CN102841279A - 一种微电网孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统微电网保护与控制领域，涉及一种微电网快速孤岛检测方法，该方法，用于采用PQ解耦控制策略的逆变型分布式电源，该方法在实时测量公共耦合点PCC处电压有效值U_PCC及负载无功功率的基础上，通过比较U_PCC和正常情况下电压有效值的大小情况，采取相应的无功控制策略。在进行孤岛判断时，首先预设电压门槛值和频率门槛值，并将U_PCC与电压门槛值进行比较，若超出门槛值，则直接判定为孤岛状态，结束本轮的孤岛检测；否则，将PCC处电压频率f与频率门槛值进行比较，若超出门槛值，则判定为孤岛状态。本发明能够快速实现微电网孤岛检测，在多个IBDG的情况下依然能够保证孤岛检测的有效性。

Description

一种微电网孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及电力系统微电网保护与控制领域，涉及一种微电网孤岛检测方法。

背景技术

微电网孤岛检测是微电网由非计划孤岛转变为孤岛运行的前提，并对改变微电网内的控制策略和保护配置有着重要作用。对于可能发生的孤岛效应，美国电气电子工程师协会（IEEE）制定的相关标准不再具体要求所使用的孤岛检测方法，而是着眼于孤岛检测方法在孤岛检测过程中的性能指标，从而引导了孤岛检测标准的发展趋势。现有的孤岛检测方法可以分为被动检测法、主动检测法和开关状态监测法三大类。其中，被动检测法不会对系统电能质量造成影响，但是当非计划孤岛发生时，若分布式电源（DG）的输出功率和负载消耗的电能相差不大，则公共耦合点（PCC）处电压、频率等在允许变化范围之内，该方法将无法检测孤岛，具有较大检测盲区，通常与主动检测法结合运用。主动检测法通过在逆变型DG的控制信号中引入扰动信号，并监测PCC处电压、频率等电气量的响应，来判断非计划孤岛是否发生，该方法减小了检测盲区，但同时也对电能质量造成了一定影响。另外，当主动检测法应用于多个DG时，若扰动信号产生的系统响应不同步，则会降低方法的有效性。开关状态监测法是通过检测配电网侧断路器的开断状态，并基于通讯技术将此信号发送给DG来判断微电网的运行模式，该方法不存在检测盲区，也不影响电能质量，但是实现较为复杂，经济性差。

本发明通过对逆变型分布式电源（IBDG）输出无功功率的控制，提出了一种能够快速实现微电网孤岛检测的新方案，该方案没有检测盲区，在多个IBDG的情况下依然能够保证孤岛检测的有效性，并且当微电网并网运行时，通过IBDG的动态无功补偿，能够改善系统电压质量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种能够快速实现微电网孤岛检测方法，该方法没有检测盲区，在多个IBDG的情况下依然能够保证孤岛检测的有效性，并且当微电网并网运行时，通过IBDG的动态无功补偿，能够改善系统电压质量。本发明的实质性特点是：通过采取恰当的IBDG无功控制策略，当微电网发生非计划孤岛时，无功和有功的不匹配共同造成PCC处频率向着同一方向持续偏移，直至超出门槛值，从而实现快速孤岛检测。本发明的技术方案如下：

一种微电网孤岛检测方法，用于采用PQ解耦控制策略的逆变型分布式电源IBDG，该方法在实时测量公共耦合点PCC处电压有效值U_PCC及负载无功功率Q_load的基础上，通过比较U_PCC和正常情况下电压有效值U_N的大小情况，采取相应的IBDG无功控制策略，若U_PCC大于或等于U_N，则设置IBDG输出的无功功率为

否则，若U_PCC小于U_N，则设置IBDG输出的无功功率为

式中f为PCC处电压频率，k₁和k₂为无功控制策略中的可调变量；

在进行孤岛判断时，首先预设电压门槛值和频率门槛值，并将U_PCC与电压门槛值进行比较，若超出门槛值，则直接判定为孤岛状态，结束本轮的孤岛检测；否则，测量PCC处电压频率f，将所测得的频率f与频率门槛值进行比较，若超出门槛值，则判定为孤岛状态。

本发明与现有技术相比，提出了一种具有改善电压质量能力的微电网快速孤岛检测方法，该方法所能产生的积极效果是：首先，本发明同时考虑了非计划孤岛发生时有功和无功的不匹配，采用主动和被动孤岛检测方法结合，确保了该方法不存在检测盲区；其次，本发明根据孤岛时有功的不匹配而采取恰当的IBDG无功控制策略，使得频率偏移方向一致，直至超出允许范围，因此能够快速实现孤岛检测，以便及时改变微电网内的控制策略和保护配置；本发明还可以在微电网并网运行时，根据系统电压状态进行无功补偿，能够改善电压质量，并且当配电网故障等引起系统电压降低时，使得DG具有较强的低电压穿越能力；最后，本发明同样适用于多个IBDG同时运行的情况，保证了检测方法的有效性。

附图说明

图1为标准孤岛测试系统主电路拓扑图；

图2为逆变型DG（IBDG）的PQ解耦控制框图；

图3a为PCC处电压一定时负载无功与系统频率的关系图；

图3b为图3a中在所需研究区段49.3Hz~50.5Hz处的放大图；

图3c为负载无功一定时负载有功与系统频率的关系图；

图4a为PCC处电压大于或等于220伏时负载无功与频率及IBDG无功与频率的关系图；

图4b为PCC处电压小于220伏时负载无功与频率及IBDG无功与频率的关系图；

图5为所提微电网快速孤岛检测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合实施例及参照附图对该发明的技术方案进行详细说明。

本发明通过采用恰当的逆变型DG无功控制策略，综合考虑非计划孤岛发生时可能存在的有功和无功不匹配，提供了一种具有能够改善电压质量能力的微电网快速孤岛检测方法，该方法不存在检测盲区，在多个IBDG同时运行的情况下依然能够保证方法的有效性。

1.针对逆变型DG的孤岛测试系统及PQ解耦控制策略

按照运行方式的不同，分布式电源一般可以分为传统旋转机型DG和逆变型DG（IBDG）。其中，IBDG通过电力电子装置与电网并联，是目前DG并网的主要形式，IEEE Std.929-2000和UL1741中规定的分布式电源和并网逆变器的标准孤岛测试系统如图1所示。在并网运行模式下，IBDG通过公共耦合点（PCC）和配电网相连，同时为负载提供功率，负载消耗的有功和无功与负载等效阻抗之间的关系式分别为和 $Q_{\mathrm{Load}}=Q_{\mathrm{DG}}+\mathrm{\ΔQ}=3V_{\mathrm{PCC}}^2(\frac{1}{2\mathrm{\πfL}}-2\mathrm{\πfC}),$ 其中V_PCC为PCC处的电压，f为PCC处电压的频率。当图1中所示开关打开时，IBDG和负载形成孤岛，负载所需电能完全由IBDG提供。因此，由上述关系式可知：若IBDG输出的有功大于负载消耗的有功时，V_PCC将增大，反之，V_PCC将减小；而有功和无功的不匹配均将引起f的变化，当IBDG提供的无功等于负载消耗的无功时，若其提供的有功大于负载消耗的有功，则将引起f的升高，反之，将使得f降低；当IBDG提供的有功等于负载消耗的有功时，若其提供的无功大于负载消耗的无功，则将引起f的降低，反之，将使得f升高；当IBDG提供和负载消耗的有功和无功均不匹配时，f的变化将由有功和无功的不匹配程度共同决定。综上所述，当发生非计划孤岛时，若IBDG提供和负载消耗的功率不匹配程度足够大，则能够引起PCC处电压和频率超出允许范围，从而实现孤岛检测，否则，将进入检测盲区。

基于瞬时功率理论，IBDG采用PQ解耦控制策略，从而可以实现针对IBDG的无功控制策略，通过孤岛时无功的不匹配引起频率超出阈值以实现孤岛检测，PQ解耦控制策略的控制框图如图2所示，包括锁相环、功率外环和电流内环[1,2]。通过引入PCC处的三相电压，锁相环可以提供实现同步派克变换的电压相位角，并能够计算出PCC处电压的频率。在功率外环中，通过一组比例积分（PI）调节器，将有功和无功的参考值与实际功率之间的误差分别调制为逆变器输出电流的有功和无功分量的参考值。电流内环则通过前馈控制算法，实现对逆变器输出电流的有功和无功分量的解耦控制，由逆变器输出功率的公式

和

可知，通过对输出电流的有功和无功分量的调节，可以实现对其有功和无功的独立控制，并达到所设定的参考值P_ref和Q_ref[2,3]。

上述段落里涉及到的参考文献的出处如下：

[1]田小禾，光储混合系统的控制与保护：[硕士学位论文]，天津：天津大学，2011.

[2]Zeineldin H.H.A Q-f droop curve for facilitating islanding detection of inverter-based distributedgeneration.IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(3):665-673.

[3]Schauder C,Mehta H.Vector analysis and control of advanced static VAR compensators.IEEProceedings C,1993,15(3):299-306.

2.具有改善电压质量能力的微电网快速孤岛检测方法

在传统的PQ解耦控制策略中，IBDG输出无功的参考值Q_ref通常设定为零，即IBDG按照单位功率因数运行，以便最大限度提高逆变器的运行效率。然而，PCC处负载无功的波动将会对并网处电压产生较严重影响。因此，在微电网并网运行的情况下，通过PQ解耦控制策略，IBDG能够对负载进行无功补偿，减少了配电网向PCC处负荷提供的无功，提高了负载的功率因数，同时降低了输送无功造成的电压降落。但是，当非计划孤岛发生时，IBDG对负载进行无功补偿，减小了无功的不匹配度，从而增大加了检测盲区。因此，必须采取恰当的IBDG无功控制策略，达到既能够在并网情况下改善电压质量、又能够实现快速孤岛检测的效果。

图3a所示为PCC处电压一定时负载无功与系统频率的关系图，图3b所示为图3a中在所需研究区段49.3Hz~50.5Hz处的放大图。由图可知，当PCC处电压一定时，负载无功与系统频率的关系图近似线性，并且负载无功随着频率的增大而减小。图3c所示为负载无功一定时负载有功与系统频率的关系图，由图可知，当负载无功一定时，负载有功随着频率的增大而增大。另外，由于IBDG为恒功率源，经过推导可以得出，当非计划孤岛发生时IBDG和负载之间的有功不匹配以及无功不匹配分别与引起的频率偏移之间的关系。当IBDG与负载之间的无功匹配时，有功不匹配与其引起的频率偏移的关系式为：当IBDG与负载之间的有功匹配时，无功不匹配与其引起的频率偏移的关系式为：

式中，ΔP和ΔQ分别为有功和无功的不匹配量，P和Q为负载的有功和无功值，L和C分别为负载的等效电感和等效电容，f为孤岛发生之前PCC处电压频率，Δf为功率不匹配引起的频率偏移。综合上述负载功率与系统频率关系图及公式推导可知，当孤岛发生时，IBDG提供的有功和无功分别同时大于或同时小于负载所需有功和无功时，有功和无功的不匹配程度将引起频率向不同方向变化，从而降低了孤岛检测速度，甚至进入孤岛检测盲区。因此，所采取的IBDG无功控制策略需以有功的不匹配作为参考依据，使得孤岛发生时有功和无功的不匹配引起频率同时增大或减小，从而实现快速孤岛检测。又由于当孤岛发生时，有功的不匹配将直接导致PCC处电压的变化，所以，在本方案中，IBDG无功控制策略以更易检测的PCC处电压的变化作为参考依据。

同时，由于系统正常运行时系统频率允许的变化范围为49.3Hz~50.5Hz，为了消除孤岛检测盲区，无功不匹配需要在频率允许范围内恒存在，即IBDG的无功与频率的关系曲线和负载的无功与频率的关系曲线之间在频率允许范围之内存在偏差。在本方案中，IBDG无功控制策略以超出频率允许范围的49.2Hz和50.6Hz分别作为当检测到PCC处电压升高和降低时使得IBDG和负载无功相等的频率节点。

综合上述两方面内容，IBDG无功控制策略为：

a.当PCC处电压有效值大于或等于220伏时，

$Q_{\mathrm{DG}}=-{10}^{k_1}(f-49.2)+Q_{\mathrm{Load}}$

b.当PCC处电压有效值小于220伏时，

$Q_{\mathrm{DG}}=-{10}^{k_1}(f-50.6)+Q_{\mathrm{Load}}$

式中k₁为可调变量，可根据IBDG容量等设定其值，且数值越大，IBDG与负载之间的无功不匹配程度越大，从而孤岛检测时间也越短。上述两种情况下的负载无功与频率关系曲线及IBDG无功与频率关系曲线分别如图4a和图4b所示。

针对上述IBDG无功控制策略，当孤岛发生时，IBDG与负载之间有功的不匹配会引起PCC处电压有效值大于或小于正常情况下的电压有效值220伏，进而采取相应的无功控制策略，使得IBDG与负载之间的无功不匹配引起的频率变化方向和有功不匹配引起的频率变化方向保持一致，实现快速孤岛检测。在并网情况下，当PCC处电压偏高时，IBDG发出的无功小于负载无功，从而配电网向负载提供无功使得PCC处电压降低；当PCC处电压偏低时，IBDG发出的无功大于负载无功，从而向配电网输入无功使得PCC处电压恢复。即在并网情况下，所采取的无功控制策略使得IBDG等效于无功补偿装置，能够改善PCC处电压质量。但是，在上述IBDG无功控制策略中，工频时无功的不匹配程度是固定的，对PCC处电压质量的改善程度有限，并且不能实现动态改善，因此，通过引入PCC处电压值，对上述IBDG无功控制策略改进如下：

a.当PCC处电压有效值大于或等于220伏时，

$Q_{\mathrm{DG}}=-{10}^{k_1+\left(\frac{U_{\mathrm{PCC}}-U_N}{U_N}\right)\×k_2}(f-49.2)+Q_{\mathrm{Load}}$

b.当PCC处电压有效值小于220伏时，

$Q_{\mathrm{DG}}=-{10}^{k_1+\left(\frac{U_N-U_{\mathrm{PCC}}}{U_N}\right)\×k_2}(f-50.6)+Q_{\mathrm{Load}}$

式中U_PCC为PCC处电压有效值，U_N为正常情况下的电压有效值220伏，k₂为可调变量。此时，不仅能够在并网情况下通过动态无功补偿实现动态改善PCC处电压质量，而且孤岛发生时有功的不匹配能够进一步加大无功的不匹配，从而进一步提高了孤岛检测速度。

当孤岛发生时，IBDG与负载之间有功的不匹配会引起PCC处电压的变化，OVP/UVP法虽然存在盲区，但是当有功的不匹配程度足够大时，能够直接判断孤岛发生。因此，综合上述IBDG无功控制策略及OVP/UVP法、OFP/UFP法，形成如图5所示的具有改善电压质量能力的微电网快速孤岛检测方法。该方案的具体步骤为：

第一步：实时测量PCC处电压有效值U_PCC及负载无功Q_load。

第二步：将U_PCC与被动检测法OVP/UVP法中的电压门槛值进行比较。若超出门槛值，则直接判定为孤岛状态；否则，转入下一步。

第三步：测量PCC处电压频率f。

第四步：将所测得的频率f与频率门槛值进行比较。若超出门槛值，则判定为孤岛状态；否则，转入第一步。

上述的门槛值，可以参照被动检测法OFP/UFP法中门槛值进行设定。

上述微电网快速孤岛检测方法不存在检测盲区，检测速度快，检测时间小于最短重合闸时间，能够避免重合闸失败对分布式电源及其他系统设备造成危害，并在并网情况下通过动态无功补偿能够改善电压质量。同时，该方案不仅在单个IBDG情况下具有上述良好性能，而且完全适用于多个IBDG的情况。

以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的系统及方法的限制，本发明的保护范围以权利要求为准。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种微电网孤岛检测方法，用于采用PQ解耦控制策略的逆变型分布式电源IBDG，该方法在实时测量公共耦合点PCC处电压有效值U_PCC及负载无功功率Q_load的基础上，通过比较U_PCC和正常情况下电压有效值U_N的大小情况，采取相应的IBDG无功控制策略，若U_PCC大于或等于U_N，则设置IBDG输出的无功功率为

否则，若U_PCC小于U_N，则设置IBDG输出的无功功率为

式中f为PCC处电压频率，k₁和k₂为无功控制策略中的可调变量；

在进行孤岛判断时，首先预设电压门槛值和频率门槛值，并将U_PCC与电压门槛值进行比较，若超出门槛值，则直接判定为孤岛状态，结束本轮的孤岛检测；否则，测量PCC处电压频率f，将所测得的频率f与频率门槛值进行比较，若超出门槛值，则判定为孤岛状态。

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