基于无功功率和频率的孤岛检测

摘要:针对逆变器孤岛检测方法,分析了孤岛在何种情况下不能被高/低频率(OFR/UFR)保护装置检测到的原因,提出了应用无功功率和频率之间的关系检测孤岛的方法,并应用Matlab进行仿真验证。

关键词:孤岛;无功功率;频率

中图分类号:TP274文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)18-4903-02

Based on Reactive Power and Frequency of the Islanding Detection

SUN Mei-ling, GUO Yong

(Qinhuangdao Institute of Technology, Qinhuangdao 066100, China)

Abstract: inverter islanding detection methods to analyze the circumstances under which the island can not be high/low frequency (OFR/UFR) protection device to detect the reasons for the application of proposed reactive power and frequency detection of isolated islands of methods and simulation verification.

Key words: island; reactive power; frequency

随着对低碳绿色能源的需求,分布式发电系统中的电源也采用了多种形式,如太阳能、燃料电池组、氢能、风能以及潮汐能等。其中分布式发电系统中的大部分电源均采用逆变器与电网连接,因此应用的孤岛检测是基于逆变器的孤岛检测。通常我们可以采用过/欠电压(OVR/UVR)和高/低频率(OFR/UFR)保护装置作为孤岛的检测装置。

1 分析孤岛不能被检测到的原因

如图1所示为基于逆变器孤岛检测的测试电路图。在逆变器和电网中间,RLC谐振电路模拟反孤岛检测负载,改变负载大小可以检测逆变装置的反孤岛可靠性。用S的开和关模拟并网和断网工作状态。

1)当并网工作时根据其功率平衡可得公式1和公式2:

(1)

(2)

式1中电网电压用Ug表示,逆变电源输出的有功功率用P表示,逆变电源输出的有功功率和负载的有功功率的差值用ΔP表示,式2中电网电压波形的角频率用ωg表示,逆变电源输出的无功功率用Q表示,而逆变电源输出的无功功率和负载的无功功率差值用ΔQ表示。

2)当电网断开时根据其功率关系可以得到公式3和公式4:

(3)

(4)

式3中逆变电源输出电压用Uinv表示,式4中逆变电源输出电压波形的角频率用ωinv表示。

由公式1～公式4可得到公式5:

(5)

当逆变电源与电网断开时,如果ΔP≠0,ΔQ≠0则由公式5可以推出,当逆变电源输出的频率发生变化超过设定的阈值时,就可以应用高/低频率(OFR/UFR)保护装置检测到孤岛,从而关闭逆变器。如果ΔP=0,ΔQ=0,带入公式5可得公式6:

(6)

解公式6,可以得到ωinv=ωg,由于逆变电源输出的频率变化太小,以至于不能应用高/低频率(OFR/UFR)继电保护装置检测到孤岛发生。

2 无功功率和频率的关系

当开关S断开,模拟逆变系统与电网断开情形,此时系统处于孤岛运行状态,负载端电压变化的大小将由逆变电源与负载的有功功率的不匹配程度决定。而频率变化的大小将由逆变电源与负载无功功率的不匹配程度决定。由公式(7)、公式(8)表示其负载特性。

(7)

(8)

从公式(8)中我们可以推出,当负载电压V增大或减小时,ω也会发生相应的变化。即当ΔP≠0时,负载电压增大或减小,如果此时逆变电源的无功功率没有变化,则ω依据公式8相应的减小或增大。如果此时逆变电源输出的功率因数等于1,即Qload=Qpv=0。则可得到公式(9):

(9)

从公式(9)中可以得出电感电容发生谐振,其谐振频率为。如果功率因数不等于1,即使逆变电源输出的无功功率与负载所需求的无功功率相等,此时角频率ω的大小将由无功补偿的匹配程度决定。在一定负载条件下,系统无功功率平衡时的电压变化可以用图2来描述。

负载电压特性由1曲线和1'曲线两条曲线表示; 电力系统Q-V特性由2曲线和2'曲线两条曲线表示,两者的交点A为系统平衡点。当增加负载无功功率需求时,由1曲线升高到1'曲线,如果此时系统提供的无功功率也相应增加,则2曲线可升高到2'曲线,若系统电压仍维持在VA,则系统平衡点将由点A变为点C;如果电压变小即由,则系统平衡点将由点A点变为点A'。再根据公式7和公式8所示的负载特性,我们就可以得到无功功率和频率之间的关系,从而应用此关系检测孤岛。

3 应用无功功率和频率之间的关系检测孤岛的仿真实验

系统并网运行时,电网频率恒定在50Hz。当分布式发电系统与电网断开处于孤岛运行状态时,如果逆变电源输出的无功功率和负载需求的无功功率不匹配时,负载频率将发生变化。本仿真实验中对并网运行时负载需求的无功功率进行相应设计,使逆变系统提供的无功功率和负载所需求的无功功率不匹配,即部分无功功率由电网提供。这样就可以使系统发生孤岛时,频率由于ΔQ≠0而发生相应变化,从而应用高/低频率(OFR/UFR)保护装置能够检测出孤岛发生。本实验中应用Matlab进行仿真,其实验仿真如图3所示。实验中系统仿真时间设定为1.6s。在0.2s时3-Phase Break控件设定为断开即逆变系统与电网断开,使逆变系统运行在孤岛状态。

1)当负载为纯电阻时,值为1000 W(P),频率下降约为0.22Hz。如图4所示。

图4 纯电阻频率仿真

2)当负载为电阻电感电容并联时,值为1000 W(P)+1000 Var(QL)+1000 Var(QC),频率下降约为0.25Hz。其频率仿真图如图5所示。

参考文献:

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