光伏微网系统孤岛检测中的阻抗测量仿真

肖龙，杨国华，周鑫，姚琪，朱向芬，智腾飞，王金梅

（1.宁夏大学电气工程与自动化系，银川 750021；2.宁夏电力公司，银川 750001）

光伏微网系统孤岛检测中的阻抗测量仿真

肖龙1，杨国华1，周鑫1，姚琪2，朱向芬，智腾飞1，王金梅1

（1.宁夏大学电气工程与自动化系，银川 750021；2.宁夏电力公司，银川 750001）

针对目前有源孤岛检测法检测信道间相互干扰及注入扰动量对电能质量产生影响等不足之处，提出了一种基于阻抗测量原理的孤岛检测方法。介绍了阻抗测量法的检测原理及孤岛判定依据，分析了信号发生器的触发位置、触发角等因素对多分布式电源干扰的影响及抑制，探讨了短路脉冲电流信号对分布式电源出线端电压偏差的影响机理。利用Matlab/Simulink对系统孤岛、并网运行状态进行建模仿真，仿真结果表明利用阻抗测量法进行多信道检测可以显著抑制干扰，降低对电能质量的影响，有效实现孤岛检测。

孤岛检测；阻抗测量；多源微网；分布式电源；短路电流

在含有多分布式电源的微网系统中，孤岛检测是微网系统并网运行时必须解决的一个重要问题[1～6]，当电网停止供电后，电源检测装置能及时地检测出电网的失电状态，从而使触发信号控制并网断路器断开，停止向失压电网供电，从而保证人身及设备安全，避免发生重大安全事故[7～12]。目前，在众多的孤岛检测方法中，有源检测方法使用较为普遍[13，14]，但有源检测方法是通过向系统注入干扰信号使得系统电压和频率等参数超越门槛值从而判别孤岛[15～17]，由于干扰信号的注入使系统参数对检测效果影响较大并且电能质量也会降低，因此，在对微网系统中多个分布式电源DG（distributed generation）同时进行孤岛检测时，传统的有源检测方法会出现检测信号间的干扰问题，为克服并解决上述问题，有必要采用新型方法，基于阻抗测量的孤岛检测法应运而生。

1 阻抗测量法基本原理

1.1 阻抗测量法

基于阻抗测量的孤岛检测方法，适用于分布式电源DG以微网形式并入电网的系统，即多源微网系统，实质是根据微网在并网和孤岛运行时分布式电源出口处的阻抗不同，通过测定DG出口处的相间短路水平，从而判定微网系统的运行状态。具体来说，就是分别建立系统孤岛和并网运行时的等效阻抗检测模型，进而推导出两种运行状态的短路电流表达式，探讨信号发生器的触发位置、触发角和触发周期等因素对多DG的干扰性影响，在满足电压偏差、电流偏差条件下，分析系统和信号发生器SG（signalgeneration）容量对电能质量的影响。

1.2 阻抗检测原理

微网系统中主电网的等效阻抗比DG的等效阻抗小的多，使得DG在孤岛和并网运行时测得的阻抗值有明显变化。图1给出了一个含有2个分布式电源的典型微网系统阻抗分布，为了方便对阻抗大小进行分析，图1中各部分阻抗用标幺值形式给出。当图中断路器QF0闭合时，微网处于并网运行，DG1和DG2出口的系统阻抗分别为0.187p.u.和0.162 p.u.；而当图中断路器QF0断开，微网处于孤岛状态，在DG1和DG2出口端测得的系统阻抗分别增大为0.67 p.u.和0.60 p.u.。

图1 典型微网系统阻抗分布Fig.1 Impedance diagram of a typicalm icro-grid system

利用DG出口端系统阻抗的明显变化可以实现孤岛状态检测，而DG出口端的短路电流能有效地反映这种变化，如果能够对出口端短路电流进行检测，那么短路电流的大小变化就能实现孤岛状态的判定，如图2所示。在每个DG出口端任意两相间放置一个与降压变压器串联的信号发生器SG，SG中的电力晶闸管检测DG出口端电压波形的上升沿与下降沿，并在电压过零时给晶闸管一个合适的触发角δ使晶闸管处于开通状态，形成相间主动短路，方便检测系统孤岛、并网运行状态下的短路电流。

图2 信号发生器连接Fig.2 Signalgenerator connection

1.3 短路电流公式推导

系统检测模型如图3（a）所示，当晶闸管未导通时晶闸管电压为

式中：VN为与晶闸管串联变压器二次侧的线电压；vpp（t）为信号发生器两端电压。

等效模型如图3（b）所示。图中Xs和XDG分别是公共电网和分布式电源的正序电感，XTDG和XTSG分别是升压变压器和降压变压器的电感，SG为信号发生器，ΔV（t）为公共点电压偏差。

图3 阻抗测量孤岛检测法等效分析Fig.3 Equivalentanalysisof the proposed islanding protection

式中，δ为晶闸管脉冲触发角。

当DG孤岛运行时，短路电流为

当DG并网运行时，短路电流为

由于Xs+XTDG＜XDG，可得i1（t）＞i2（t），即并网运行短路电流大于孤岛运行短路电流，从而辨别孤岛。孤岛运行与并网运行时的短路电流之差为

电流峰值差ΔI可以作为图2中SG内部检测算法的门槛值，利用这一门槛值来判定是否发生孤岛。

2 孤岛检测信号间的干扰抑制

微网系统中含有多个分布式电源，不同的分布式电源检测信号间必然产生较为显著的干扰影响，检测信号间的干扰影响制约了一些有源检测方法的深入应用。而基于阻抗测量的孤岛检测技术则有所不同：用SG装置构成相间短路，通过控制触发位置、触发角和触发周期从而提取相间短路电流，可以有效解决并抑制检测信号间的干扰问题，脉冲电流变化如图4所示。

图4 不同检测通道脉冲电流Fig.4 Pulsecurrentofdifferentdetection channel

假设图4中DG出口端电压为ab相间电压，则短路电流为ab相间的短路电流。其相间可由ab、ac、bc构成，这样就有3个不同的检测信道，信道间的检测信号不会相互干扰。从图4中又可知脉冲电流是在电压正向过零前δ角触发晶闸管导通得到的，考虑负向过零每个相间通道上又衍生出两个互不干扰的检测信道，至少存在6种检测信道，具体如表1所示。

图4中通过设置晶闸管的触发周期，即晶闸管在几个周波内导通一次，获取一次短路脉冲电流，对于不同的分布式电源选择在不同的周波内完成孤岛检测，检测信号间的提取就不存在时间上的重叠，因而检测信号间的干扰被有效抑制。

表1 SG位于相间的检测通道Tab.1 Phase-to-phasedetection channelof SG

3 脉冲电流变化对电能质量的影响机理

微网中含有多个DG，当一个DG被晶闸管触发短路时，由于系统等效阻抗Xs在公共支路上，从而短路脉冲电流大小会受到其他DG同时触发的影响，脉冲电流变化会影响DG出口端电压偏差ΔVmax变化，ΔVmax常被用来衡量一个DG被触发短路时对电能质量的影响程度。

当ΔVmax变化量小于1%且ΔI＞5 A时称作可行区域，在这个区域内电能质量会达到满意的效果[2]。一般地，并网状态和孤岛运行时的电压偏差[2]可以分别表示为

根据图3（b）中的阻抗测量法等效模型，选取典型参数如下：公共电网短路容量为300MVA，DG含25%电抗容量为5MVA，DG变压器含5%电抗容量为6MVA，SG变压器含3%电抗容量为300 kVA。因此，Xs、XDG、XTDG和XTSG的电抗分别为2.4Ω、5 Ω、0.85Ω和10Ω。

当SG触发角从5°变化至30°时，根据式（4）和式（6）绘制ΔVmax-ΔI变化曲线，如图5所示。比较曲线①、②、③可知，公共电网容量越大，可行区变得越宽；比较曲线③、④可知，在公共电网容量为50MVA时，增大SG变压器的容量至500 KVA，可行区变大，电流偏差越大越有利于孤岛的检测，可行区也变大。由此可见，在保证电能质量达到要求（即可行区内）的情况下，该方法可以可靠地检测孤岛。

图5 电压偏差和电流偏差Fig.5 Voltage deviation and current deviation

4 M atlab/Simulink仿真及结果分析

为进一步验证检测信号对系统电能质量的影响及变化，选用Matlab/Simulink分别对系统孤岛、并网运行状态进行建模，参数选择为：公共电网故障容量为100MVA，电压等级为10 kV，电网频率为50Hz；DG容量为3MVA；检测信号的提取装置SG置于ab相之间，晶闸管触发角为10°，负载容量为2MVA，功率因数η=0.9。通过监测孤岛、并网两种运行状态下的线电压Vab及短路脉冲电流，其仿真输出波形如图6所示。

图6 相间电压和晶闸管电流Fig.6 Phase-to-phase voltage and thyristor current

由图6可知，虽然并网和孤岛运行时的电压波形变化不大，但孤岛运行时晶闸管短路脉冲电流远比并网运行时小，这样就可以有效检测出孤岛状态。利用powergui工具对系统某些节点电压谐波畸变THD（totalharmonic distortion）进行检测分析。图7为多源微网系统中孤岛运行状态下，DG出口处ab相间电压谐波畸变含量。

为了进一步分析该方法对整个系统电能质量的影响，分别选择对DG出口处和负荷处进行谐波检测，检测到的电压谐波畸变数据如表2所示。

从表中数据分析可知，SG置于ab相之间时，孤岛电压谐波畸变总体高于并网时的畸变率，ab线电压畸变率总体高于ac线电压畸变率，对于非故障c相得谐波畸变几乎为零，可见该方法对电能质量的影响相对较低，满足《电能质量公共电网谐波》中供电线路电压谐波畸变率限值的规定的。

图7 DG出口处ab相电压谐波畸变率Fig.7 THD of DG term inalofab phase-to-phasevoltage

表2 不同节点电压总谐波畸变率Tab.2 THD of differentnodesvoltage

5 结语

本文采用基于阻抗测量的孤岛检测方法，根据发生孤岛现象前后DG出口处的阻抗有显著的变化从而利用短路脉冲电流的变化来判别孤岛状态；采用Matlab/Simulink搭建了仿真模型，分别通过对孤岛、并网运行状态下ab相间短路电流、线电压及系统模型不同节点的电压谐波畸变进行了仿真研究，结果表明：基于阻抗测量法的孤岛检测方法不仅能够有效地检测孤岛状态，而且系统模型中谐波畸变量最大为0.78%，满足《电能质量公共电网谐波》的要求，同时很好地解决了检测信道间的干扰问题。该方法算法简单，易于实现，在多源微网并网发电系统的孤岛检测工程中应用前景广阔。

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Simulation for ImpedanceM easurementof Islanding Detection in Photovoltaic M icro-grid System

XIAO Long1，YANGGuo-hua1，ZHOUXin1，YAOQi2，ZHUXiang-fen1，ZHITeng-fei1，WANG Jin-mei1
（1.DepartmentofElectricalEngineeringand Automation，Ningxia University，Yinchuan 750021，China；2.Ningxia Electric Power Company，Yinchuan 750001）

Aiming at the disadvantages ofmutual interference between different detection channels ofactive detection and the influence on power quality due to the disturbance variable，a novelmethod based on impedancemeasurement is proposed for islanding detection.The detecting principle of the impedancemeasurementand the criterion for islanding detectionwere illustrated，and the impactsand inhibition of different trigger localand trigger angle ofsignalgeneratoronmultiple distributed powerswere analyzed，and the dynamicmechanism ofshort impulse current for voltage deviation of distributed generation terminalwas studied.Matlab/Simulink was utilized to set up different detection systems，and the simulation was processed afterward.The numerical illustration indicates that the proposedmethod is remarkably reliable on detecting islanding conditions，moreover，itcan solve the interference problem in themulti-channeldetection，and reduce the impacton powerquality.

islanding detection；impedancemeasurement；multi-sourcemicro-grid；distributed resource；short current

TM615

A

1003-8930（2013）05-0040-05

肖龙（1987—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统保护与控制。Email：xl12006243705@163.com

2012-07-23；

2012-09-11

国家自然科学基金项目（71263043）；国家自然科学基金项目（51167015）；宁夏回族自治区高等教育“质量工程”改革项目（2011JG-22）；宁夏自治区自然基金项目（NZ12140）

杨国华（1972—），男，通信作者，硕士，教授，硕士生导师，研究方向为新能源发电技术与微网系统。Email：ghyangchina@126.com

周鑫（1988—），男，硕士研究生，研究方向为新能源发电与微网技术。Email：zhou_xin1988love@163.com