CN101651337A - 基于相位偏移和频率变化的复合型孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位偏移和频率变化的复合型孤岛检测方法。首先，设置两个相位偏移动作值Δθ₁和Δθ₂，且满足Δθ₁＞Δθ₂；当分布式发动机(DG，Distributed Generator)端电压的相位偏移角Δθ＞Δθ₁时，直接判断DG为孤岛运行；而当Δθ₁＞Δθ＞Δθ₂时，引入频率变化值Δf作为辅助检测量，只有同时满足Δθ＞Δθ₂且Δf＜Δf₁时，Δf₁为频率变化动作值，检测装置才动作，判断为孤岛状态；孤岛检测的复合型动作判据归纳如下：Δθ＞Δθ₁ (1)或Δθ＞Δθ₂且Δf＜Δf₁ (2)上述判据(1)用于孤岛瞬间DG和负载有功功率不匹配程度较大时的情况，而判据(2)用于孤岛后DG所带负载有功功率变化不大的情况，即传统相位偏移法无法检测出的孤岛状况，通过引入频率变化量，将相位偏移和频率变化相结合，判断DG是否处于孤岛状态。

Description

基于相位偏移和频率变化的复合型孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及属于配电网的保护与控制技术领域和分布式发电技术领域，更具体地说是涉及一种分布式同步发电机的基于相位偏移和频率变化的复合型孤岛检测方法。

背景技术

并网运行的分布式电源需安装孤岛检测装置，快速、准确地检测出孤岛状态，一旦孤岛发生立即采取相应措施，消除孤岛运行可能产生的危害。由于分布式发电机(DG，DistributedGenerator)的种类及其并网方式不同，其孤岛检测的方法也不同。对于同步发电机而言，一般采用基于本地(DG侧)电气量变化的被动检测法。其中，利用DG端电压相位偏移进行孤岛检测是一种运用于实际的孤岛检测方法，但该方法存在灵敏度及可靠性问题。

相位偏移法的依据是孤岛发生瞬间DG输出的有功功率与负载有功功率的不平衡，从而引起DG端电压频率的变化及相位的偏移。当孤岛瞬间功率不平衡的程度较小时，DG端电压的相位偏移量很小，而DG与电网并联运行时负载的变化也会引起同样大小的相位偏移值，装置无法区分孤岛与非孤岛。为防止孤岛检测装置误动，必须设定一个较高的相位偏移动作值，从而降低了检测装置的灵敏度。仅靠检测相位偏移不能解决灵敏度和误动的矛盾。

发明内容

针对传统相位偏移法存在的灵敏度和可靠性问题，本发明提出了一种基于相位偏移和频率变化的复合型孤岛检测方法，将频率变化引入孤岛检测，与相位偏移相结合组成复合判据，在保证可靠性的前提下，有效地提高孤岛检测装置的灵敏。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于相位偏移和频率变化的复合型孤岛检测方法，它通过检测DG端电压的相位偏移量Δθ和频率变化值Δf来判断DG是否处于孤岛运行状态；

首先，设置两个相位偏移动作值Δθ₁和Δθ₂，且满足Δθ₁＞Δθ₂；当分布式发动机端电压的相位偏移角Δθ＞Δθ₁时，直接判断DG为孤岛运行；而当Δθ₁＞Δθ＞Δθ₂时，引入频率变化值Δf作为辅助检测量，只有同时满足Δθ＞Δθ₂且Δf＜Δf₁时，Δf₁为频率变化动作值，检测装置才动作，判断为孤岛状态；孤岛检测的复合型动作判据归纳如下：

Δθ＞Δθ₁    (1)

或Δθ＞Δθ₂且Δf＜Δf₁(2)

上述判据(1)用于孤岛瞬间DG和负载有功功率不匹配程度较大时的情况，而判据(2)用于孤岛后DG所带负载有功功率变化不大的情况，即传统相位偏移法无法检测出的孤岛状况，通过引入频率变化量，将相位偏移和频率变化相结合，判断DG是否处于孤岛状态。

所述频率变化动作值Δf₁的选取应大于孤岛瞬间功率不匹配程度较小时产生的频率变化最大值，相位偏移动作值Δθ₁应大于DG与电网并联运行时负载的变化引起的相位偏移最大值，Δθ₂的选取与灵敏度要求有关，选取的值越小灵敏度越高。

图1为安装有相位偏移继电器的分布式发电系统等值电路，假定分布式电源为同步发电机。在正常运行情况下，如果断路器CB₂跳开则会形成孤岛，由于DG所带负载功率的突然增加(或减少)，DG端电压U和电动势E之间的功角δ会发生变化，端电压将从孤岛前的u跳变到一个新的值u′，其相位也会随之改变。随着时间的推移u′与u之间的相位差Δθ逐渐增大，直至DG的频率重新回归到额定值，如图2所示。端电压的这种变化称之为相位偏移，相位偏移法就是基于这一特性而建立的一种孤岛检测方法。相位偏移继电器不间断地检测端电压U的相位变化值Δθ，如果Δθ大于继电器设定的阈值α，则发出孤岛运行信号。

基于相位偏移和频率变化的复合型孤岛检测方法。该方法通过检测DG端电压的相位偏移量Δθ和频率变化值Δf来判断DG是否处于孤岛运行状态，设置两个相位偏移动作值Δθ₁和Δθ₂，且满足Δθ₁＞Δθ₂。这里，Δθ₁为大定值，Δθ₂为小定值。当相位偏移角Δθ＞Δθ₁时，直接判断DG为孤岛运行；而当Δθ₁＞Δθ＞Δθ₂时，引入频率变化值Δf作为辅助检测量，只有同时满足Δθ＞Δθ₂且Δf＜Δf₁时，检测装置才动作，判断为孤岛状态。孤岛检测的复合型动作判据归纳如下：

Δθ＞Δθ₁(1)

或Δθ＞Δθ₂且Δf＜Δf₁(2)

上述判据(1)用于孤岛瞬间DG和负载有功功率不匹配程度较大时的情况，而判据(2)用于孤岛后DG所带负载有功功率变化不大的情况，即传统相位偏移法无法检测出的孤岛状况，通过引入频率变化量，将相位偏移和频率变化相结合，判断DG是否处于孤岛状态。频率变化动作值Δf₁的选取应大于孤岛瞬间功率不匹配程度较小时可能产生的频率变化最大值，相位偏移动作值Δθ₁应大于DG与电网并联运行时负载的变化引起的相位偏移最大值，Δθ₂的选取与灵敏度要求有关，选取的值越小灵敏度越高。

本发明的有益效果为：本发明提出的基于相位偏移和频率变化的复合型孤岛检测方法与传统相位偏移法相比较，当孤岛瞬间功率不平衡的程度较小时引入了频率变化量，用于区别孤岛与非孤岛，其实质就是在保证可靠性的前提下，通过降低阈值，提高孤岛检测装置的灵敏度。

附图说明

图1装有相位偏移继电器的系统等值电路；

图2DG端电压的相位偏移图；

图3相位偏移与频率变化的关系图；

图4动态模拟系统图；

图5a频率变化与相位偏移的动模仿真试验结果；

图5b为孤岛前DG所带有功功率为7.5kW的变化情况；

图5c为孤岛前DG所带有功功率为8.0kW的变化情况；

图5d为孤岛前DG所带的有功功率为8.5kW时相位的变化情况；

图5e是负载由6kW增加到10kW时DG端电压相位的变化情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本发明的检测原理：

相位偏移角Δθ是频率变化Δf引起的累计值，其大小由频率变化的大小和变化所持续的时间两个因素决定，可以推导出它们之间的关系为：

Δθ＝2π∫Δfdt

由上式可知，对于相同的相位偏移量，频率变化所持续的时间不同，相应的频率变化最大值也不同，可用图3表示，其中t₁、t₂及t₁′、t₂′分别为两种不同情况下频率变化的启始及结束时刻，Δθ为图中阴影部分的面积。可见，对于相同的Δθ，相应的频率变化最大值是不同的。

对DG而言，当与电网并联运行时负载变化引起的相位偏移与孤岛状态下的相位偏移相等时，相应的频率变化值是不同的。对于前一种情况，由于电网的频率调节能力较强，其频率变化的持续时间较短，相应的频率变化值较大；而对后一种情况，由于DG自身的频率调节能力相对较弱，其频率调节持续的时间相对较长，相同的相位偏移所对应的频率变化值较小。因而，可以将频率变化值作为孤岛检测量，与相位偏移相结合组成复合判据用于孤岛检测。当孤岛瞬间DG输出有功功率和负载有功功率不匹配程度较小、产生的相位偏移也较小时，仅根据相位偏移无法区分孤岛与非孤岛，此时可根据频率变化的大小来判断DG是否处于孤岛状态。

动模试验分析。动模仿真系统如图4所示，其中DG为一15KVA同步发电机，负载L由静态负荷和旋转的电动机组成，故障录波器安装在DG的并网连接处。当断路器CB₂或CB₃跳开时，DG和负载L脱离公用电网组成一个孤岛系统。孤岛后DG的端电压由故障录波器测得，然后根据录波器记录的瞬时值，离线计算出DG端电压的频率变化及相位偏移。

1.孤岛瞬间DG端电压的相位偏移。DG与电网并列运行，负载L的有功功率为10kW，功率因数为0.9，由DG和电网共同提供，其中DG负担的有功功率为7kW。t＝0时，跳开断路器CB₃，DG处于孤岛运行状态，负载的有功功率完全由DG提供。由于孤岛发生的瞬间DG输出的有功功率与负载功率不平衡，从而引起端电压频率的变化及相位偏移，试验结果如图5(a)所示。图中显示，孤岛发生后DG端电压的频率下降，相应地引起相位的偏移。相位偏移角度Δθ在大约5个周波时达到5°，如果VS继电器的动作值设定为5°，则相位偏移方法将在5个周波内检测出孤岛状态。可见，利用相位偏移能快速检测孤岛的发生。

2.有功功率不平衡程度对相位偏移法的影响。为了分析孤岛形成瞬间有功功率不平衡对相位偏移法的影响，进行下述仿真研究。负载L的有功功率仍为10kW，功率因数为0.9。DG与电网并列运行时，其负担的有功功率分别为9kW、8.5kW、8kW、7.5kW。跳开断路器CB₃，DG处于孤岛运行状态，负载的功率完全由DG提供。孤岛状态下DG端电压的相位偏移如图5b至图5d所示。图5b、图5c分别为孤岛前DG所带有功功率为7.5kW和8.0kW的情况。图5b显示，相位的偏移角Δθ在大约6个周波时达到5°，而图5c显示，Δθ在大约7个周波时才达到5°。可见，随着孤岛发生时有功功率不平衡程度的减小，相位的变化也随之减小，相位偏移法检测出孤岛的时间延长。图5d为孤岛前DG所带的有功功率为8.5kW时相位的变化情况，图中同时给出了频率的变化情况。图5d显示，最大相位偏移值为3°，这是由于孤岛发生时功率不平衡程度很小，相应的频率变化及相位偏移也很小。当DG趋于稳定时，频率恢复到正常值，相位偏移角Δθ不再发生变化。如果动作值仍为5°，则VS方法将不能检测出孤岛状态。若将VS继电器的动作值减小到3°可以检测出孤岛状态，但动作值的减小会引起检测装置的误动(见仿真结果)。

3.负载变化对相位偏移法的影响。当DG与电网并网运行时，负载有功功率的变化也会引起DG端电压相位的偏移，有可能使VS继电器误动作，对此进行下述动模仿真试验：DG与电网并网运行，负载L的功率由DG和电网共同提供，分别将负载的有功功率由6kW、7kW、8kW增加到10kW，检测DG端电压频率及相位的变化。图5e是负载由6kW增加到10kW时DG端电压相位的变化情况，图中同时给出了频率的变化情况。由图5e可以看出，负载有功功率的变化同样会引起频率及相位的变化。但由于DG与电网并联运行，虽然负载的有功功率变化很大，频率及相位的变化并不十分明显，但最大相位偏移角度Δθ仍然达到3°。另一项研究是将负载的有功功率从10kW分别减小到6kW、7kW、8kW，可得到相似的结果，不同之处在于负载的减小将引起频率的增加，相位偏移将反方向增加。由此可见，如果将VS继电器的动作值减小到3°，将会引起检测装置的误动。

由上述动模试验可以看出，利用DG端电压的相位偏移能快速地检测出DG是否处于孤岛状态。但随着孤岛瞬间DG输出有功功率和负载有功功率不匹配程度的降低，相位偏移值随之减小，当减小到DG与电网并网运行时负载变化引起的相位偏移值时，装置无法区分孤岛与非孤岛。如果设定一个较高的相位偏移动作值(如5°)，可以避免检测装置的误动，但却降低了孤岛检测的灵敏度，这对配电网是不利的。从保证电网安全的角度考虑，可降低阈值(如3°)来提高检测装置的灵敏度，但随之而来的是误动几率的增大，即DG在非孤岛运行状态下被错误地从电网中退出的几率增大。可见，仅仅检测相位偏移不能解决灵敏度和误动的矛盾。而根据本发明提出的基于相位偏移和频率变化的复合型孤岛检测方法，针对孤岛瞬间功率不匹配较小时的孤岛检测，引入频率变化作为检测量，与相位偏移相结合，则能可靠地区分孤岛与非孤岛状态。假定设定Δθ₁为5°，Δθ₂为3°，Δf₁为0.4Hz，则图5d对应的孤岛瞬间有功功率不匹配很小时的孤岛状态可以被检测出来，而对于图5d对应的DG与电网并联运行时负载波动的情况，虽然引起的相位偏移值大于3°，但频率变化值大于0.4Hz，不会造成检测装置误动。可见，本发明提出的检测方法，其实质就是在保证可靠性的前提下，通过降低阈值，提高孤岛检测的灵敏度。

动模仿真试验结果证明了本发明针同步发动机提出的孤岛检测新方法的正确性，该方法可以在保证可靠性的前提下，提高检测装置的灵敏度。随着分布式发电技术的推广，并网DG的孤岛检测问题会越来越重要，新孤岛检测方法的使用将极大地提高含分布式电源配电网运行的安全性，同时提高了分布式发电商的经济效益。

Claims (2)

1.一种基于相位偏移和频率变化的复合型孤岛检测方法，其特征是，它通过检测DG端电压的相位偏移量Δθ和频率变化值Δf来判断DG是否处于孤岛运行状态；

首先，设置两个相位偏移动作值Δθ₁和Δθ₂，且满足Δθ₁＞Δθ₂；当分布式发动机端电压的相位偏移角Δθ＞Δθ₁时，直接判断DG为孤岛运行；而当Δθ₁＞Δθ＞Δθ₂时，引入频率变化值Δf作为辅助检测量，只有同时满足Δθ＞Δθ₂且Δf＜Δf₁时，Δf₁为频率变化动作值，检测装置才动作，判断为孤岛状态；孤岛检测的复合型动作判据归纳如下：

Δθ＞Δθ₁                (1)

或Δθ＞Δθ₂且Δf＜Δf₁   (2)

上述判据(1)用于孤岛瞬间DG和负载有功功率不匹配程度较大时的情况，而判据(2)用于孤岛后DG所带负载有功功率变化不大的情况，即传统相位偏移法无法检测出的孤岛状况，通过引入频率变化量，将相位偏移和频率变化相结合，判断DG是否处于孤岛状态。

2.如权利要求1所述的基于相位偏移和频率变化的复合型孤岛检测方法，其特征是，所述频率变化动作值Δf₁的选取应大于孤岛瞬间功率不匹配程度较小时产生的频率变化最大值，相位偏移动作值Δθ₁应大于DG与电网并联运行时负载的变化引起的相位偏移最大值，Δθ₂的选取与灵敏度要求有关，选取的值越小灵敏度越高。

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