配电网孤岛保护综述

摘要:以可再生能源及清洁能源为代表的分布式电源在配电网中的渗透率日趋升高,当主电网由于故障或检修而停止对部分负荷供电时,用户侧的分布式电源可能与负荷构成一个可独立运行的孤网系统,从而脱离电网调度系统的控制,如果不能明确地给出孤网系统与主电网的断开点,则可能引发一系列人身和运行隐患。该文对计划性孤岛和非计划性孤岛的特点进行了分析,着重讨论了孤岛系统的被动式和主动式检测方法,指出了各种方法的优缺点。

关键词:孤岛;孤岛保护;分布式电源;频率保护

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)21-5863-02

The Brief about Anti-Island Protection of Distributed Grid

ZHAO Xue-hui1, MA jin2

(1.Hefei Institute of Automation Supply Inc., Hefei 230022, China; 2.Nanjing Sifang Epower Automation Co.,Ltd, Nanjing 211101, China)

Abstract: As the distributed power represented by renewable energy and clear energy has been used more and more widely, when main power grid stops to supply power to some load due to fault or maintenance, the distributed power on user side can form an independent isolated grid system with load to get rid of the control of power grid dispatching system. If the tripping location between isolated grid system and main power grid could not be determined definitely, a series of hidden trouble of health and operation might be caused. This thesis analyzes the characteristics of planned isolated island and non-planned isolated island, discusses the passive and active detection methods of isolated island system and point out the advantages and disadvantages of different methods.

Key words: isolated island, isolated island protection, distributed powerfrequency protection

随着以风电、光伏发电、微型燃气轮机等分布式电源(Distributed Generator,简称DG)在配电网中的渗透率日趋升高,传统配电网的架构将发生较大变化[1-2],例如,传统的单向潮流变为双向潮流;传统的变电站10kV侧进行电压无功调节,转变为需要综合考虑负荷侧DG的电压调节能力;传统的配电网采取辐射型供电,主网断电则负荷失电,而目前则需要考虑DG可能继续在给负荷供电,组成局部的孤网;另外,大部分DG的并网接口是以电力电子逆变器构成,与传统的同步发电机相比,在电网发生故障时一般不会提供2倍以上的短路电流,这也对含DG的配电网继电保护提出了新的要求。本文从孤网的定义入手,分析计划性孤岛与非计划性孤岛的特点,总结现行的若干孤岛检测的方法。

1 孤岛的定义

正常运行情况下,由主供电系统及DG共同向周围的负荷供电,而在主配电系统故障或检修的情况下,在与之相关的开关设备断开后,由DG独立向负荷供电。主配电系统断开后,DG与当地负荷一起组成一个小的孤立电网,称为孤岛(Island)。

在孤岛运行方式下,要求孤岛内电源与负荷的容量必须是平衡的,如果功率(有功及无功)不平衡,孤岛内的电压和频率将无法维持稳定,所以也就无法持续运行。从运行模式上,孤岛分为计划性和非计划性孤岛。

为了维持孤岛系统的稳定运行,应根据分布式电源容量和本地负荷的大小,事先确定好合理的孤岛区域,在与主系统隔离后,不需要大的调节就能够保持孤岛内功率的平衡和电压频率的稳定。这种事先划定的孤岛区域,称为计划孤岛(Intentional Island)。一般来说,计划性孤岛是DG对大电网的一个有利补充,可作为重要用户的一种紧急供电手段。

非计划孤岛运行是指因主配电系统侧故障跳闸且DG带非匹配负荷运行的情况。一般来说,在与主系统分开以后,非计划孤岛内的功率是不平衡的,若长时间运行,必然会导致孤岛系统中电压和频率的严重偏离,造成DG及其周围负荷用电设备的严重损坏。此外,在主配电系统侧故障,配电系统侧保护装置动作跳闸后,非计划孤岛系统中的DG仍有可能继续向故障点提供短路电流,使故障得以维持,绝缘无法恢复,将会导致系统侧重合闸、备自投或故障后配网重构等无法正确运行。因此,需要配置孤岛保护,在非计划性孤岛时控制DG退出运行。

目前孤岛检测方法主要分为被动检测和主动检测[3-6]。被动检测法和主动检测法都是基于本地的局部信息,一般安装在DG的出口处,本文仅讨论以逆变器并网的DG孤岛检测。

2 被动式孤岛检测

与主配电系统失去联系后,孤岛内的功率往往是不平衡的,DG所承担的负荷也会发生变化,从而引起本地电气量的变化。被动检测就是通过检测孤岛形成前后的频率、电压、功率输出等电气量变化,来判断是否与主电网断开。主要包括低频低压、高频高压、频率变化率法、矢量相移法(Vector Shift)和功率波动法等。

1)低频低压与高频高压检测:DG并网运行时,所以频率和电压不会有很大的波动,总能够在允许的范围之内。出现孤岛时,若干负荷不匹配,则频率和电压的很难维持稳定,由此可构成判据。

频率判据:当检测到的频率在49.5～50.5 Hz之间时,认为DG处于并网状态,而低于49.5Hz或高于50.5Hz时,认为DG处于孤岛状态。

电压判据:当检测到的电压在电网额定电压的90～108%之间时,认为DG处于并网状态,而低于90%或高于108%时,认为DG处于孤岛状态。

利用低频低压与高频高压法检测孤岛状态的优点是原理简单、实现方便,但由于仅反映频率及电压的大小,容易受重负荷切换或大电源跳闸等原因引起的频率、电压变化的影响,误动率较高。此外,如果孤岛部分的功率基本平衡或发电机有一定的调节能力,形成孤岛以后频率电压也可能基本不变,或变化不超出整定的范围,将会造成孤岛状态的漏检。所以这种检测方式一般仅用在较小容量的分布式发电设备上或仅作为一种辅助的检测手段。

2)频率变化率检测:计算DG出口处频率的变化率来判断其是否处于孤岛运行状态。当DG与主网并列运行时,整个系统的等值惯性常数H较大,因正常负荷切换引起的频率变化率很小;而与主网分开后,孤岛内仅包含部分DG和旋转负荷,其惯性常数很小,即使较小的功率不平衡也可能引起较大的频率变化率,因此可以依靠频率变化率来判断是否与主网断开。在实际应用中,本判据的定值与系统参数和系统规模相关,系统越强,定值越小,一般为0.1～1Hz/s。

DG的并网逆变器上,一般都可以实现被动式的孤岛检测,不需要额外配置单独的继电保护装置。但是,所有被动检测法存在的最大问题是,不容易区分大的负荷变化、干扰和孤岛运行,容易引起误跳闸;另外,在孤岛内功率基本平衡时,由于电气量变化很小,被动检测法很难检测到主网的断开。

3 被动式孤岛检测

主动检测通过控制DG对系统施加一个外部干扰,然后监视系统的响应来判断是否形成孤岛,一般是通过调制DG的有功或无功输出,检测电压和频率的响应变化。有的主动检测还可以构成正反馈,加快孤岛的瓦解。

主动频率扰动法[3]:逆变器控制系统计算出电网电压的频率f,然后在此频率f的基础上加上一个较小的扰动量Δf,以频率f±Δf作为逆变器输出的设定频率向系统注入电流。当电网无故障时,主网非常强大,偏移量Δf对主网的影响可以忽略不计,负载上的电压频率即为电网电压频率,因此逆变器每次检测到的电网电压频率基本不变,向系统中输出的电流频率f±Δf也基本不变;而当失去主网供电时,逆变器的输出电流单独作用于负载上,输出电流频率由于缺少了主网的纠正,将会逐周期偏移。所以,逆变器每次检测到的负载电压频率就会相应地改变,这样,就形成了设定输出电流频率的正反馈,使得负载电压的频率很快就会超过频率保护的上、下限值,从而使系统有效检测出失去主网供电,因此,主动频率扰动法使系统具有了良好的孤岛检测功能。

主动检测将向系统施加外部干扰,即使是功率完全平衡的孤岛,也可以通过主动干扰来破坏功率平衡,从而被可靠地检测出来。但外部干扰会影响供电质量,检测的时间也会比被动检测长。当系统中包含多个分布式电源时,各电源主动检测装置发出的干扰信号可能互相影响,降低检测效果。

4 总结

现行的DG并网运行规程一般都要求采用防孤岛保护,在配电系统发生故障时主动地将DG设备退出。这一方面是为了防止危害严重的非计划孤岛状态的出现,同时也是为了消除DG对系统保护和控制的不利影响。

但是,基于局部信息的检测方法,尤其是基于电气量变化的被动检测法,其动作没有选择性。在系统扰动时,容易造成大量DG退出运行,引起共模跳闸问题。特别是当系统中出现功率缺额,造成频率、电压降低时,大量DG的退出将加大功率缺额,使情况进一步恶化。防孤岛保护在系统一受到扰动时就退出DG,不能充分利用DG的发电能力和紧急备用功能。系统扰动时退出大量DG,将增加对主系统旋转备用的要求。退出DG后,若因永久故障或重合失败等原因,系统不能及时恢复供电,将影响本地负荷的供电和系统的供电可靠性。

DG在系统中所占的比重提高后,防孤岛保护带来了一系列的问题。如何在快速检测孤岛并退出DG,与充分利用DG的供电能力这两个矛盾的方面进行取舍,是下一步分布式发电系统考虑的重点。

参考文献:

[1] 王建,李兴源,邱晓燕.含有分布式发电装置的电力系统研究综述[J].电力系统自动化,2005,29(24).

[2] 王仲颖,李俊峰,梁志鹏,等.2002中国新能源和可再生能源发展分析[R].国家发展委员会,2002.

[3] 杨海柱,金新民.基于正反馈频率偏移的光伏并网逆变器反孤岛控制[J].太阳能学报,2005(6).

[4] 郭小强,赵清林,邬伟扬.光伏并网发电系统孤岛检测技术[J].电工技术学报,2007(4).

[5] 陈卫民,陈国呈.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(8).

[6] 张纯江,郭忠南.主动电流扰动法在并网发电系统孤岛检测中的应用[J].电工技术学报,2007(7).

注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文