武威職業(yè)學(xué)院 顏魯薪

過(guò)/欠壓和過(guò)/欠頻孤島檢測(cè)方法研究

武威職業(yè)學(xué)院 顏魯薪

從被動(dòng)式孤島檢測(cè)的角度，探討了過(guò)/欠壓和過(guò)/欠頻孤島檢測(cè)法的原理和其相對(duì)困難的負(fù)載形式下的孤島檢測(cè)，得到了這種檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為合理使用該方法進(jìn)行孤島防護(hù)提供了依據(jù)。

光伏并網(wǎng)；孤島；被動(dòng)；檢測(cè)

引言

所謂孤島效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)供電因故障事故或停電維修而跳脫時(shí)，各個(gè)用戶(hù)端的分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)未能即時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而將自身切離市電網(wǎng)絡(luò)，而形成由分布電站并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周?chē)呢?fù)載組成的一個(gè)自給供電的孤島。

孤島一旦產(chǎn)生將會(huì)危及電網(wǎng)輸電線路上維修人員的安全；影響配電系統(tǒng)上的保護(hù)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作程序，沖擊電網(wǎng)保護(hù)裝臵；影響傳輸電能質(zhì)量，電力孤島區(qū)域的供電電壓與頻率將不穩(wěn)定；當(dāng)電網(wǎng)供電恢復(fù)后會(huì)造成的相位不同步；單相分布式發(fā)電系統(tǒng)會(huì)造成系統(tǒng)三相負(fù)載欠相供電。因此對(duì)于一個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)必須能夠進(jìn)行反孤島效應(yīng)檢測(cè)。

被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法是其中重要的防孤島方法。被動(dòng)式檢測(cè)法無(wú)需向電網(wǎng)注入任何擾動(dòng)信號(hào)，只是通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)公共耦合點(diǎn)PCC處的電壓參數(shù)是否超過(guò)閥值來(lái)識(shí)別孤島現(xiàn)象，因此對(duì)供電質(zhì)量無(wú)影響。被動(dòng)檢測(cè)法包括過(guò)/欠壓保護(hù)及過(guò)/欠頻保護(hù)，電壓相位突變檢測(cè)等。

1.過(guò)/欠壓和過(guò)/欠頻檢測(cè)法

在電網(wǎng)斷電光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島運(yùn)行時(shí)，大部分情況下負(fù)載功率與逆變器輸出功率不匹配，此時(shí)PCC處的電壓復(fù)制或頻率會(huì)超出正常運(yùn)行范圍，因此通過(guò)檢測(cè)過(guò)壓或欠壓、過(guò)頻或欠頻可以判斷是否發(fā)生孤島效應(yīng)。

圖1　典型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在圖1中，當(dāng)斷路器1和2都閉合時(shí)，光伏逆變器并網(wǎng)運(yùn)行，公共耦合點(diǎn)PCC處電壓是由電網(wǎng)決定的，其頻率和相位都與電網(wǎng)電壓信號(hào)相同。逆變器輸出有功功率、無(wú)功功率分別為Ppv、Qpv，從光伏發(fā)電系統(tǒng)流向公共耦合點(diǎn)PCC。負(fù)載需求的有功功率、無(wú)功功率分別為Pload、Qload。電網(wǎng)輸出的有功功率、無(wú)功功率分別為△P、△Q。在PCC處有功功率和無(wú)功功率分別滿足功率平衡條件：

當(dāng)光伏逆變器并網(wǎng)運(yùn)行，△P為正時(shí)，需要從電網(wǎng)吸收能量。而當(dāng)△P為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)處于逆潮流狀態(tài)，即光伏發(fā)電系統(tǒng)將多余的能量饋送到電網(wǎng)中。通常光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行在單位功率因數(shù)下，因此可以認(rèn)為Qpv為零，負(fù)載所需無(wú)功功率則完全由電網(wǎng)提供。

2.RLC并聯(lián)負(fù)載孤島檢測(cè)方法

下面針對(duì)檢測(cè)相對(duì)困難的負(fù)載形式—RLC并聯(lián)負(fù)載來(lái)進(jìn)行孤島檢測(cè)方法的研究。當(dāng)本地負(fù)載為RLC并聯(lián)形式時(shí)，負(fù)載所需的有功功率和無(wú)功功率可用式3，式4表示，這里ω指瞬時(shí)電壓的角頻率。

在圖1中，當(dāng)投切開(kāi)關(guān)2斷開(kāi)時(shí)，光伏逆變器與本地負(fù)載形成一個(gè)孤島，下面針對(duì)△P和△Q分五種情況分析。

△P＞0;這種情況說(shuō)明負(fù)載所需有功功率大于光伏系統(tǒng)所發(fā)功率，從式3可知，Pload減小，意味著VPCC也會(huì)隨著減小，當(dāng)VPCC減小到電壓下限閥值時(shí)，可通過(guò)UVR檢測(cè)出來(lái)，從而進(jìn)行孤島保護(hù)。

△P＜0;這種情況說(shuō)明負(fù)載所需要有功功率小于光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)功率，從式3可知，Pload增大，意味著VPCC也會(huì)隨著增大，當(dāng)V增大到電壓上限閥值時(shí)，可通過(guò)OVR檢測(cè)出來(lái)，從而進(jìn)行孤島保護(hù)。

△Q＞0；意味著負(fù)載是感性的，需要滯后的無(wú)功功率。然后電網(wǎng)斷電后△Q=0，從式4可知，單位功率因數(shù)控制條件下迫使VPCC的ω一直增加，當(dāng)ω超過(guò)頻率上限時(shí)，可通過(guò)OFR檢測(cè)出來(lái)，從而進(jìn)行孤島保護(hù)。

△Q＜0；意味著負(fù)載是容性的，需要超前的無(wú)功功率，同理，當(dāng)電網(wǎng)斷電后，VPCC的ω一直減小，當(dāng)降低到頻率下限時(shí)，可以通過(guò)UFR檢測(cè)出來(lái)，從而進(jìn)行孤島保護(hù)。

△P、△Q都非常接近或等于零；意味者負(fù)載所需要的功率全部由光伏發(fā)電系統(tǒng)提供，此時(shí)VPCC基本不變，處于非檢測(cè)區(qū)域，因此保護(hù)失效。

下面分析該檢測(cè)方法的非檢測(cè)區(qū)范圍。發(fā)生孤島效應(yīng)后，由式5可知，如果光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的有功功率Ppv小于負(fù)載有功需求Pload，則負(fù)載電壓V就會(huì)減小，反之V就會(huì)增大。

如果PCC處的電壓上、下限值分別為V2,V1，則當(dāng)電壓落入V1＜V＜V2時(shí)，過(guò)/欠電壓檢測(cè)法無(wú)法識(shí)別孤島效應(yīng)。即若滿足，則進(jìn)入了過(guò)/欠壓檢測(cè)法無(wú)法識(shí)別孤島效應(yīng)。若滿足式6，則進(jìn)入了過(guò)/欠電壓保護(hù)的非檢測(cè)范圍。

并聯(lián)RLC負(fù)載固有的諧振頻率由式7表示，品質(zhì)因數(shù)Qf用式8表示。若f1、f2為頻率的上、下限值，則過(guò)/欠頻的非檢測(cè)區(qū)范圍可用式9表示。

3.結(jié)論

由此可見(jiàn)，過(guò)/欠壓、過(guò)/欠頻檢測(cè)法具有實(shí)現(xiàn)方便、成本低，以及不向電網(wǎng)注入任何諧波的優(yōu)點(diǎn)。該方法的缺點(diǎn)：有很大的非檢測(cè)區(qū)域，并且針對(duì)不同的負(fù)載，其孤島保護(hù)響應(yīng)時(shí)間不可預(yù)測(cè)。

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