CN103064035A

CN103064035A - 一种多分布式电源并网的主动式孤岛检测方法

Info

Publication number: CN103064035A
Application number: CN2013100068141A
Authority: CN
Inventors: 李斌; 范须露; 宝海龙
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-01-08
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2033-01-08
Also published as: CN103064035B

Abstract

本发明公开了一种多分布式电源并网的主动式孤岛检测方法，涉及电力系统继电保护领域，通过基于无功功率扰动的孤岛检测有效的解决了传统被动式孤岛检测方法的检测盲区；利用谐波突变量的判定有效的实现了多分布式电源孤岛检测的同步启动，实现了多分布式电源相互配合的孤岛检测，保障了多分布式电源并网运行时孤岛检测方法的有效性和灵敏性，为多分布式电源并入电网的安全可靠运行提供技术支持。

Description

一种多分布式电源并网的主动式孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，针对分布式电源并入电力系统运行时可能出现的孤岛运行问题，提出了一种适用于多分布式电源并网的主动式孤岛检测方法。

背景技术

随着新能源技术的不断发展和应用，分布式电源广泛接入电力系统，形成了大量具有高渗透率、功率双向流动的供电网络。一旦电网由于误操作、故障或自然因素等原因停止供电时，并网运行的分布式电源如果不能及时检测出主网中断的状态而继续运行，就会形成了一个失去主电网的孤岛运行网络。

分布式电源的孤岛运行可以分为计划孤岛运行和非计划孤岛运行。计划孤岛运行可以通过改变控制策略，充分利用分布式电源资源，减小因停电带来的损失，提高了供电的可靠性。而非计划孤岛的出现会对电力系统造成一系列不利的影响，甚至会对电网检修人员和用户带来人身危害。因此，在分布式电源并网运行过程中，应可靠的检测出孤岛运行状态，从而将分布式电源退出运行，或改变分布式电源的控制策略，从而有计划地实现安全可靠的孤岛运行。

孤岛检测方法分为被动式和主动式检测方法。所谓被动式检测方法，是指通过检测分布式电源并网点处的电压、频率等电气量的变化情况来判断孤岛运行状态。然而，在形成孤岛运行的微电网后，若分布式电源的发电出力和负荷功率相匹配时，被动式检测方法将无法检测出孤岛运行状态。这种情况下只能通过主动式检测方法来判断，即通过给系统注入一定的扰动量来实现孤岛状态的检测。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

传统基于功率扰动的孤岛检测方法在面对多分布式电源并网的系统时，面临扰动量选取困难以及扰动同步等问题，削弱了功率的扰动效果，进而影响孤岛检测的可靠性。

发明内容

本发明提供了一种多分布式电源并网的主动式孤岛检测方法，本方法保障了多分布式电源并网运行时孤岛检测方法的有效性和灵敏性，提高了孤岛检测的可靠性，详见下文描述：

一种多分布式电源并网的主动式孤岛检测方法，所述方法包括以下步骤：

（1）对分布式电源并网点的电压频率进行检测，判断是否满足检测条件，如果是，执行步骤（5）；如果否，执行步骤（2）；

（2）判断分布式电源并网点的电压谐波突变是否满足主动式孤岛检测的启动条件，如果是，执行步骤（3）；如果否，执行步骤（1）；

（3）分布式电源输出周期性的无功功率扰动；

（4）在功率扰动的时间段内，对分布式电源并网点的电压频率进行检测，判断是否满足检测条件，当满足检测条件时，执行步骤（5）；不满足检测条件时，在功率扰动结束后，继续执行步骤（1）；

（5）分布式电源为孤岛运行状态，流程结束。

所述检测条件具体为：

f>f_max或f<f_min

t>t_set

式中：f为电压频率的测量值；f_max、f_min分别为分布式电源并网系统正常运行所允许的最大频率值和最小频率值；t_set为孤岛检测设置的延时定值。

所述主动式孤岛检测的启动条件具体为：

|U_THD(k)-U_THD(k-1)|>U_THD.set

式中：U_THD(k)和U_THD(k-1)为相邻两个数据窗内的电压谐波平均畸变率，数据窗长度为10ms；U_THD.set为突变量启动的门槛值。

所述周期性的无功功率扰动由扰动幅值α、扰动周期T和持续时间确定。

所述扰动幅值α由无功功率与有功功率之比Q/P确定，其中，

\{\begin{matrix} u_{PCC}^{2} = P \cdot R \\ ω = ω_{0} \cdot (\sqrt{\frac{1}{4 λ^{2}} \cdot {(\frac{Q}{P})}^{2} + 1} - \frac{1}{2 λ} \cdot \frac{Q}{P}) \end{matrix}

式中：u_pcc为公共耦合点的电压幅值；ω＝2πf，ω、f分别为孤岛系统内电压的角频率和频率；

ω₀、f₀分别为负载的谐振角频率和频率；λ为负载的品质因数，定义为R、L和C表示由孤岛系统内负荷所等效的电阻、电感和电容；λ的取值范围依据国际标准IEEE std.929-2000；f的取值范围依据国内现行标准Q-GDW 617-2011。

本发明提供的技术方案的有益效果是：通过基于无功功率扰动的孤岛检测有效的解决了传统被动式孤岛检测方法的检测盲区；利用谐波突变量的判定有效的实现了多分布式电源孤岛检测的同步启动，实现了多分布式电源相互配合的孤岛检测，保障了多分布式电源并网运行时孤岛检测方法的有效性和灵敏性，为多分布式电源并入电网的安全可靠运行提供技术支持。

附图说明

图1为分布式电源并网运行示意图；

图2为分布式无功功率与系统电压频率的关系；

图3为无功功率扰动信号波形图；

图4为无功功率扰动下的孤岛系统频率变化图；

图5为一种多分布式电源并网的主动式孤岛检测方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

为了保障多分布式电源并网运行时孤岛检测方法的有效性和灵敏性，提高孤岛检测的可靠性，本发明实施例提出了一种多分布式电源并网的主动式孤岛检测方法，参见图1和图5，该方法包括以下步骤：

101：对分布式电源并网点的电压频率进行检测，判断是否满足检测条件，如果是，执行步骤105；如果否，执行步骤102；

在投入基于无功功率扰动的主动式孤岛检测方法后，只要判据（1）、（2）同时得到满足，即可判定为孤岛状态。

f>f_max或f<f_min （1）

t>t_set （2）

式中：f为电压频率的测量值；f_max、f_min分别为分布式电源并网系统正常运行所允许的最大频率值和最小频率值；t_set为孤岛检测设置的延时定值，当电压频率的测量值f满足判据（1）、且满足判定（2）的延时条件后，即认为检测到孤岛运行状态。

102：判断分布式电源并网点的电压谐波突变是否满足主动式孤岛检测的启动条件，如果是，执行步骤103；如果否，执行步骤101；

图1所示为分布式电源并网运行的示意图。分布式电源并网运行时，由于有主电网系统的电压支撑作用，电压谐波畸变率较低。而一旦形成孤岛运行后，由于失去了主电网的电压支撑，分布式电源并网系统内电压谐波畸变率会发生突变。利用分布式电源并网点的电压谐波突变作为主动式孤岛检测的启动条件，其判据如下：

|U_THD(k)-U_THD(k-1)|>U_THD.set （3）

式中：U_THD(k)和U_THD(k-1)为相邻两个数据窗内的电压谐波平均畸变率，数据窗长度为10ms；U_THD.set为突变量启动的门槛值（具体取值根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制），当判据（3）的条件满足时，即发出主动式孤岛检测的启动信号。

对于含多分布式电源的微电网系统，在孤岛发生时，判据（3）能够使各分布式电源实现检测同步，进而保证了主动式孤岛检测法的有效性和灵敏性。

103：分布式电源输出周期性的无功功率扰动；

当启动判据（3）满足条件后，即进入基于无功功率扰动的主动式孤岛检测。其中，周期性的无功功率扰动由扰动幅值α（即无功功率与有功功率之比Q/P）、扰动周期T和持续时间（根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例以1秒为例进行说明，具体实现时对此不做限制）确定。

分布式电源孤岛运行时，孤岛系统内电压幅值和频率与分布式电源的输出功率有直接关系。以图1所示孤岛系统为例，负载用R、L、C并联负载来等效，当并网点开关K断开后，孤岛系统内的电压幅值和频率满足如下关系：

\{\begin{matrix} u_{PCC}^{2} = P \cdot R \\ ω = ω_{0} \cdot (\sqrt{\frac{1}{4 λ^{2}} \cdot {(\frac{Q}{P})}^{2} + 1} - \frac{1}{2 λ} \cdot \frac{Q}{P}) \end{matrix} - - - (4)

式中：u_pcc为公共耦合点的电压幅值；ω＝2πf，ω、f分别为孤岛系统内电压的角频率和频率；P、Q分别为分布式电源输出的有功功率和无功功率；R、L和C表示由孤岛系统内负荷所等效的电阻、电感和电容；

ω₀、f₀分别为负载的谐振角频率和频率；λ为负载的品质因数，定义为

当分布式电源输出功率与区域负荷不匹配时，孤岛系统内的电压幅值、频率会发生偏移，从而根据判据（1）、（2）能够检测出孤岛运行；当分布式电源输出功率与区域负荷匹配时，孤岛系统内电压幅值、频率均不会发生明显偏移，被动式的孤岛检测方法将出现检测盲区。

由式（4）可知，分布式电源的无功功率输出会直接影响孤岛系统的频率。假设负载谐振频率为f₀，则在不同的负载品质因数λ下，分布式电源输出的无功功率和有功功率之比Q/P与孤岛系统频率f之间的关系曲线如图2所示。由图可见，负载品质因数λ越大，无功功率与有功功率之比Q/P对频率的影响越小。因此，可以根据最大可能的负载品质因数λ值，确定分布式电源输出的Q/P的比值，以使其满足孤岛系统频率超出判据（1）所规定的限制，从而达到检测出孤岛运行状态的目的。

例如，依据国际标准IEEE std.929-2000，配电网的负载品质因数λ一般不大于2.5。根据国内现行标准Q-GDW 617-2011，系统电压频率的允许运行范围为49.5Hz～50.2Hz，孤岛检测的最大允许跳闸时间（T）为0.2s。假设λ=2.5、f₀=50Hz的情况下，根据图2中所示曲线可以做线性化近似，其斜率为0.1。因此，为使孤岛系统频率能够可靠偏移出允许运行范围并满足判据（1）、（2）的条件，无功功率与有功功率之比Q/P的变化范围应大于0.1*(f_max-f_min)。无功功率扰动信号的波形可以多种多样。其中，若以方波为例，无功功率扰动信号如图3所示，扰动幅值α为0.1，扰动周期T为200ms，持续时间为1s。

104：在功率扰动的时间段内，对分布式电源并网点的电压频率进行检测，判断是否满足检测条件，当满足检测条件时，执行步骤105；不满足检测条件时，在功率扰动结束后，继续执行步骤101；

当无功功率扰动信号的幅值Q/P在[-0.1,0.1]区间内变化时，孤岛系统频率也将随之变化，如图4所示。可见，受无功功率扰动的影响，孤岛系统频率超出了判据（1）所规定的限制，因此利用判据（1）、（2）即可判定为孤岛运行状态。

105：分布式电源为孤岛运行状态，流程结束。

具体实现时，本发明实施例对具体的器件型号不做任何限制，只要能完成上述功能的元器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多分布式电源并网的主动式孤岛检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（3）分布式电源输出周期性的无功功率扰动；

（5）分布式电源为孤岛运行状态，流程结束。

2.根据权利要求1所述的一种多分布式电源并网的主动式孤岛检测方法，其特征在于，所述检测条件具体为：

f>f_max或f<f_min

t>t_set

3.根据权利要求1所述的一种多分布式电源并网的主动式孤岛检测方法，其特征在于，所述主动式孤岛检测的启动条件具体为：

|U_THD(k)-U_THD(k-1)|>U_THD.set

4.根据权利要求1所述的一种多分布式电源并网的主动式孤岛检测方法，其特征在于，所述周期性的无功功率扰动由扰动幅值α、扰动周期T和持续时间确定。

5.根据权利要求1所述的一种多分布式电源并网的主动式孤岛检测方法，其特征在于，所述扰动幅值α由无功功率与有功功率之比Q/P确定，其中，

\{\begin{matrix} u_{PCC}^{2} = P \cdot R \\ ω = ω_{0} \cdot (\sqrt{\frac{1}{4 λ^{2}} \cdot {(\frac{Q}{P})}^{2} + 1} - \frac{1}{2 λ} \cdot \frac{Q}{P}) \end{matrix}

R、L和C表示由孤岛系统内负荷所等效的电阻、电感和电容；λ的取值范围依据国际标准IEEE std.929-2000；f的取值范围依据国内现行标准Q-GDW 617-2011。