武威職業(yè)學院 顏魯薪

過/欠壓和過/欠頻孤島檢測方法研究

武威職業(yè)學院 顏魯薪

從被動式孤島檢測的角度，探討了過/欠壓和過/欠頻孤島檢測法的原理和其相對困難的負載形式下的孤島檢測，得到了這種檢測方法的優(yōu)缺點，為合理使用該方法進行孤島防護提供了依據(jù)。

光伏并網(wǎng)；孤島；被動；檢測

引言

所謂孤島效應是指當電網(wǎng)供電因故障事故或停電維修而跳脫時，各個用戶端的分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)未能即時檢測出停電狀態(tài)而將自身切離市電網(wǎng)絡，而形成由分布電站并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負載組成的一個自給供電的孤島。

孤島一旦產(chǎn)生將會危及電網(wǎng)輸電線路上維修人員的安全；影響配電系統(tǒng)上的保護開關的動作程序，沖擊電網(wǎng)保護裝臵；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；當電網(wǎng)供電恢復后會造成的相位不同步；單相分布式發(fā)電系統(tǒng)會造成系統(tǒng)三相負載欠相供電。因此對于一個并網(wǎng)系統(tǒng)必須能夠進行反孤島效應檢測。

被動式孤島檢測方法是其中重要的防孤島方法。被動式檢測法無需向電網(wǎng)注入任何擾動信號，只是通過實時檢測公共耦合點PCC處的電壓參數(shù)是否超過閥值來識別孤島現(xiàn)象，因此對供電質(zhì)量無影響。被動檢測法包括過/欠壓保護及過/欠頻保護，電壓相位突變檢測等。

1.過/欠壓和過/欠頻檢測法

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

圖1　典型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖

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

當光伏逆變器并網(wǎng)運行，△P為正時，需要從電網(wǎng)吸收能量。而當△P為負時，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)運行在單位功率因數(shù)下，因此可以認為Qpv為零，負載所需無功功率則完全由電網(wǎng)提供。

2.RLC并聯(lián)負載孤島檢測方法

下面針對檢測相對困難的負載形式—RLC并聯(lián)負載來進行孤島檢測方法的研究。當本地負載為RLC并聯(lián)形式時，負載所需的有功功率和無功功率可用式3，式4表示，這里ω指瞬時電壓的角頻率。

在圖1中，當投切開關2斷開時，光伏逆變器與本地負載形成一個孤島，下面針對△P和△Q分五種情況分析。

△P＞0;這種情況說明負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也會隨著減小，當VPCC減小到電壓下限閥值時，可通過UVR檢測出來，從而進行孤島保護。

△P＜0;這種情況說明負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也會隨著增大，當V增大到電壓上限閥值時，可通過OVR檢測出來，從而進行孤島保護。

△Q＞0；意味著負載是感性的，需要滯后的無功功率。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ω超過頻率上限時，可通過OFR檢測出來，從而進行孤島保護。

△Q＜0；意味著負載是容性的，需要超前的無功功率，同理，當電網(wǎng)斷電后，VPCC的ω一直減小，當降低到頻率下限時，可以通過UFR檢測出來，從而進行孤島保護。

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

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

如果PCC處的電壓上、下限值分別為V2,V1，則當電壓落入V1＜V＜V2時，過/欠電壓檢測法無法識別孤島效應。即若滿足，則進入了過/欠壓檢測法無法識別孤島效應。若滿足式6，則進入了過/欠電壓保護的非檢測范圍。

并聯(lián)RLC負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/欠頻的非檢測區(qū)范圍可用式9表示。

3.結論

由此可見，過/欠壓、過/欠頻檢測法具有實現(xiàn)方便、成本低，以及不向電網(wǎng)注入任何諧波的優(yōu)點。該方法的缺點：有很大的非檢測區(qū)域，并且針對不同的負載，其孤島保護響應時間不可預測。

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