劉 建 ，崔德民 ，李曉博 ，王 晶 ，王 森

（1.德州供電公司，山東 德州 253000；2.山東鋁業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 255051；3.中國石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

0 引言

孤島問題是指當(dāng)電網(wǎng)因發(fā)生故障或停電維修等原因而跳閘，以致于不能可靠供電時(shí)，分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如果未能快速及時(shí)檢測出停電狀態(tài)而仍舊與電網(wǎng)相連，并繼續(xù)供電，將形成供電孤島［1］。圖1所示為分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖。針對分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測方法種類繁多，如表1所示，但大部分都存在檢測盲區(qū)問題，即在一些特殊的負(fù)載情況下，孤島檢測裝置不能及時(shí)有效地檢測出孤島狀態(tài)，對負(fù)載端用戶的設(shè)備造成損壞，孤島線路也將危及檢修人員的人身安全，在重新合閘前如沒有消除孤島狀態(tài)也將會導(dǎo)致不同步并網(wǎng)，其所帶來的危害可想而知。當(dāng)所用檢測方法不能可靠檢測出孤島狀態(tài)時(shí)，其所對應(yīng)的負(fù)荷空間或負(fù)載參數(shù)區(qū)間即可定義為孤島檢測盲區(qū)。孤島檢測盲區(qū)的大小可以作為判斷孤島檢測方法好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，通過對孤島檢測盲區(qū)進(jìn)行恰如其分的描述，可以對相應(yīng)的孤島檢測方法性能進(jìn)行評價(jià)，進(jìn)而有效地揭示孤島檢測方法的適用范圍。

圖1 孤島系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖

研究孤島檢測盲區(qū)的描述方法可以更深入地找出孤島檢測失敗的原因，便于今后研究出更高效的孤島檢測方法。

1 孤島檢測盲區(qū)描述方法

對于孤島檢測盲區(qū)的描述，目前有多種方法，如功率失配區(qū)間描述法、負(fù)載參數(shù)L×Cnorm區(qū)間描述法、負(fù)載特性參數(shù)Qf×fres區(qū)間描述法、類負(fù)載特性參數(shù)Qf0×Cmorm區(qū)間描述法等，有著各自不同的特點(diǎn)和適應(yīng)范圍。

1.1 功率失配區(qū)間描述法

由于電網(wǎng)跳閘前后系統(tǒng)中功率的變化情況可以通過功率不匹配的大小ΔP和ΔQ和很明顯的反映出來，因此，可以簡單地使用功率失配區(qū)間區(qū)間ΔP×ΔQ對被動式孤島檢測方法的檢測盲區(qū)（NDZ）進(jìn)行定量描述［2］。

表1 孤島檢測方法

在圖1所示的孤島系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖中，當(dāng)分布式電源輸出的有功和無功功率比負(fù)載所需的有功和無功功率大時(shí)，電網(wǎng)將吸收多輸出的那一部分有功和無功功率；反之，當(dāng)分布式電源發(fā)出的功率比負(fù)載所需的功率小時(shí)，負(fù)載將從電網(wǎng)吸收相應(yīng)的功率缺額。 當(dāng)電網(wǎng)側(cè)斷路器斷開形成孤島運(yùn)行時(shí)，如果分布式電源發(fā)送的功率與負(fù)載所需的功率不相等，即ΔP＋jΔQ≠0時(shí)，公共耦合點(diǎn)a處的電壓幅值大小和頻率將發(fā)生變化，電路將運(yùn)行于一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)平衡點(diǎn)。如果分布式電源發(fā)送的功率與負(fù)載所需的功率比較接近，即和特別小的時(shí)候，則孤島系統(tǒng)中的電壓幅值和頻率變化很微弱，系統(tǒng)不能檢測出孤島，孤島狀態(tài)將持續(xù)發(fā)生，也即是進(jìn)入檢測盲區(qū)了。如果功率不匹配很嚴(yán)重，即ΔP和ΔQ足夠大時(shí)，則公共耦合點(diǎn)a處的電壓幅值和頻率將超出正常工作范圍，OUF和OUV保護(hù)將判斷出孤島并阻止孤島狀態(tài)的繼續(xù)運(yùn)行。用功率失配區(qū)間ΔP×ΔQ區(qū)間，即如圖2所示，以坐標(biāo)原點(diǎn)附近的區(qū)間來描述以上2種情況，公共耦合點(diǎn)a處的電壓幅值或者頻率的變化只要在此區(qū)間內(nèi)都將不能夠觸發(fā)反孤島保護(hù)動作，所以將這個(gè)區(qū)間定義為功率失配區(qū)間ΔP×ΔQ區(qū)間中所描述的NDZ。NDZ越小說明所描述的孤島檢測方法性能越好。

圖2 ΔP×ΔQ區(qū)間描述的NDZ

1.2 負(fù)載參數(shù)L×Cnorm區(qū)間描述法

當(dāng)分布式電源輸出功率與負(fù)載所需功率相匹配時(shí)，主動式孤島檢測方法仍能檢測出孤島，與被動式孤島檢測法相比，其檢測效率明顯提高。雖然功率失配區(qū)間ΔP×ΔQ區(qū)間在一定程度上能反映出孤島檢測方法的可行性，但是功率失配區(qū)間ΔP×ΔQ區(qū)間不能直觀地反映主動式孤島檢測方法的有效性，也不能反映出其與負(fù)載參數(shù)之間的關(guān)系。因此，可以考慮用一種基于具體負(fù)載參數(shù)的坐標(biāo)區(qū)間方法來準(zhǔn)確地描述主動式孤島檢測方法的檢測盲區(qū)，如L×Cnorm區(qū)間，其中L為負(fù)載電感，Cnorm為負(fù)載電容的標(biāo)幺值。發(fā)生諧振時(shí)，電網(wǎng)角頻率

即可知諧振電容為

定義負(fù)載電容的標(biāo)幺值Cnonm為

式中：C為負(fù)載電容；L為負(fù)載電感。

記θload孤島狀態(tài)時(shí)的負(fù)載阻抗角，θDG為所采用的孤島檢測方法決定的分布式電源輸出電流超前于端電壓的相位角，則相位平衡關(guān)系為

式（4）可作為孤島發(fā)生與否的一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)，即孤島發(fā)生的相位判據(jù)。

由θload=-θDG可推出L×Cnorm區(qū)間描述的相位判據(jù)

對L×Cnorm區(qū)間中的任意一點(diǎn)，孤島系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率都可以用（5）式所述相位判據(jù)進(jìn)行計(jì)算，如果孤島系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率沒有超出過/欠頻保護(hù)的范圍，那么該負(fù)載參數(shù)位于所采用孤島檢測方法的NDZ之內(nèi)，否則處于NDZ之外。需要注意的是，式（5）可以發(fā)現(xiàn)，由于相位判據(jù)只能對基于頻率的孤島檢測方法的NDZ的大小和位置進(jìn)行描述，而對于預(yù)測孤島狀態(tài)持續(xù)發(fā)生的時(shí)間卻無能為力，并且根據(jù)（5）式的相位判據(jù)所確定出的NDZ的大小與電阻R的大小有關(guān)。因此，當(dāng)負(fù)載電阻R不相同時(shí)，用同一種孤島檢測方法在L×Cnorm區(qū)間中所描述的NDZ也不盡相同，所以L×Cnorm區(qū)間在反映負(fù)載電阻的變化對基于頻率的孤島檢測方法所形成的NDZ的形狀及大小的影響時(shí)就顯得效果不是很理想，說明負(fù)載參數(shù)L×Cnorm區(qū)間描述法存在很大的局限性。文獻(xiàn)［3］對負(fù)載參數(shù)L×Cnorm區(qū)間描述法進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1.3 負(fù)載特性參數(shù)Qf×fres區(qū)間描述法

諧振電路的品質(zhì)因數(shù)

式中：ωres為負(fù)載電路諧振角頻率。

為了避免負(fù)載電阻的變化對孤島檢測盲區(qū)的影響，可以考慮以負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Qf為橫坐標(biāo)和負(fù)載電路諧振頻率fres為縱坐標(biāo)建立負(fù)載特性參數(shù)Qf×fres區(qū)間，即將（6）式和（7）式代入（5）式可以找出 Qf×fres區(qū)間中的相位判據(jù)

如果滿足（8）式的頻率f在正常頻率工作范圍內(nèi)，將持續(xù)發(fā)生孤島狀態(tài)。因此，可用（8）式來評估基于頻率的孤島檢測方法在Qf×fres區(qū)間中的有效性。在Qf×fres區(qū)間中描述孤島檢測方法的NDZ時(shí)，不需要像在L×Cnorm區(qū)間中描述NDZ那樣因電阻改變而繪制不同的曲線。 因此，對任意的負(fù)載RLC，在Qf×fres區(qū)間中基于頻率的孤島檢測方法都可用一個(gè)NDZ來簡潔直觀的進(jìn)行描述，可以認(rèn)為是對L×Cnorm區(qū)間描述法的一個(gè)改進(jìn)。文獻(xiàn)［4］將負(fù)載特性參數(shù)Qf×fres區(qū)間描述法進(jìn)一步的推廣到三維空間，以主動頻移法AFD的不可檢測區(qū)為例

它以Qf，δf為自變量，fres為變量構(gòu)成三維空間，可以更直觀的描述檢測盲區(qū)，并分析了各種孤島檢測方法的參數(shù)對檢測盲區(qū)的影響，（9）式中δf為頻率的偏移量。

類似的，也可以考慮用諧振電路的角頻率ωres替換負(fù)載電路諧振頻率fres，建立負(fù)載特性參數(shù)Qf×ωres區(qū)間，其特點(diǎn)和Qf×fres區(qū)間描述法基本一樣。

1.4 類負(fù)載特性參數(shù)Qf0×Cnorm區(qū)間描述法

從（6）式和（7）式不難發(fā)現(xiàn)負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Qf和負(fù)載電路諧振頻率fres都與負(fù)載電感L、負(fù)載電容C相關(guān)，說明Qf×fres區(qū)間的兩個(gè)坐標(biāo)互相耦合，不能直接的反映NDZ與負(fù)載參數(shù)之間的關(guān)系，不利于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)［5］提出的Qf0×Cnorm區(qū)間描述法可以解決上述問題。

定義類負(fù)載品質(zhì)因數(shù)

雖然 Qf0的定義在形式上與負(fù)載品質(zhì)因數(shù)類似，但Qf0受電網(wǎng)角頻率、負(fù)載電阻和負(fù)載電感的影響，與負(fù)載電容沒有關(guān)系。

Qf0×Cnorm區(qū)間描述法以類負(fù)載品質(zhì)因數(shù) Qf0為橫坐標(biāo)，負(fù)載電容的標(biāo)幺值Cnorm為縱坐標(biāo)，橫縱坐標(biāo)之間相互獨(dú)立，能直接描述檢測盲區(qū)與負(fù)載參數(shù)之間的關(guān)系，有利于將孤島檢測的理論研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及產(chǎn)品性能認(rèn)證相結(jié)合，應(yīng)用于工程實(shí)踐。當(dāng)電網(wǎng)頻率和分布式電源輸出功率不變時(shí)，即ω0和R（R的大小由有功功率決定）的值為常數(shù)，由（9）式可知Qf0是負(fù)載電感L的單值函數(shù)，坐標(biāo)軸Qf0能等效反映負(fù)載電感L的大小，與另一個(gè)坐標(biāo)軸Cnorm一起，正好能夠支撐起整個(gè)負(fù)載平面，使盲區(qū)圖形更好的呈現(xiàn)出來。當(dāng)負(fù)載頻率和電網(wǎng)頻率相等時(shí)，即ωres=ω0時(shí)，有Qf0=Qf，從而使盲區(qū)平面中的 Qf0值可直接與IEEE 929—2000標(biāo)準(zhǔn)中Qf的值相對應(yīng)，為該盲區(qū)描述方法與國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std.929—2000間的兼容性提供了理論基礎(chǔ)。類負(fù)載特性參數(shù) Qf0×Cnorm盲區(qū)描述方法同樣也適用于 SMS（Slip Mode Frequency Shift）、APS（Automatic Phase-Shift Method）等基于移頻、移相類孤島檢測方法的性能描述。文獻(xiàn)［5］對類負(fù)載特性參數(shù)Qf0×Cnorm區(qū)間描述法進(jìn)行了詳細(xì)的分析和探討，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。

2 各種描述方法的優(yōu)缺點(diǎn)

表2對常見的孤島檢測盲區(qū)描述方法進(jìn)行了分類比較，都各具特色。在選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境選擇相應(yīng)的描述方法，從而達(dá)到高效、準(zhǔn)確的檢測目的。

表2 孤島檢測盲區(qū)描述方法的比較

3 結(jié)語

綜述了分布式發(fā)電系統(tǒng)中常用的描述孤島檢測盲區(qū)的4種方法，其中類負(fù)載特性參數(shù)Qf0×Cnorm區(qū)間描述法的性能最好，但是主要用于移頻或移相類的孤島檢測方法。隨著分布式電源的廣泛發(fā)展和應(yīng)用，對孤島檢測方法的性能要求也越來越高，這就要求必須去深入探討挖掘描述孤島檢測盲區(qū)的新方法，能廣泛適用于不同類型的孤島檢測方法。

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