CN103606950B - 一种分布式风电变流器的孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式风电变流器的孤岛检测方法，分布式风电变流器的网侧加入设定频率的正弦无功电流扰动I_q，I_q的幅值为k₁|Δf|+k₂Grid_Ia1；计算电网电压频率的平均值，并检测该平均值是否在正常范围内，以确定是否出现过/欠频，当出现过/欠频且设定时间段时，触发过/欠频保护，检测到孤岛现象发生；否则没有发生孤岛现象；本发明采用无功电流扰动进行孤岛检测，系统并网运行时，负载端电压受电网电压钳制，基本不受变流器输出的无功功率影响；进入孤岛状态时，一旦变流器输出的无功和负载需求不匹配，负载电压幅值或频率会发生变化，此时调节变流器的无功电流，可迅速检测电网过/欠频，达到检测孤岛的目的。

Description

一种分布式风电变流器的孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及一种分布式风电变流器的孤岛检测方法。

背景技术

近年来，风力发电呈现“大风电”模式发展，其特点是大规模、高度集中开发，以及远距离、高电压输送。国内电网结构以煤电为主，系统调峰手段本就有限，大规模集中式风电的功率波动，使得电网调节更为困难。分布式风力发电，以分散方式、较低电压等级接入系统的，在电力调度上可以作为一种“逆负荷”管理，对电网频率、电压等重影响较小。

在“三北”地区风电消纳问题日益严重的背景下，国家能源局多次召集相关单位研究讨论分散式风电的开发。2011年7月，国家能源局下发了《关于分散式接入风电开发的通知》，2011年11月又下发了《分散式接入风电项目开发建设指导意见》。文件对分散式接入风电项目的定义、接入电压等级、项目规模、核准审批等都作了严格的界定，清晰表明了国家鼓励风电分散式开发的态度。中国电科院新能源研究所牵头制定的《分散式风电接入电网技术规定》公司技术标准顺利通过审查。

国家电网公司企标《分布式电源接入电网技术规定Q/GDW480–2010》中明确规定：

1）分散式电源应具备防孤岛技术，防止非计划性孤岛。

2）电网电压在50%UN～85%U_N，最大分闸时间不得超过2s，U_N为分布式电源并网点的电网额定电压。

分散式风电变流器是与电网连接的关键设备，应满足上述标准，具备快速监测孤岛且立即断开与电网连接的能力。防孤岛保护动作时间应不大于2s，且防孤岛保护应与电网侧线路重合闸、备自投等自动装置配合整定。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单、可靠、快速的分布式风电变流器的孤岛检测方法，以保证孤岛状态被快速、准确地检测出来的同时，尽可能的减小对并网电能质量的影响。

为实现上述目的，本发明的分布式风电变流器的孤岛检测方法包括如下步骤：

（1）分布式风电变流器的网侧加入设定频率的正弦无功电流扰动I_q，I_q的幅值为k₁|Δf|+k₂Grid_Ia1，式中，Δf=f_grid-f_额定，f_grid为变流器入口处的电网电压频率，f_额定为额定电网电压频率，Grid_Ia1为变流器输出a相电流幅值，k1、k2为设定值；

（2）计算电网电压频率的平均值，并检测该平均值是否在正常范围内，以确定是否出现过/欠频，当出现过/欠频且设定时间段时，触发过/欠频保护，检测到孤岛现象发生；否则没有发生孤岛现象。

所述正弦无功电流扰动I_q的频率为1Hz。

步骤（2）中，当网侧变流器发出感性无功时，电网电压消失后，变流器输出电压频率从额定电网电压频率开始上升，当电网电压频率的平均值超过上限设定值时，触发过频保护；网侧变流器发出容性无功时，电网电压消失后，当电网电压频率的平均值超过频率下限设定值，触发欠频保护。

所述步骤（2）中电网电压频率平均值的计算周期是40ms，当连续出现0.5s出现过/欠频时，电网电压过/欠频保护。

本发明的分布式风电变流器的孤岛检测方法，采用无功电流扰动进行孤岛检测，系统并网运行时，负载端电压受电网电压钳制，基本不受变流器输出的无功功率影响；进入孤岛状态时，一旦变流器输出的无功和负载需求不匹配，负载电压幅值或频率会发生变化，此时调节变流器的无功电流，可迅速检测电网过/欠频，达到检测孤岛的目的。加入的正弦无功电流扰动的幅值直接与变流器输出幅值相关联，在未发生孤岛时，k₁|Δf|接近于0，k₂Grid_Ia1很小，I_q不会对变流器正常运行产生干扰；在发生孤岛时，k₁|Δf|逐渐增大，k₂Grid_Ia1也逐渐增大，这样就会加大扰动，使频率变化更快，更快速触发过欠频防孤岛保护。

附图说明

图1是风电变流器的网侧变换器输出功率流动示意图；

图2是孤岛检测方法实施例的流程图。

具体实施方式

为解决分布式风力发电的孤岛检测问题，分布式风电变流器的孤岛检测方法，通过控制变流器的输出无功电流I_q，对I_q施加1Hz的扰动电流。当电网中断时，由于系统失去稳定的参考电源，扰动将造成系统频率的明显变动，从而检测出孤岛现象。

无功电流扰动的孤岛测试方法理论依据是：

分布式风电流器与电网连接时功率流动情况如图1所示，其中变量名称及符号如下表所示，L_r,C_r和R是逆变器的等效负载。

P--变流器输出有功功率；ΔP--电网正常时逆变器输送到电网的有功功率Q--变流器输出无功功率；ΔQ--电网正常时变流器输送到电网的无功功率；U_g--电网电压；U_i--变流器输出端电压。

a）电网正常工作

如图1所示，电网正常工作状态下，相当于开关S闭合。光伏并网发电系统输出的有功功率P、无功功率Q的一部分提供给等效负载，另外一部分有功功率ΔP、无功功率ΔQ传递给电网。根据变流器输出功率与负载功率平衡的关系有公式（1）、（2）存在，其中ω_g为电网电压的角频率。

$\frac{U_g^2}{R}=P-\mathrm{\ΔP}---\left(1\right)$

$[\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_g{L}_r}-{\mathrm{\ω}}_g{C}_r]U_g^2=Q-\mathrm{\ΔQ}---\left(2\right)$

b）电网停止工作

电网突然断电时，相当于开关S断开。由于S关断前后变流器输出的有功功率P、无功功率Q近似保持不变，根据功率平衡的关系可得到：

$\frac{U_i^2}{R}=P---\left(3\right)$

$[\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_i{L}_r}-{\mathrm{\ω}}_i{C}_r]U_i^2=Q---\left(4\right)$

其中ω_i是变流器输出电压的角频率。根据变流器输出有功功率的平衡关系，结合式（1）、（3）可得：

$\frac{\mathrm{\ΔP}}{P}=1-\frac{U_g^2}{U_i^2}---\left(5\right)$

根据变流器输出无功功率平衡的原理，结合公式（2）、（4）可以推出：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_i}{{\mathrm{\ω}}_g}\frac{U_g^2}{U_i^2}=\frac{Q-\mathrm{\ΔQ}+Q_c}{Q+Q_c\frac{{\mathrm{\ω}}_i}{{\mathrm{\ω}}_g}\frac{U_i^2}{U_g^2}}---\left(6\right)$

式中Q_c是谐振电路中谐振电容C_r的无功功率，其大小为结合公式（5）、（6）可以得到：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_i}{{\mathrm{\ω}}_g}\frac{\mathrm{\ΔP}}{P}-\frac{\mathrm{\ΔQ}}{Q}=[\frac{{{\mathrm{\ω}}_i}^2}{{{\mathrm{\ω}}_g}^2}-1]\frac{Q_c}{Q}+\frac{{\mathrm{\ω}}_i}{{\mathrm{\ω}}_g}-1---\left(7\right)$

公式（7）表明孤岛效应发生时，变流器的输出电压频率及幅值与变流器输出的有功功率、无功功率有关。

当变流器并网工作时，如果变流器输出的有功功率全部落在局部负载R上，此时ΔP等于零。当孤岛效应发生时，从公式（5）可以看出U_g=U_i，变流器输出电压保持不变。如果ΔP,ΔQ均为零，那么公式（7）可转换为式（8）：

$[\frac{{\mathrm{\ω}}_i}{{\mathrm{\ω}}_g}-1]\left(\frac{Q_c}{Q}\right[\frac{{\mathrm{\ω}}_i}{{\mathrm{\ω}}_g}+1]+1)=0---\left(8\right)$

由公式（8）可得ω_g=ω_i。

上述分析表明：电网停止工作时，如果变流器并网运行时全部能量均提供给了局部负载，变流器输出电压、频率均没有变化；反之，变流器输出电压或频率在电网断电前后会发生变化。根据电压、频率的改变即可判断出是否发生孤岛效应。这即是无功电流扰动检测法的理论依据。

如图2所示，无功电流扰动的孤岛测试方法步骤是：

1）在分布式风电变流器的网侧变换器给定输出无功电流I_q，给定信号I_q为一个频率为1Hz的正弦波。

2）无功电流指令按下式给定I_q=(k₁|Δf|+k₂Grid_Ia1)sin(ωt)。Δf=f_grid-50，f_grid为变流器入口处的电网电压频率，50为额定电网电压频率，采用高精度DSP芯片实时监测f_grid（0.4ms检测一次），Grid_Ia1为变流器输出a相电流幅值。为保持对电网频率Δf变化的连续跟踪，保持k1始终为定值（本文选取k1=10），k2随变流器流的变化可变化（5%～15%间变化）。这样选取k1、k2的好处是，在未发生孤岛时，k₁|Δf|接近于0，k₂Grid_Ia1很小，I_q不会对变流器正常运行产生干扰；在发生孤岛时，k₁|Δf|逐渐增大，k₂Grid_Ia1也逐渐增大，这样就会加大扰动，使频率变化更快，更快速触发过欠频防孤岛保护。

3）过欠频保护通过计算电网频率的平均值来实现，计算周期为40ms，当连续0.5s出现过/欠频时，电网电压过/欠频保护。

4）当网侧变换器发出感性无功时，电网电压消失后，变流器输出电压频率从50Hz开始上升，当频率超过上限设定值51.5Hz，触发过频保护，能准确检测到孤岛现象，使变流器停止工作。

5）当网侧变换器发出容性无功时，电网电压消失后，变流器输出电压频率从50Hz开始下降，最后超过频率下限设定值47.5Hz，触发欠频保护，能准确检测到孤岛现象，使变流器停止工作。

分布式风电变流器的孤岛检测方法采用无功电流I_q扰动的孤岛检测方法。系统并网运行时，负载端电压受电网电压钳制，基本不受变流器输出的无功功率影响；进入孤岛状态时，一旦变流器输出的无功和负载需求不匹配，负载电压频率会发生变化，此时调节变流器的无功电流，可迅速检测电网过/欠频，达到检测孤岛的目的。

下面结合附图对本分布式风电变流器的孤岛检测方法的具体实施方式作进一步的说明。

以1.5MW双馈型风电变流器为例，具体阐述本分布式风电变流器的孤岛检测方法的具体实施方案。

网侧变换器给定输出无功电流I_q为一个频率为1Hz的正弦波，无功电流指令按下式给定：I_q=(k₁|Δf|+k₂Grid_Ia1)sin(ωt)，k₁也不能选择过小，如果过小，则不能起到减小孤岛检测时间的效果。k₁一般选择为5～10，为了保证变流器在正常运行时，网侧电流不会出现过大的波动，比例系数k₂也不能选择太大，因此k₂一般选择为5%～15%左右。

如图2所示，实现流程如下：

1)判断无功电流扰动功能是否执行，如果执行则进行I_q的计算；

2)如果执行I_q的计算，首先生成电流的1Hz频率波形；

3)实时计算电网频率与50Hz之间的误差，利用DSP软件的中断来实现，检测周期为0.4ms，得到I_q扰动无功电流的幅值；

4)由幅值、频率可计算出I_q的电流波形；

5)进行电网过/欠频的判断，如果发生过/欠频故障，即是检测孤岛现象成功，否则，继续施加无功电流扰动。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限定本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种分布式风电变流器的孤岛检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)分布式风电变流器的网侧加入设定频率的正弦无功电流扰动I_q，I_q的幅值为k₁|Δf|+k₂Grid_Ia1，式中，Δf＝f_grid-f_额定，f_grid为变流器入口处的电网电压频率，f_额定为额定电网电压频率，Grid_Ia1为变流器输出a相电流幅值，k1、k2为设定值，k₁的选择范围为5～10，k₂的选择范围为5％～15％；

(2)计算电网电压频率的平均值，并检测该平均值是否在正常范围内，以确定是否出现过/欠频，当出现过/欠频且连续0.5s出现过/欠频时，触发过/欠频保护，检测到孤岛现象发生；否则没有发生孤岛现象。

2.根据权利要求1所述的分布式风电变流器的孤岛检测方法，其特征在于：所述正弦无功电流扰动I_q的频率为1Hz。

3.根据权利要求1所述的分布式风电变流器的孤岛检测方法，其特征在于：步骤(2)中，当网侧变流器发出感性无功时，电网电压消失后，变流器输出电压频率从额定电网电压频率开始上升，当电网电压频率的平均值超过上限设定值时，触发过频保护；网侧变流器发出容性无功时，电网电压消失后，当电网电压频率的平均值超过频率下限设定值，触发欠频保护。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的分布式风电变流器的孤岛检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中电网电压频率平均值的计算周期是40ms，当连续出现0.5s出现过/欠频时，电网电压过/欠频保护。