Active Frequency Drift with Positive Feedback，AFDPF)。其工作原理是引入正反馈算法以减小AFD非检测区的范围，缩短响应时间。该算法用正反馈加剧频率偏移的正常值，如公式(3-2)。 (3-2)
式中为前一周期偏移因子，为两个周期的频率差，为频率增量的正反馈函数。
　　该方法与有源频率偏移相比不仅能加速频率的偏移，而且在频率变化为负值的情况下可以减小CF，也就意味着在相同的CF下，根据公式(3-2)，非检测区减小。当多台有AFDPF算法的逆变器并联时，正反馈的作用将更为显著。AFDPF算法的关键是正确选择正反馈函数F，在保证系统稳定的基础上加剧频率偏移。
3.2  自动移相APS(automatic phase shift)
　　滑模频率漂移SMS孤岛检测法，其工作原理是将输出电流的参考电压的相位平移，即： (3-3)
该相角是频率的正弦函数，其关系式为： (3-4)
　　在图3-1中，斜线为负载相频特性曲线。在一定负载条件下，输出电流电压相差与频率成正比。

　　图3-1  逆变器SMS相频曲线和负载相频曲线关系图
　　当并网运行时，逆变器输出频率为50 Hz，输出电流电压相位差为0。当电网断开后，如果频率有微小的增加或减小，输出电流跟随给定电压相角偏移则按SMS曲线，而负载特性决定了相角和频率只能成比例增加/减少。因此，只有在A、B两点系统才能达到新的平衡。在此过程中，如果频率的变化超过OFR/UFR继电器阈值范围，则孤岛能被检测出。
　　如果在达到平衡过程中以及在新的平衡点处，满足公式(3-5)： (3-5)
频率在继电器允许范围内，则系统进入非检测区。基于在这种检测方法的基础之上，发展了APS自动移相检测方法。这里引入参考电压的相移，其与角度的关系式为：(3-6)
该相差是频率变化的符号函数：

 (3-7)

 

(3-8)
　　当孤岛发生时，如稳态频率有一个微小的增加，则就会有一个额外的相角增量，这将打破系统的平衡点。在达到新的平衡点过程中，由于负载相角与频率成正比，系统输出的电流为了保持和电压的相角差，则需不断增大f。根据公式(3-8)，为正，则随周期增大，又据公式(3-6)，增大的相角又导致f进一步增大，因此形成正反馈。当频率最终超过继电器OFR的动作阈值时，孤岛能被检测出。反之，当稳态频率有微小减小，最终超过继电器UFR的动作阈值时，孤岛能被检测出。
4. 本章小结
　　本章详细的阐述了目前分布式发电系统的孤岛检测方法。详细介绍了分布式同步发电机孤岛本地检测以及基于逆变器的分布式发电系统本地孤岛检测和两种衍生的基于正反馈的逆变器孤岛检测法，并比较了各种方法的优缺点和非检测区的大小。基于逆变器的分布式发电系统的本地孤岛检测具有很大的发展前景，因其采用的分布式电源是绿色环保电源，因此与之相伴的孤岛检测技术也必将得到长足发展。

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