论文部分内容阅读
【摘要】孤岛检测作为电网运行状态转变的一个必要检测环节，在较大程度上限制了分布式发电系统的发展，引起越来越多的研究人员关注。本文从被动检测法入手，提出了一种有效减小盲区的孤岛检测方法。该方法采用公共耦合点PCC处相位变化与电压变化的比值作为检测标准，不仅具有低成本、易实现的优点，而且与传统的检测方案相结合，进行多重判断，具有很高的可靠性。本文用Matlab/Simulink进行仿真实验，结果表明该方法不仅有效减小了盲区，并且在负载突变的情况下不会误判，抗干扰性强，比传统被动法更加快速、有效。
【关键词】孤岛；被动检测法；盲区；分布式光伏发电系统；并网发电
1.前言
太阳能光伏发电是将太阳能电池组件产生的不稳定的直流电，通过逆变器等元件转换成交流电，直接供给用户（离网光伏发电系统）或者与电网并网给用户供电（光伏并网发电系统）。光伏发电系统PV（Photovoltaic Power Generation System）主要是以和大电网并联的形式出现，与大电网同时给负载供电。PV可以等效为电流源，大电网可以等效为电压源。系统正常工作时，PV的电压受大电网钳制，PV的电压总与大电网保持一致。因此，当大电网由于某种原因停电时，PV就处于单独供电的情况，不再受大电网的控制，处于失控状态，我们把这种现象叫做孤岛效应。
孤岛的危害[1-2]：
（1）此时，逆变器处于失控状态，若系统参数超出正常阈值范围，可能导致用电设备损坏。
（2）给电力维修人员和用户的人身安全造成严重的威胁。
（3）当逆变器的容量小于负载的容量时，逆变器由于过载运行而易被烧毁。
（4）在大电网恢复供电时（逆变器再次并网运行），可能会导致与电网相位不同步。
2.有效减小盲区的孤岛检测方法
光伏并网发电系统结构如图1所示，由光伏发电系统、负载、大电网（AC）组成[3-4]，由太阳能产生的直流电（DC）经过逆变器、LC滤波器转变成220伏交流电，同大电网一起供给负载（Load）。其中，、为PV输出的有功和无功，、为负载消耗的有功和无功，、为电网端消耗或者输出的有功和无功，PCC（Point of Common Coupling）为公共耦合点，该点电压为。
孤岛检测的难点在于如何在负载和逆变器输出功率平衡时快速检测出孤岛。当孤岛产生后，PV输出的功率除了自身消耗和损耗之外全部供给负载，当PV输出的有功和负载匹配时，即，由（4）式可知，，也就是说孤岛后不变；当PV输出的有功、无功和负载均匹配时，即，由（5）式可知，，孤岛后不变，又因为，则，所以不变。故当PV和负载的有功、无功匹配或者接近的时候，电压和频率等系统参数没有变化或者变化很小，不会超出阈值，很难检测出来。反之，当PV和负载的有功和无功不匹配的时候，孤岛后由于功率差额大，频率和电压等系统参数波动大，很容易超出阈值，检测出孤岛。我们把孤岛后由于某些原因检测不出来的这部分区域称之为盲区NDZ[5]（Non-detection Zone），减小盲区是被动检测法需要解决的主要问题。鉴于此，本文提出了一种有效减小盲区的孤岛检测方法。
由（9）式可知，孤岛后的相对变化比、变化大，在系统参数变化较小的时候检测结果最明显。所以，本文采用作为检测标准，由上述分析可知，该方法比传统检测法更快速、有效。
3.仿真分析
根据国际标准IEEE Std.2000-929换算后，中国电压的正常阈值为205V≤≤235V，频率的正常阈值为49.5HZ50.5HZ，最大允许检测时间为2s。法和法的阈值通过仿真实验确定。本文利用Matlab/Simulink中的SimPowerSystem工具箱，采用TR-BDF2算法，进行仿真实验。
3.1 系统结构图
孤岛检测的结构示意图如图2所示，检测光伏并网发电系统的PCC处的电压，并用锁相环PLL采集电网电压的频率、相位，按照流程图3进行检测（检测各参数是否超出阈值），再通过PID和PWM控制将信号转换成逆变器的控制信号，从而控制逆变器的运行状态，达到检测目的。系统正常运行时，参数均在正常阈值范围内，PWM输出逆变器的驱动信号；反之，系统参数超出正常阈值时，则孤岛发生，PWM输出逆变器的封锁信号，逆变器停止工作。
检测流程如图3所示，当PV和负载的功率不匹配的时，电压和频率可以很快将孤岛检测出来，反之，PV和负载的功率接近或者匹配时，前两者失效，法起作用，故本文将这三种方法相结合。
3.2 实验结果
（1）法和法的检测效果对比
法和法在逆变器的输出功率和负载的有功、无功接近或匹配时的检测结果分别如图4（a）、（b）所示，孤岛前后法变化分明，超出了设定的阈值范围，从而检测出孤岛。而法变化很小，若将阈值设置的太低，则很容易产生误判，根据反复实验结果，此时仍在阈值范围内，该方法检测失效。所以在同种情况下，的检测效果更佳，故本文采用作为检测标准。
（2）逆变器的输出功率和负载的有功、无功接近时各方法仿真结果
本文把仿真时间均设置为2s，大电网0.7s断开，逆变器的输出功率和负载的有功、无功接近时，如图5～8所示分别为过/欠压法、过/欠频法、法、法的检测结果，图中（a）、（b）分别为采用各方法时的电网运行状态（1表示电网正常运行，0表示产生孤岛）、PCC处的电压和电流，为清楚的显示电压和电流的变化，电压设置为原来的1/4。根据流程图3的检测过程，由图5、6、8可知，当逆变器的输出功率和负载的有功、无功接近或者匹配的时，过/欠压法和过/欠频法均失效后，法在孤岛后0.02s检测出孤岛。由图7、8对比可知，法检测失败，而法快速检测出孤岛。由此可见，该方法不仅检测速度快，而且有效减小了检测盲区。本文将过/欠压法、过/欠频法、法相结合，不仅可以发挥各方法的优点，而且多重检测提高了检测结果的可靠性。 （3）抗干扰性检测
由4-8图可知，减小盲区的检测方法能敏感检测系统参数的变化，故本文做了负载突变的抗干扰性能测试。负载突变时法的检测结果如图9（a）、（b）所示，分别为负载突然较少50%、90%时法的检测结果，的值均小于设定阈值。所以该方法在受到负载突变干扰时不会误判，抗干扰性很强。
4.结论
由于被动检测法在负载和PV的功率接近或者匹配时检测不出来，盲区很大，本文提出了一种以为检测标准的孤岛检测方法，并与过/欠压、过/欠频检测法结合以减小盲区。在功率不匹配时，过/欠压、过/欠频检测法可以快速将孤岛检测出来，在功率匹配时过/欠压、过/欠频检测法失效，采用法进行检测。在法的基础上结合过/欠压法、过/欠频法，发挥各方法优点，不仅检测速度快，而且有效减小了检测盲区。本文通过Matlab/Simulink进行仿真实验，结果表明该方法在负载和PV的功率接近或者匹配的时候，能够将孤岛快速检测出来，并且在受到干扰时（如负载突变）也不会误判，所以该方法不仅检测快，而且可靠性高。
参考文献
[1]A.M.Massoud，K.H.Ahmed，Harmonic distortion-based island detection technique for inverter-based distributed generation，IET Renew.Power Gener，2009，3（4）.
[2]王西伟，熊炜等.分布式并网发电系统孤岛效应分析及检测方法的研究[J].电工电气，2012（6）.
[3]曾议，吴政球等.分布式发电系统孤岛检测技术[J].电力系统及其自动化学报，2009，21（3）.
[4]高金辉，李迎迎等.一种新颖的孤岛检测方法研究[J].电力系统保护与控制，2010，19（38）.
[5]张有兵，穆淼婕等.分布式发电系统的孤岛检测方法研究[J].电力系统保护与控制，2011，39（1）.
作者简介：
张瑞叶（1988—），女，河北师范大学物理科学与信息工程学院硕士研究生在读，研究方向：电力电子与电力传动。
张少如（通信作者）（1971—），女，博士，河北师范大学物理科学与信息工程学院副教授，硕士生导师，研究方向：电力电子与电力传动。
【关键词】孤岛；被动检测法；盲区；分布式光伏发电系统；并网发电
1.前言
太阳能光伏发电是将太阳能电池组件产生的不稳定的直流电，通过逆变器等元件转换成交流电，直接供给用户（离网光伏发电系统）或者与电网并网给用户供电（光伏并网发电系统）。光伏发电系统PV（Photovoltaic Power Generation System）主要是以和大电网并联的形式出现，与大电网同时给负载供电。PV可以等效为电流源，大电网可以等效为电压源。系统正常工作时，PV的电压受大电网钳制，PV的电压总与大电网保持一致。因此，当大电网由于某种原因停电时，PV就处于单独供电的情况，不再受大电网的控制，处于失控状态，我们把这种现象叫做孤岛效应。
孤岛的危害[1-2]：
（1）此时，逆变器处于失控状态，若系统参数超出正常阈值范围，可能导致用电设备损坏。
（2）给电力维修人员和用户的人身安全造成严重的威胁。
（3）当逆变器的容量小于负载的容量时，逆变器由于过载运行而易被烧毁。
（4）在大电网恢复供电时（逆变器再次并网运行），可能会导致与电网相位不同步。
2.有效减小盲区的孤岛检测方法
光伏并网发电系统结构如图1所示，由光伏发电系统、负载、大电网（AC）组成[3-4]，由太阳能产生的直流电（DC）经过逆变器、LC滤波器转变成220伏交流电，同大电网一起供给负载（Load）。其中，、为PV输出的有功和无功，、为负载消耗的有功和无功，、为电网端消耗或者输出的有功和无功，PCC（Point of Common Coupling）为公共耦合点，该点电压为。
孤岛检测的难点在于如何在负载和逆变器输出功率平衡时快速检测出孤岛。当孤岛产生后，PV输出的功率除了自身消耗和损耗之外全部供给负载，当PV输出的有功和负载匹配时，即，由（4）式可知，，也就是说孤岛后不变；当PV输出的有功、无功和负载均匹配时，即，由（5）式可知，，孤岛后不变，又因为，则，所以不变。故当PV和负载的有功、无功匹配或者接近的时候，电压和频率等系统参数没有变化或者变化很小，不会超出阈值，很难检测出来。反之，当PV和负载的有功和无功不匹配的时候，孤岛后由于功率差额大，频率和电压等系统参数波动大，很容易超出阈值，检测出孤岛。我们把孤岛后由于某些原因检测不出来的这部分区域称之为盲区NDZ[5]（Non-detection Zone），减小盲区是被动检测法需要解决的主要问题。鉴于此，本文提出了一种有效减小盲区的孤岛检测方法。
由（9）式可知，孤岛后的相对变化比、变化大，在系统参数变化较小的时候检测结果最明显。所以，本文采用作为检测标准，由上述分析可知，该方法比传统检测法更快速、有效。
3.仿真分析
根据国际标准IEEE Std.2000-929换算后，中国电压的正常阈值为205V≤≤235V，频率的正常阈值为49.5HZ50.5HZ，最大允许检测时间为2s。法和法的阈值通过仿真实验确定。本文利用Matlab/Simulink中的SimPowerSystem工具箱，采用TR-BDF2算法，进行仿真实验。
3.1 系统结构图
孤岛检测的结构示意图如图2所示，检测光伏并网发电系统的PCC处的电压，并用锁相环PLL采集电网电压的频率、相位，按照流程图3进行检测（检测各参数是否超出阈值），再通过PID和PWM控制将信号转换成逆变器的控制信号，从而控制逆变器的运行状态，达到检测目的。系统正常运行时，参数均在正常阈值范围内，PWM输出逆变器的驱动信号；反之，系统参数超出正常阈值时，则孤岛发生，PWM输出逆变器的封锁信号，逆变器停止工作。
检测流程如图3所示，当PV和负载的功率不匹配的时，电压和频率可以很快将孤岛检测出来，反之，PV和负载的功率接近或者匹配时，前两者失效，法起作用，故本文将这三种方法相结合。
3.2 实验结果
（1）法和法的检测效果对比
法和法在逆变器的输出功率和负载的有功、无功接近或匹配时的检测结果分别如图4（a）、（b）所示，孤岛前后法变化分明，超出了设定的阈值范围，从而检测出孤岛。而法变化很小，若将阈值设置的太低，则很容易产生误判，根据反复实验结果，此时仍在阈值范围内，该方法检测失效。所以在同种情况下，的检测效果更佳，故本文采用作为检测标准。
（2）逆变器的输出功率和负载的有功、无功接近时各方法仿真结果
本文把仿真时间均设置为2s，大电网0.7s断开，逆变器的输出功率和负载的有功、无功接近时，如图5～8所示分别为过/欠压法、过/欠频法、法、法的检测结果，图中（a）、（b）分别为采用各方法时的电网运行状态（1表示电网正常运行，0表示产生孤岛）、PCC处的电压和电流，为清楚的显示电压和电流的变化，电压设置为原来的1/4。根据流程图3的检测过程，由图5、6、8可知，当逆变器的输出功率和负载的有功、无功接近或者匹配的时，过/欠压法和过/欠频法均失效后，法在孤岛后0.02s检测出孤岛。由图7、8对比可知，法检测失败，而法快速检测出孤岛。由此可见，该方法不仅检测速度快，而且有效减小了检测盲区。本文将过/欠压法、过/欠频法、法相结合，不仅可以发挥各方法的优点，而且多重检测提高了检测结果的可靠性。 （3）抗干扰性检测
由4-8图可知，减小盲区的检测方法能敏感检测系统参数的变化，故本文做了负载突变的抗干扰性能测试。负载突变时法的检测结果如图9（a）、（b）所示，分别为负载突然较少50%、90%时法的检测结果，的值均小于设定阈值。所以该方法在受到负载突变干扰时不会误判，抗干扰性很强。
4.结论
由于被动检测法在负载和PV的功率接近或者匹配时检测不出来，盲区很大，本文提出了一种以为检测标准的孤岛检测方法，并与过/欠压、过/欠频检测法结合以减小盲区。在功率不匹配时，过/欠压、过/欠频检测法可以快速将孤岛检测出来，在功率匹配时过/欠压、过/欠频检测法失效，采用法进行检测。在法的基础上结合过/欠压法、过/欠频法，发挥各方法优点，不仅检测速度快，而且有效减小了检测盲区。本文通过Matlab/Simulink进行仿真实验，结果表明该方法在负载和PV的功率接近或者匹配的时候，能够将孤岛快速检测出来，并且在受到干扰时（如负载突变）也不会误判，所以该方法不仅检测快，而且可靠性高。
参考文献
[1]A.M.Massoud，K.H.Ahmed，Harmonic distortion-based island detection technique for inverter-based distributed generation，IET Renew.Power Gener，2009，3（4）.
[2]王西伟，熊炜等.分布式并网发电系统孤岛效应分析及检测方法的研究[J].电工电气，2012（6）.
[3]曾议，吴政球等.分布式发电系统孤岛检测技术[J].电力系统及其自动化学报，2009，21（3）.
[4]高金辉，李迎迎等.一种新颖的孤岛检测方法研究[J].电力系统保护与控制，2010，19（38）.
[5]张有兵，穆淼婕等.分布式发电系统的孤岛检测方法研究[J].电力系统保护与控制，2011，39（1）.
作者简介：
张瑞叶（1988—），女，河北师范大学物理科学与信息工程学院硕士研究生在读，研究方向：电力电子与电力传动。
张少如（通信作者）（1971—），女，博士，河北师范大学物理科学与信息工程学院副教授，硕士生导师，研究方向：电力电子与电力传动。