趙國偉, 楊文, 劉澄, 陳祎熙, 趙銳

(1. 國網(wǎng)山西省電力公司大同供電公司，山西 大同 037008；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；3. 南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210046)

為了促進(jìn)節(jié)能減排并改善能源結(jié)構(gòu)，分布式發(fā)電(distributed generation，DG)技術(shù)正迅速發(fā)展，其接入配電網(wǎng)的比例越來越高[1-6]。然而配電網(wǎng)發(fā)生故障后，DG可能產(chǎn)生的孤島效應(yīng)將會嚴(yán)重威脅配電網(wǎng)運檢人員的生命安全[7-9]。DG的孤島效應(yīng)定義為：當(dāng)配電網(wǎng)因故障停止運行時，若DG單元的輸出功率與其就地負(fù)荷功率較為匹配，則其并網(wǎng)處的電壓與頻率較為穩(wěn)定，并網(wǎng)處的保護(hù)裝置不會斷開使DG脫網(wǎng)，DG與其就地負(fù)荷將構(gòu)成孤島電網(wǎng)繼續(xù)運行[10-11]。

近年來，國內(nèi)學(xué)者為了解決DG的孤島問題，對配電網(wǎng)低壓反孤島策略進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[12]針對傳統(tǒng)DG孤島檢測方法存在檢測盲區(qū)大或?qū)﹄娔苜|(zhì)量有影響的缺陷，提出了基于可拓模式識別的被動式孤島檢測方法。文獻(xiàn)[13]通過DG系統(tǒng)的小信號模型，分析了帶正反饋反孤島控制時系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為設(shè)計反孤島算法的參數(shù)及確定系統(tǒng)最大功率傳輸能力提供了依據(jù)。文獻(xiàn)[14]結(jié)合光伏并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)控制過程，提出了一種正反饋頻率漂移反孤島檢測方法，并詳細(xì)介紹了該方法的原理和實現(xiàn)過程。

盡管對于配電網(wǎng)的低壓反孤島策略已有了較為深入的研究，然而現(xiàn)有的反孤島策略大多需要根據(jù)不同的靈敏性要求、可靠性要求、DG容量對擾動負(fù)載進(jìn)行專門配置，這種方式不僅會造成資源的浪費還耗費人力[15]。

為了解決上述問題，本文基于背靠背式電壓源型變流器(back-to-back voltage source converter，B2B-VSC)，提出一種具備自適應(yīng)能力的配電網(wǎng)低壓反孤島策略。首先，分析傳統(tǒng)低壓反孤島策略的基本原理；其次，分別研究B2B-VSC應(yīng)用于低壓反孤島欠壓保護(hù)與“欠壓+過/欠頻”綜合保護(hù)下的控制策略；然后，建立B2B-VSC應(yīng)用于低壓反孤島的控制回路；最后，通過仿真驗證所述策略的有效性。

1 傳統(tǒng)低壓反孤島策略原理及缺陷

當(dāng)配電網(wǎng)因故障停止運行時，若DG單元的輸出功率與其就地負(fù)荷功率較為匹配，DG將孤島運行。為了解決這一問題，目前普遍采取的低壓反孤島策略是使用擾動負(fù)載。在發(fā)生孤島效應(yīng)后投入擾動負(fù)載，打破DG與其就地負(fù)荷的良好匹配，造成DG并網(wǎng)點的電壓偏移或頻率偏移，從而使保護(hù)裝置動作，切斷DG[16]，如圖1所示。

圖1 含反孤島裝置的DG并網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 DG grid-connected system with anti-islanding device

可根據(jù)不同的靈敏性要求、可靠性要求、DG容量配置擾動負(fù)載，具體配置要求如下[15]：

a)若僅需觸發(fā)欠壓保護(hù)，則擾動負(fù)載需配置為阻性，DG容量越高或靈敏性要求越低則所需阻值越小；

b)若為了提高可靠性，同時觸發(fā)“欠壓+過頻”保護(hù)，則擾動負(fù)載需配置為阻感性；

c)若為了提高可靠性，同時觸發(fā)“欠壓+欠頻”保護(hù)，則擾動負(fù)載需配置為阻容性。

根據(jù)上述分析，當(dāng)DG容量、反孤島靈敏性要求、反孤島可靠性要求這三者其中之一發(fā)生改變時，擾動負(fù)載均需重新配置。

2 自適應(yīng)低壓反孤島策略研究

為了解決上述傳統(tǒng)低壓反孤島策略無自適應(yīng)能力的問題，基于B2B-VSC變流器[17-19]，提出一種配電網(wǎng)自適應(yīng)低壓反孤島策略，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

UDC為B2B-VSC的直流中間級電壓；C為直流中間級電容；Lf為濾波電感；Cf為濾波電容；Rd-ini為反孤島裝置的初始擾動電阻；為B2B-VSC的輸出電流；為B2B-VSC的輸出電壓；為初始擾動電阻的兩端電壓；為B2B-VSC與Rd-ini的整體兩端電壓。圖2 自適應(yīng)低壓反孤島策略基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of adaptive low-voltage anti-islanding strategy

2.1 單種保護(hù)方式下的反孤島策略分析

若單獨使用欠壓保護(hù)實現(xiàn)低壓反孤島策略，擾動負(fù)載單元需呈現(xiàn)出純阻性特性，其相量關(guān)系如圖3所示。其中：圖3(a)表示擾動負(fù)載單元的等效負(fù)載值Rd-eqRd-ini，適用于較低的DG容量或較高的靈敏性要求。

(a) Rd-eq

(b) Rd-eq>Rd-ini圖3 相量關(guān)系(擾動負(fù)載單元為純阻性)Fig.3 Phaser relations (the disturbance load unit is pure resistive)

傳統(tǒng)低壓反孤島策略中，若使用欠壓保護(hù)，則擾動負(fù)載配置模型為

(1)

式中：Rd為所需配置的擾動負(fù)載；Un為母線額定電壓；Pinv為DG容量；U為設(shè)定的欠壓閾值。

若使用基于B2B-VSC的自適應(yīng)反孤島策略，則根據(jù)圖3，擾動負(fù)載單元的等效負(fù)載值

(2)

需要說明的是，由于B2B-VSC的輸出端消耗/發(fā)出的有功功率等于輸入端發(fā)出/消耗的功率，因此B2B-VSC的有功功率恒為0，擾動負(fù)載單元的有功功率僅包括Rd-ini的功率消納量。

2.2 多種保護(hù)方式下的反孤島策略分析

(a) 阻感性

(b) 阻容性圖4 相量關(guān)系(擾動負(fù)載單元為阻感性/阻容性)Fig.4 Phaser relations (the disturbance load unit is resistive-inductive / resistive-capacitive)

傳統(tǒng)低壓反孤島策略中，若使用欠壓與過頻雙重保護(hù)，則擾動負(fù)載的阻值配置模型同式(1)，擾動負(fù)載的感抗配置模型為

(3)

式中：XL為所需配置的擾動負(fù)載感抗值；U0與f0分別為孤島運行時的母線電壓和光伏系統(tǒng)輸出頻率；QL為就地負(fù)荷感性無功功率；fH為設(shè)定的過頻閾值。

傳統(tǒng)低壓反孤島策略中，若使用欠壓與欠頻雙重保護(hù)，則擾動負(fù)載的阻值配置模型同式(1)，擾動負(fù)載的容抗配置模型為

(4)

式中：XC為所需配置的擾動負(fù)載容抗值；QC為就地負(fù)荷容性無功功率；fL為設(shè)定的欠頻閾值。

若使用基于B2B-VSC的自適應(yīng)反孤島策略，則根據(jù)圖4，擾動負(fù)載單元的等效負(fù)載阻抗

(5)

因此，使用基于B2B-VSC的自適應(yīng)反孤島策略后，在靈敏性要求、可靠性要求、DG容量任意一者發(fā)生變化時，擾動負(fù)載均不再需要重新配置。

綜合上述內(nèi)容，本文提出的基于B2B-VSC的自適應(yīng)反孤島策略中，孤島判別方法與擾動負(fù)載類型之間的關(guān)系見表1。

表1 孤島判別方法與擾動負(fù)載類型對應(yīng)關(guān)系
Tab.1 Corresponding relations between islanding discrimination methods and disturbance load types

孤島判別方法擾動負(fù)載單元特征類型B2B-VSC輸出電壓與輸出電流的相位關(guān)系單種保護(hù)方式欠壓保護(hù)純阻性U·O與I·O同相多種保護(hù)方式欠壓與過頻雙重保護(hù)阻感性U·O超前I·O0～90°欠壓與欠頻雙重保護(hù)阻容性U·O滯后I·O0～90°

3 控制回路設(shè)計

從目前所掌握的情況來看，林下套種中草藥的栽培過程中，無論是方法層面還是技術(shù)層面，都必須在地區(qū)的考察與分析力度上不斷的提升。第一，林下套種中草藥的栽培開展，需要的營養(yǎng)較為豐富，而且不同林業(yè)與藥業(yè)的結(jié)合，涉及到具體的產(chǎn)品功能與效用的差異性，此時必須加強大量的調(diào)查，并且在數(shù)據(jù)分析過程中保持較高的精準(zhǔn)度，甚至是要提前幾年開展勘查工作，由此能夠?qū)Ω黝悇討B(tài)因素的轉(zhuǎn)變做出良好的把控。第二，林下套種中草藥的栽培考察過程中，對于一些特殊情況要做出深入了解，尤其是自然災(zāi)害的出現(xiàn)，以及動物對于林業(yè)和藥業(yè)的破壞情況，都要保持在承載范圍以內(nèi)，否則很容易產(chǎn)生嚴(yán)重的損失現(xiàn)象。

為了使Zd-eq滿足于反孤島的靈敏性要求與可靠性要求，并適用于對應(yīng)的DG容量，需要對B2B-VSC的控制回路進(jìn)行設(shè)計。如圖2所示，B2B-VSC包括整流級與逆變級兩部分，需要分別設(shè)計這兩部分的控制回路。其中，B2B-VSC的整流級控制目標(biāo)與傳統(tǒng)整流電路的控制目標(biāo)相同，其只需保證輸出側(cè)直流電壓穩(wěn)定及輸入側(cè)電壓、電流同相即可，因此可采用傳統(tǒng)整流電路的單位功率因數(shù)穩(wěn)壓控制回路[21]。

B2B-VSC逆變級控制回路設(shè)計如圖5所示。

P為擾動負(fù)載單元實時功率；k為設(shè)定的比例積分(proportional integral, PI)控制器后置增益；Pref與Qref分別為擾動負(fù)載阻抗預(yù)期有功、無功負(fù)荷；為需配置的擾動負(fù)載阻抗；φ為的阻抗角；abs為取絕對值函數(shù)；sign為符號函數(shù)。圖5 B2B-VSC逆變級控制回路設(shè)計Fig.5 Control loop design for inverter stage of B2B-VSC

(6)

4 算例分析

為了驗證所述的低壓反孤島策略的有效性，建立如圖2所示的仿真模型，具體參數(shù)見表2。

4.1 單種保護(hù)方式實現(xiàn)低壓反孤島

僅使用欠壓保護(hù)方式實現(xiàn)配電網(wǎng)低壓反孤島。首先，設(shè)定欠壓閾值為有效值200 V(即最大值282.84 V)，可得公共連接點電壓波形如圖6(a)所示，公共連接點電壓滿足欠壓保護(hù)閾值要求，相應(yīng)的擾動負(fù)載單元等效阻抗為32.27 Ω。

表2 仿真模型具體參數(shù)Tab.2 Parameters of simulation model

(a) 欠壓閾值為有效值200 V，DG容量為15 kW

(b) 欠壓閾值變?yōu)橛行е?80 V，DG容量變?yōu)?5 kW(使用自 適應(yīng)反孤島策略)

(c) 欠壓閾值變?yōu)橛行е?80 V，DG容量變?yōu)?5 kW(使用傳 統(tǒng)反孤島策略)圖6 公共連接點電壓波形(欠壓保護(hù))Fig.6 PCC node voltage waveform (under-voltage protection)

然后，更改欠壓閾值為有效值180 V(即最大值254.56 V)，更改DG容量為25 kW，可得公共連接點電壓波形如圖6(b)所示，公共連接點電壓滿足新的欠壓保護(hù)閾值要求，相應(yīng)的擾動負(fù)載單元等效阻抗根據(jù)控制回路自動調(diào)整為8.71 Ω。

若仍使用第2節(jié)所述的傳統(tǒng)低壓反孤島策略，在欠壓閾值或DG容量發(fā)生變化后，公共連接點電壓波形將如圖6(c)所示，公共連接點電壓遠(yuǎn)高于閾值，不再滿足新的保護(hù)要求。

根據(jù)圖6可知，在反孤島靈敏性要求(欠壓閾值)或DG容量發(fā)生變化后，與傳統(tǒng)反孤島策略相比，基于B2B-VSC的自適應(yīng)反孤島策略可使擾動負(fù)載單元的阻抗值自動調(diào)整，從而滿足保護(hù)裝置的動作要求，在反孤島投入后有效切除DG。

4.2 多種保護(hù)方式實現(xiàn)低壓反孤島

a)使用“欠壓+過頻”保護(hù)方式實現(xiàn)配電網(wǎng)低壓反孤島。首先，設(shè)定欠壓閾值為有效值200 V(即最大值282.84 V)，過頻閾值為55Hz，可得公共連接點電壓波形如圖7(a)所示，公共連接點電壓滿足欠壓保護(hù)閾值要求與過頻保護(hù)閾值要求，相應(yīng)的擾動負(fù)載單元等效阻抗為(32.27+j13.97)Ω。

(a) 欠壓閾值為有效值200 V，過頻閾值為55 Hz，DG容量為 15 kW

(b) 欠壓閾值變?yōu)橛行е?80 V，過頻閾值變?yōu)?0 Hz，DG容量 變?yōu)?5 kW(使用自適應(yīng)反孤島策略)

(c) 欠壓閾值變?yōu)橛行е?80 V，過頻閾值變?yōu)?0 Hz，DG容量 變?yōu)?5 kW(使用傳統(tǒng)反孤島策略)圖7 公共連接點電壓波形(使用“欠壓+過頻”保護(hù)方式)Fig.7 PCC node voltage waveform (under-voltage protection + over-frequency protection)

然后，更改欠壓閾值為有效值180 V(即最大值254.56 V)，更改過頻閾值為60 Hz，更改DG容量為25 kW，可得公共連接點電壓波形如圖7(b)所示，公共連接點電壓滿足新的欠壓保護(hù)閾值要求與新的過頻保護(hù)閾值要求，相應(yīng)的擾動負(fù)載單元等效阻抗根據(jù)控制回路自動調(diào)整為(8.71+j3.53)Ω。

若仍使用第2節(jié)所述的傳統(tǒng)低壓反孤島策略，在欠壓閾值、過頻閾值或DG容量發(fā)生變化后，公共連接點電壓波形將如圖7(c)所示，公共連接點電壓遠(yuǎn)高于閾值，頻率低于閾值，不再滿足新的保護(hù)要求。

b)使用“欠壓+欠頻”保護(hù)方式實現(xiàn)配電網(wǎng)低壓反孤島。首先，設(shè)定欠壓閾值為有效值200 V(即最大值282.84 V)，欠頻閾值為45 Hz，可得公共連接點電壓波形如圖8(a)所示，公共連接點電壓滿足欠壓保護(hù)閾值要求與欠頻保護(hù)閾值要求，相應(yīng)的擾動負(fù)載單元等效阻抗為(32.27-j2.44)Ω。

(a) 欠壓閾值為有效值200 V，欠頻閾值為45 Hz，DG容量為 15 kW

(b) 欠壓閾值變?yōu)橛行е?80 V，欠頻閾值變?yōu)?0 Hz，DG容量變 為25 kW(使用自適應(yīng)反孤島策略)

(c) 欠壓閾值變?yōu)橛行е?80 V，欠頻閾值變?yōu)?0 Hz，DG容量變 為25 kW(使用傳統(tǒng)反孤島策略)圖8 公共連接點電壓波形(使用“欠壓+欠頻”保護(hù)方式)Fig.8 PCC node voltage waveform (under-voltage protection + under-frequency protection)

然后，更改欠壓閾值為有效值180 V(即最大值254.56 V)，更改欠頻閾值為40 Hz，更改DG容量為25 kW，可得公共連接點電壓波形如圖8(b)所示，公共連接點電壓滿足新的欠壓保護(hù)閾值要求與新的欠頻保護(hù)閾值要求，相應(yīng)的擾動負(fù)載單元等效阻抗根據(jù)控制回路自動調(diào)整為(8.71-j1.05)Ω。

若仍使用第2節(jié)所述的傳統(tǒng)低壓反孤島策略，在欠壓閾值、欠頻閾值或DG容量發(fā)生變化后，公共連接點電壓波形將如圖8(c)所示，公共連接點電壓遠(yuǎn)高于閾值，頻率高于閾值，不再滿足新的保護(hù)要求。

由圖7與圖8可知：①在反孤島可靠性要求提高后，基于B2B-VSC的自適應(yīng)反孤島策略可自動使擾動負(fù)載單元從純阻性變?yōu)樽韪行曰蜃枞菪?，從而在反孤島投入后可同時觸發(fā)欠壓保護(hù)與過/欠頻保護(hù)。②與傳統(tǒng)反孤島策略相比，在反孤島靈敏性要求或DG容量發(fā)生變化后，基于B2B-VSC的自適應(yīng)反孤島策略可使擾動負(fù)載單元的等效阻抗值自動調(diào)整，從而滿足保護(hù)裝置的動作要求，在反孤島投入后有效切除DG。

5 結(jié)束語

基于B2B-VSC，提出了一種配電網(wǎng)自適應(yīng)低壓反孤島策略。分析了詳細(xì)的自適應(yīng)低壓反孤島原理，設(shè)計了相應(yīng)的控制回路，并通過仿真證明了所述策略的有效性。使用所述的基于B2B-VSC的配電網(wǎng)自適應(yīng)低壓反孤島策略，可有效提高DG并網(wǎng)的可靠性，促進(jìn)DG在配電網(wǎng)中的大規(guī)模利用，對構(gòu)建清潔低碳的能源供應(yīng)體系較為有益。未來，可將該自適應(yīng)低壓反孤島策略應(yīng)用于實際配電網(wǎng)中，在實際電網(wǎng)運行環(huán)境下對策略的有效性與可靠性進(jìn)行論證，進(jìn)一步提升其應(yīng)用價值。