基于组合决策的孤岛检测技术在微电网中的应用

蒋燕，张艳，张祖丽，张继红，张玉琼

(1.重庆电力高等专科学校，重庆400053；2.青海海西供电公司，青海格尔木816000；3.重庆电力调控中心，重庆400053；4.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211102)

孤岛检测是微电网由并网向孤岛平稳过渡过程中一个必要的检测环节。根据检测原理不同，可分为主动检测法和被动检测法。主动检测法[1]是通过人为向系统引入微小电压、电流或频率扰动信号进行检测判定，优点是盲区较小、灵敏度较高，缺点是如引入系统的扰动控制不当，会导致微电网进入孤岛状态后无法稳定运行。被动检测法[2]是通过采集本地信号，在不外加任何扰动的情况下进行孤岛检测，其优点是原理简单，设备投入少，易于实现，适用于微电网需求，缺点是检测盲区较大，不适合单独使用。为保障微电网运行状态转换的平稳性，同时考虑检测精度、灵敏度及扰动对系统稳定运行的影响，文中提出了适用于微电网特点，以被动检测为主，主动检测为辅的组合决策孤岛检测技术。

1 常用被动孤岛检测法及原理

1.1 相位突变检测法

相位突变法是利用逆变电源输出电流与公共连接点（PCC）电压间相位差变化来检测孤岛的发生。并网状态下，PCC电压受主网钳制，微电源输出电流与PCC电压同相位[3]。当孤岛产生时，由于负载阻抗角的存在，使得PCC处电压相位发生跳变，与电流的相位差转变为负载的阻抗角。因此，通过逆变器输出电流与PCC电压的相位差变化即可判定孤岛的产生。相位突变检测法简单、易于实现，不会对逆变器输出的电能质量和系统的暂态稳定产生影响。但当负载阻抗角接近0时，即负载近似呈阻性时，该方法失效，需采用其他孤岛检测手段进行辅助判断。

1.2 频率变化率法

频率变化率法的理论基础是假设在孤岛形成瞬间，分布式电源发出的电力和孤岛负荷间存在功率差额，即不平衡功率。这种不平衡功率致使孤岛产生瞬间频率变化，因此采用频率变化率df/dt作为判据，可以检测孤岛的产生[4]。

式中：PL为负荷功率；PMG为微电源输出功率；fN为系统额定频率；H为分布式发电机惯性系数；PGN为分布式发电机额定容量。频率变化率法的检测灵敏度受功率不平衡度影响较大。功率不平衡度较大时能可靠检测；功率不平衡度较小时，检测灵敏度差。因此，频率变化率法一般需与其他检测手段配合使用。

2 选择性投切并联电容回路的主动检测法

选择性投切并联电容回路孤岛检测法[5]是通过向微电网与主网联络线微电网侧投入并联电容回路，引入无功电流扰动信号来进行孤岛检测，是一种典型的主动检测法。该方法通过检测PCC处的无功流量控制并联电容回路的投入，消除了微电网与主网间联络线上微潮流或零潮流时被动检测法失效的弊端。如图1所示电路，当检测回路检测到连接点PCC处无功流量为0时，将并联电容回路投入，再检测PCC处无功流量，如仍为0，则判定孤岛发生。基于选择性投切并联电容回路的主动孤岛检测逻辑如图2所示。

图1 PCC点断开时投入电容后无功流向

投切并联电容回路的主动检测法可快速准确的检测出孤岛状态，灵敏度较高。由于投切电容并联回路会向系统引入扰动，需要合理控制扰动大小，在确保微电网孤岛运行稳定的情况下实现孤岛检测。因此，从系统运行稳定性和可靠性出发，主动检测法一般作为后备检测手段，在其他检测方法的非正常工作区域投入使用。

图2 选择性投切并联电容回路的主动检测逻辑

3 组合决策孤岛检测法

3.1 组合决策孤岛检测法的基本原理

鉴于主动、被动两类检测方法在检测盲区上存在互补性，提出以被动为主、主动为辅的组合决策孤岛检测法。即孤岛检测时以相位突变和频率变化率组合作为主要的检测手段，对于微电网内部阻抗接近纯阻性且内部功率基本平衡的情况，采用投入电容回路作为辅助检测手段，通过引入PCC潮流变化和投入电容后阻抗角变化进行组合判断，提高孤岛检测可靠性和准确率。基于被动为主、主动为辅的组合决策孤岛检测法的逻辑如图3所示。

需要说明的是：在实际系统中大部分情况下采用相位突变法和频率变化率法组合即可，只有在极少数微电网阻抗角接近于0且功率平衡的情况下才需要电容回路的投入作为后备检测手段。

3.2 微电网组合决策孤岛检测仿真分析

分别采用相位突变检测法、频率变化率检测法、并联电容回路投切检测法以及组合决策法对微电网仿真电路进行孤岛检测仿真计算分析，验证组合决策孤岛检测技术在微电网的适用性。

3.2.1 仿真算例建模及检测判据说明

以图4微电网系统作为仿真电路，使用Matlab/Simulink仿真工具进行算例系统建模，如图5所示。图5微电网中的微电源通过逆变器与主电网相连，采用脉宽调制技术（PWM）对逆变器接口进行控制，保证微电网并网运行时与主电网同频、同压、同相位。仿真电路参数设定如下。

图3 被动为主、主动为辅的组合决策逻辑框

（1）主电网。等值为无穷大电源，电压1.0 p.u，频率50 Hz，等值电阻R=0.05316Ω，等值电感L=0.482mH。

（2）PWM控制单元。电压调节器比例增益Ku=0.25，积分增益Tu=25；电流调节器比例增益Ki=2.5，积分增益Ti=250。

（3）负载。为校验各种检测方法有效性，对微电网从主网受电和微电网功率基本自平衡2种方式考虑各种负载特性。微电网从主网受电，各种负载参数：感性负载，R=40 Ω，L=0.6 H，C=16.9μF；容性负载：R=40 Ω，L=0.06 H，C=169μF；阻性负载，R=40 Ω，L=0.06 H，C=16.9μF；纯电阻负载，R=200 Ω。微电网功率基本自平衡，各种负载参数：感性负载，R=28 Ω，L=0.5 H，C=12.7μF；容性负载，R=28 Ω，L=0.05 H，C=127μF；阻性负载，R=28 Ω，L=0.05 H，C=12.7μF；纯电阻负载，R=28 Ω。

对微电网不同运行方式、不同负荷特性下微电网与主网联络线三相跳闸，形成孤岛。采用相位突变检测法、频率变化率检测法、并联电容回路投切检测法及组合决策法进行孤岛检测。其检测判据如下：

（1）相位突变检测判据设定为5°，即相位差大于5°即判定为孤岛；

（2）频率变化率检测的时间常数取滤波时间常数（0.10s），门槛值为0.1 Hz/s，即频率变化率大于0.1 Hz/s、持续时间超过0.10s即判定为孤岛；

（3）并联电容回路的投切采用理想开关，即联络线电流过零瞬间投入电容（0.1μF/相）。电容投入后实时检测并联电容回路上的电气量，以电压有效值作为判定量，判定是否为孤岛。

3.2.2 几种孤岛检测法检测效果对比

对图5仿真算例采用上述几种孤岛检测法对各种负载情况进行仿真计算，检测时间及效果如表1所示。

表1 几种检测方法的检测时间及效果对比s

（1）当微电网为非阻性负载（容性和感性）时，电压相位突变法可以快速检测出孤岛；当微电网为阻性或纯电阻负载时，电压相位突变法失效；

（2）当微电网从主网受电时，频率变化率法可以成功检测孤岛，其中阻性和电阻负载能够快速进行孤岛检测，而容性和感性负载由于进入孤岛后导致微电网电压下降进而造成有功功率不平衡程度减弱，导致检测时间延长，检测速度较慢，整体而言，频率变化法检测速度较电压相位突变法慢；当微电网功率自平衡时，频率变化率法失效；

（3）当微电网功率自平衡且为阻性或纯电阻负载时，电压相位法和频率变化率法均失效，主动投切电容回路法可以快速检测出孤岛；

（4）组合决策法以组合被动检测方法（电压相位突变为主判据、频率变化为辅助判据）为主要检测手段，以主动投切电容回路法作为辅助检测手段，是现有检测方法的综合应用，即在几种方法均有效的情况下，采取检测时间最短的方法，从而提高了微电网孤岛检测的成功率、检测速度和灵敏度。

4 结束语

在分析电压相位突变检测、频率变化率检测和主动投切电容回路3种孤岛检测方法的原理及检测特性基础上，提出了被动为主、主动为辅的组合决策孤岛检测法，使用Matlab/Simulink工具搭建微电网仿真模型，对微电网的不同运行方式、不同负荷特性下联络线跳闸，孤岛形成过程及采用各种孤岛检测法进行孤岛检测的过程进行仿真计算和对比分析，结果表明组合决策孤岛检测法消除了单一孤岛检测法存在的检测盲区，提高了检测速度和灵敏度，是一种适用于微电网的孤岛检测方法。

[1] YE Z H,KOLWALKAR A,ZHANG Y,et al.Evaluation of Anti-islanding Schemes Based on Nondetection Zone Concept[J].IEEE Transactions Power Electronics,2004,19（5）：1171-1176.

[2] De MANGO F,LISERRE M,Dell AQUILA A,et al.Overview of Anti-Islanding Algorithms for PV Systems.PartI:Passive Methods[C].EPE-PEMC2006,Portoroz(Slovenia)，2006.

[3] 陈为民，陈国呈，吴春华，等.基于分布式并网发电的新型孤岛检测研究[J].电工技术学报，2007，22(8)：114-118.

[4] FREITAS W，XU W，AFFONSO C M，et al.Comparative Analysis Between ROCOF andVector Surge Relays for Distributed Generation Applications[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2005，20(2)：1315-1324.

[5] 朱铭炼，于正友，龚春英.一种新颖的主动移频式孤岛检测方法[J].电力电子技术，2009，43（11）：31-32.