CN101867171A - 基于阻抗测量的分布式电源孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于阻抗测量的分布式电源(Distributed Generator)孤岛检测方法，该原理利用了DG并网状态与孤网状态下，系统等效阻抗将出现极大变化的特点，在并网联络点注入高频电压信号，通过测量电压变化，反映阻抗变化，就可以判断出系统当前是否与大电网相连。本发明提供的方法理论上不受负荷的影响，与DG的并网逆变器特性无关，与孤岛状态下岛内存在的DG个数无关，与电网的拓扑状态无关，且易于实现自适应整定，不需要配合关系。实验结果表明该原理具有很好的灵敏性、选择性、快速性。

Description

基于阻抗测量的分布式电源孤岛检测方法

技术领域

本发明属于分布式发电领域的电源保护，适用于各种形式的分布式电源。

背景技术

目前，在并网联络线路因发生故障或其他原因断开时，分布式电源与配电系统之间将会失去联系，形成一个电气上的孤岛。一般来说，与主系统分开以后，孤岛内的功率是不平衡的。如果孤岛中的电源总容量远小于总负荷，那么孤岛不可能稳定运行，经过较短时间后孤岛崩溃。而如果孤岛中的电源总容量大于或等于本地负荷，就可能出现较长时间的孤岛运行。

由于故障跳闸等原因造成的范围不确定的、偶然形成的孤岛运行，称为非计划孤岛运行。这种孤岛的形成具有偶然性和不确定性，会带来一系列的问题：

①电能质量下降。孤岛小系统内的功率不平衡，会引起频率、电压都发生变化，降低了供电安全和电能质量。

②威胁公众及运行人员的安全。由于非计划孤岛的范围不确定性，不能确定系统元件、线路是否带电，造成了对维修人员、运行人员和公众的安全威胁。

③改变流经保护的电流大小，影响了继电保护的正确动作。

④可能会失去接地点，威胁绝缘安全。

⑤影响自动重合闸。形成孤岛后，DG可能仍对跳闸线路的另一端供电，造成检无压重合闸失败，或因孤岛与主系统失步，检同期合闸失败，从而引起不必要的停电及对DG、系统设备的损害。

为避免非计划孤岛运行带来的不利影响，对于无法形成计划孤岛的分布式发电设备，一般都要求系统配置防孤岛保护，在因系统故障等原因导致与主配电系统失去联系后，尽快地将分布式电源断开。

现有的孤岛检测原理主要为被动检测、主动检测及基于通信的联锁跳闸方法。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；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。

主动检测通过控制DG并网逆变器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并网逆变器的有功或无功输出，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。优点是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。缺点是外部干扰会影响供电质量，检测的时间也会比被动检测长；且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。

基于通信的联锁跳闸方法的基本思想是监控电路中所有可能导致孤岛形成的断路器或开关的状态。当某个开关动作导致并网线断开时，该开关处的监测装置将发送跳闸信号，中止并网线下级所有DG的运行。优点是原理简单；缺点是实现复杂，当系统拓扑结构复杂或馈线拓扑结构不固定时，联锁跳闸的逻辑关系将变得相当复杂。首先需要监测每个分布式电源与变电站之间的所有开关状态，另外拓扑变化的时候，还需要重新配置所有的跳闸逻辑。联锁跳闸可以可靠地避免所有的非计划孤岛，对具有固定拓扑结构的系统简单有效，但其成本高、操作复杂。

发明内容

为了解决现有技术中存在分布式电源孤岛状态检测的技术问题，本发明提出了一种基于阻抗测量的分布式电源孤岛检测方法。该方法利用了DG并网状态与孤网状态下，系统等效阻抗将出现极大变化的特点，通过注入高频电压信号测量系统等效阻抗，根据测量电压的变化判断孤岛状态。

本发明的具体方案如下：

一种基于阻抗测量的分布式电源(Distributed Generator)孤岛检测方法，该方法用于检测分布式电源是否与主电网存在电气联系；本方法包括如下步骤：

(1)在所述分布式电源与主电网的并网联络点注入高频电压信号U_in，在所述高频电压信号U_in与注入点(即并网联络点)之间串联一个阻抗Z₁；

(2)在保护安装处，实时测量联络点的电压

(3)根据分压原理，计算分布式电源与主电网并网时的系统等效阻抗上的电压有效值U_out：

$\frac{Z_2}{Z_2^{\′}}=\frac{U_{\mathrm{out}}}{U_{\mathrm{out}}^{\′}}$

其中，Z₂为并网时包含微网的系统等效阻抗，Z′₂为孤网时的系统等效阻抗，其中，U_out、U′_out分别对应状态的系统等效阻抗上测量电压有效值；

(4)保护调试期间，手动使得分布式电源并网运行一预定时间，保护装置自动“记忆”分布式电源DG并网状态下的测量的U′_out；

(5)当测量U_out满足以下动作方程时，孤岛保护动作跳闸：

U_out＞KU′_out

K为可靠系数，按照2倍整定。

由于本发明公开的基于阻抗测量的分布式电源孤岛检测方法只需要保护安装处的高频电压信息就可以正确判断出孤岛状态，因此很容易实现。

附图说明

图1为孤岛区域示意图；

图2为阻抗法原理图；

图3为分压法示意图；

图4为高频信号注入实现电路示意图。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。

分布式电源DG与系统并网运行时，由于分布式电源DG和本地负荷的匹配程度不同，并网线的潮流方向不是单一的。这部分配电网可能会从系统中吸收有功(无功)，也可能向系统送入有功(无功)。所以与系统分开以后，孤岛内部就出现了功率不平衡。以图1中Zone1为例，当系统发生故障时，CB2跳开，Zone1与主系统断开，形成孤岛。Zone1内出现了功率不平衡，引起了一个暂态响应过程。如果DG1的调节裕量和调节速度足够，就可以在较短时间内达到一个新的稳态。内部功率达到平衡，频率、电压也在允许范围内，孤岛可以持续较长时间的稳定运行。而如果DG1的调节能力不足，孤岛只能持续较短的时间，并逐渐崩溃。如果预先规划好解列点，构造一个功率基本平衡的区域，则孤岛可以持续运行。

按是否经过预先规划，可将孤岛运行分为计划孤岛运行和非计划孤岛运行。由于故障跳闸等原因造成的范围不确定的、偶然形成的孤岛运行，称为非计划孤岛运行；根据分布式电源容量和本地负荷的大小，确定合理的孤岛区域，与主系统断开后，仍保证小系统的稳定运行，称为计划孤岛运行。

微电网电源容量较小，从联络线上来看，微电网的等值网络阻抗较大；而主电网(配电网)的电源容量可以看作无穷大，且主电网的等值网络阻抗非常小。如图2所示当微电网与主电网并网运行时，从联络线处来看，系统等值阻抗为主电网与微电网阻抗的并联，表现的数值较小；而当联络线断开，微电网处于孤岛状态时，从联络线上来看，系统等值阻抗就等于微电网的等值阻抗，数值较大。从联络线处系统等值阻抗的变化就可可靠判断出孤岛状态的发生。

本发明采用的阻抗法的实现原理是借助电阻分压原理实现的，如图3所示高频信号源电压为U_in，电压幅值为一定值；Z₁为人为给定的阻抗；Z₂为系统等效阻抗；测量电压为U_out。可见，当Z₂的数值改变时，会导致Z₂两端的电压U_out随之变化。本课题中，采用联络线处的系统等值阻抗作为Z₂进行测量，那么当并网状态，系统等值阻抗较小，测量电压U_out较小；孤岛状态下，系统等值阻抗较大，测量电压U′_out较大。仿真表明，孤岛和并网状态间的阻抗至少差十几倍，因此不需要整定并网状态时的具体阻抗上的测量电压，仅依靠装置自动测量并“记忆”为定值即可。

U_out＞KU′_out

从以上分析可以得出本发明的技术方案具体包括如下步骤：

高频信号注入实现电路示意如图4所示，高频信号源需要采用1kH以上频率，电阻R1和电容C1组成阻抗Z1，Z2为包含微网的系统总的等效阻抗。

(1)在并网联络点使用高频信号源注入高频电压信号U_in，高频电压信号源U_in与注入点(即并网联络点)之间串联一个阻抗Z₁；

(2)在保护安装处，实时测量联络点的电压U_out

(3)根据分压原理，计算分布式电源与主电网并网时的系统等效阻抗上的电压有效值U_out：

$\frac{Z_2}{Z_2^{\′}}=\frac{U_{\mathrm{out}}}{U_{\mathrm{out}}^{\′}}$

其中，Z₂为并网时包含微网的系统等效阻抗，Z′₂为孤网时的系统等效阻抗，其中，U_out、U′_out分别对应状态的系统等效阻抗上测量电压有效值；

(4)保护调试期间，手动使得DG并网运行一段时间，保护装置自动“记忆”DG并网状态下的测量的U′_out；

(5)当测量U_out满足以下动作方程时，孤岛保护动作跳闸：

U_out＞KU′_out

K为可靠系数，按照2倍整定。

Claims (2)

1.一种基于阻抗测量的分布式电源孤岛检测方法，该方法用于检测分布式电源是否与主电网存在电气联系；本方法包括如下步骤：

(1)在所述分布式电源与主电网的并网联络点注入高频电压信号U_in，在所述高频电压信号

与注入点、即并网联络点之间串联一个阻抗Z₁；

(2)在保护安装处，实时测量所述并网联络点的电压

(3)根据分压原理，计算分布式电源与主电网并网时的系统等效阻抗上的电压有效值U_out：

$\frac{Z_2}{Z_2^{\′}}=\frac{U_{\mathrm{out}}}{U_{\mathrm{out}}^{\′}}$

其中，Z₂为并网时的包含微网的系统等效阻抗，Z′₂为孤网时的系统等效阻抗，其中，U_out、U_out′分别对应状态的系统等效阻抗上测量电压有效值；

(4)保护调试期间，手动使得分布式电源并网运行一预定时间，保护装置自动“记忆”分布式电源并网状态下的测量的并网联络点的电压

(5)当实时测量并网联络点的电压

的有效值U_out满足以下动作方程时，孤岛保护动作跳闸：

U_out＞KU′_out

K为可靠系数，按照2倍整定。

2.根据权利要求1所述的基于阻抗测量的分布式电源孤岛检测方法，其特征在于：所述方法不受负荷的影响，与分布式电源的并网逆变器特性无关，与孤岛状态下岛内存在的分布式电源个数无关，与电网的拓扑状态无关。

Images