CN103954870B - 一种串联谐振与相位跳变相结合的孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于大规模新能源集中并网的防孤岛保护领域的一种串联谐振与相位跳变相结合的孤岛检测方法。该方法为：1)：测量a，b和c三个测量点的电压与电流的相位差和；2)：判断和是否超出阈值，若均没有超出阈值，则执行1)，若至少一个超出阈值，则执行3)；3)：进行延时，测得a，b和c三个测量点的电压与电流的相位差为和若和中至少一个在延时时间内能保持在阈值以上，则执行5)，若均不能在延时时间内保持在阈值以上，则执行4)；4)：判定为非孤岛，返回1)；5)：判定为孤岛，采取相应措施应对。本发明在电力系统正常运行时不影响其电能质量，在发生孤岛时具有较高的检测效率，是一种高性能的孤岛检测方法。

Description

一种串联谐振与相位跳变相结合的孤岛检测方法

技术领域

本发明属于大规模新能源集中并网的防孤岛保护领域，特别涉及一种串联谐振与相位跳变相结合的孤岛检测方法。

背景技术

孤岛是指当分布式系统与电网脱离时，分布式电源仍然向本地负载供电的现象。孤岛分为计划性孤岛和非计划性孤岛，计划性孤岛是指在构建电网之初就已经预料到可能发生的孤岛，并且已为其配备了相应的稳定运行措施，非计划性孤岛是指在电网构建之初没有预料到的孤岛，并未配备任何防护措施。在电力系统中，非计划性的孤岛是不允许出现的，因为非计划性孤岛一旦出现，会造成很大的危害，首先，由于孤岛系统内缺少稳压装置，无法保证孤岛内的电能质量，会对孤岛内的负载造成损害；其次，非计划性孤岛会使原本不应该带电的线路带电，危害检修人员的安全；第三，如果孤岛内的电流与电网不同步，再次接入电网的时候会产生冲击电流，影响电力系统的稳定运行。孤岛检测的目的是在分布式系统发生孤岛的时候及时检测出孤岛状态，以便于采取相应措施。因此，孤岛检测对于电网的安全稳定运行是非常重要的。

目前的孤岛检测方法主要有开关状态检测法，被动法和主动法。开关状态检测法是利用通信方法，在公共耦合点(Point of Common Coupling，PCC)开关断开形成孤岛的时候向分布式系统发送信号，使其停止运行，这种方法的优点在于检测效率高，对正常运行的电能质量没有影响，缺点在于成本过高。被动法是指利用孤岛发生时分布式系统内的电气量的变化进行孤岛检测，主要有过/欠频率法，过/欠电压法，相位跳变法等，这类方法的优点在于对正常运行时 的电能质量没有影响，缺点在于检测盲区较大；主动法是指主动地向分布式系统内注入扰动，根据扰动产生的影响，进行孤岛检测，当并网运行时，扰动产生的影响会被大电网稀释，检测不到电气量的变化，当孤岛运行时，由于注入扰动的原因，孤岛系统内的电气量会迅速发生变化，根据这些变化就可以检测出孤岛，主动法的优点在于检测效率较高，盲区较小，缺点在于正常运行时对电能质量的影响较大。

事实上，孤岛发生的概率极小，如果采用主动法，在电力系统正常运行的时候，仍然利用逆变器向系统注入扰动，那么当越来越多的逆变器接入电网的时候，一方面过多的扰动会影响电力系统正常运行时的电能质量，另一方面扰动之间会相互影响，使孤岛检测产生盲区或者误判。而被动法不会向系统内注入扰动，可以避免这些问题，但是被动法的检测盲区较大，在很多情况下检测效率不高。因此，随着分布式发电规模的不断增长，寻求可靠的新型被动式孤岛检测方法就显得尤为重要。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提出一种串联谐振与相位跳变相结合的孤岛检测方法，其特征在于，该孤岛检测方法的步骤为：

步骤一：利用谐振相位测量装置测量a，b和c三个测量点的电压与电流的相位差 ${\∂}_a^{\′},{\∂}_b^{\′}$ 和 ${\∂}_c^{\′};$

步骤二：判断和是否超出阈值，若均没有超出阈值，则执行步骤一，若至少有一个超出阈值，则执行步骤三；

步骤三：进行延时，测得a，b和c三个测量点的电压与电流的相位差为 和若和中至少一个在延时时间内能保持在阈值以上，则执行步骤五，若均不能在延时时间内保持在阈值以上，则执行步骤四；

步骤四：判定为非孤岛，返回步骤一；

步骤五：判定为孤岛，采取相应措施应对。

所述谐振相位测量装置是由两个并联的支路组成，每一个支路是由串联的电感和电容组成的，两个支路中采用相同的电容和电感，两者的位置不同；电感和电容满足关系式ω₀＝2πf₀，f₀＝50Hz，其中，f₀为串联谐振频率，ω₀为角频率，C为电容的电容值，L为电感的电感值。

所述电感的电抗值和电容的电抗值为：

X_L＝|X_C|＝X_M；

其中，X_L为电感的电抗值，X_C为电容的电抗值，X_M为谐振相位测量装置中电容或电感的等值电抗的数值；R₀为正常运行时在公共耦合点测得的等值电阻；R_max为各种孤岛模式中，发生孤岛时分布式系统的最大等值电阻；X_max为各种孤岛模式中，发生孤岛时分布式系统的最大等值电抗。

所述延时时间设定为1秒。

发明的有益效果：本发明利用了串联谐振原理，在逆变器出口处加装谐振相位测量装置，加入了不影响电力线路等值阻抗的辅助测量电感和电容，在电力系统正常运行时不影响其电能质量，在发生孤岛时具有较高的检测效率；利用多点相位测量的方法，可以有效地减小相位跳变法的盲区，极大地提高这一检测方法的效率。

附图说明

图1是为本发明提出的孤岛检测方法流程图；

图2为辅助测量装置原理图；

图3是分布式系统等效图；

图4是未发生孤岛时的分布式系统等值图；

图5是发生孤岛后负载为纯阻性时的分布式系统等值图；

图6是发生孤岛后负载为阻感性时的分布式系统等值图；

图7是发生孤岛后负载为阻容性时的分布式系统等值图；

图8是分布式系统发生不同形式的孤岛的情况图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

当分布式系统并网运行时，由于锁相环的作用，确保逆变器工作在单位功率因数输出模式，因此测得电压与电流的相位差为0，而当分布式系统发生孤岛时，电压与电流的相位差就会发生变化，当负载为感性时，相位差会大于零，当本地负载为容性时，相位差会小于零，可以根据相位差的变化进行孤岛检测。

基于相位跳变的孤岛检测方法是一种常用的被动法，其原理就是利用分布式系统并网运行和孤岛两种状态下的逆变器测量得到的PCC点的电压与电流的相位差的不同，进行孤岛检测。当测得PCC点的电压与电流的相位差超出阈值时，经过一段延时排除电力系统自身扰动和确定自动重合闸不会动作后即可判定为孤岛。基于相位跳变的孤岛检测方法具有被动法的优点，即在电网正常运行时不影响其电能质量，但是本地负载为纯阻性时或者负载相位角很小时，会产生盲区，降低了其孤岛检测性能。

本发明将串联谐振原理和相位跳变法相结合，提出了一种新型的孤岛检测方法，流程图如图1所示，则该孤岛检测方法包括以下步骤：

步骤一：利用谐振相位测量装置测量a，b和c三个测量点的电压与电流的相位差 ${\∂}_a^{\′},{\∂}_b^{\′}$ 和 ${\∂}_c^{\′};$

步骤二：判断和是否超出阈值，若均没有超出阈值，则执行步骤 一，若至少有一个超出阈值，则执行步骤三；

步骤三：进行延时，测得a，b和c三个测量点的电压与电流的相位差为 和若和中至少一个在延时时间内能保持在阈值以上，则执行步骤五，若均不能在延时时间内保持在阈值以上，则执行步骤四；

步骤四：判定为非孤岛，返回步骤一；

步骤五：判定为孤岛，采取相应措施应对。

本发明采用在逆变器出口处加装谐振相位测量装置，谐振相位测量装置原理图如图2所示，其由两个并联的支路组成，每一个支路是由串联的电感和电容组成的，两个支路中采用相同的电感和电容，两者的位置不同；电感和电容满足关系式ω₀＝2πf₀，f₀＝50Hz，其中，f₀为串联谐振频率，ω₀为角频率，C为电容的电容值，L为电感的电感值，这样就可以保证加装的电感和电容在串联谐振频率下对于输电线路来说等值阻抗为零，不改变线路的等值阻抗。

下面分析该发明方法的检测原理。

如图3和4所示为分布式系统等效图和未发生孤岛时的分布式系统等值图，在分布式系统并网运行时光伏逆变器是单位功率因数输出，因此点c和PCC点的电压与电流的相位差均为0，则此时分布式系统的等值阻抗为纯阻性，设为R₀(c点之后的整个部分等效)，并且对于谐振相位测量装置中的电容和电感，有Lω₀＝X_L，且X_L＝X_C，X_L为电感的电抗值，X_C为电容的电抗值。此时a，b和c点的电压与电流的相位差分别为：

${\∂}_a=\arctan \frac{X_L}{R_0}---\left(1\right)$

${\∂}_b=\arctan \frac{{-X}_C}{R_0}---\left(2\right)$

${\∂}_c=0---\left(3\right)$

对于特定系统，和是可以测得的，其为定值。那么设定阈值为和(5°指的是5度)。

(1)孤岛后本地负载为阻性的情况。

本地负载为阻性的情况下，分布式系统孤岛后的系统等值图如图5所示，设R₁为发生孤岛后PCC点的等值阻抗，在负载为纯阻性的情况下，孤岛后利用传统的相位跳变法测得PCC点电压与电流的相位差为零，即c点电压与电流的相位差不变，与孤岛前相同，这样将会产生检测盲区。

使用本发明的方法，在孤岛前，a点和b点所测量的电压与电流的相位差分别如式(1)和式(2)所示，当发生孤岛后，a点和b点所测量的电压与电流的相位差为：

${\∂}_a^{\′\′}=\mathrm{acr}\tan \frac{X_L}{2R_1}---\left(4\right)$

${\∂}_b^{\′\′}=\mathrm{acr}\tan \frac{X_C}{2R_1}---\left(5\right)$

由于在孤岛发生前后，PCC点测量的等值阻抗一般差别较大，即R₀≠R₁，因此相对于会产生明显变化，在这种情况下，a点和b点将会满足检测判据，装置能够检测出孤岛。

由以上分析可知，使用本发明所提出的方法，在分布式系统发生孤岛时，当本地负载呈阻性的情况下，a点和b点都会满足判据，该装置能够检测出孤岛。

(2)孤岛后本地负载呈阻感性的情况。

本地负载为阻感性的情况下，分布式系统孤岛后的系统等值图如图6所示，R₁和X_L1为孤岛后的等值阻抗和等值感抗。孤岛后，当分布式系统负载的等值感抗相对于等值阻抗较大时，即X_L1相对于R₁较大时，利用传统的相位跳变法就可 以检测出孤岛，此时c点将会满足检测判据，而当等值感抗相对于等值阻抗较小时，即X_L1相对于R₁较小时，传统的相位跳变法无法检测出孤岛，即c点不会满足检测判据。在孤岛前，a点和b点所测量的电压与电流的相位差分别如式(1)和式(2)所示，当发生孤岛后，a点和b点所测量的电压与电流的相位差为：

${\∂}_a^{\′\′}=\mathrm{acr}\tan \frac{2X_{L1}+X_L}{2R_1}---\left(6\right)$

${\∂}_b^{\′\′}=\mathrm{acr}\tan \frac{2X_{L1}-X_C}{2R_1}---\left(7\right)$

因为R₀≠R₁，谐振相位测量装置只要加装合适的X_L和X_C，就可以使a点和b点的电压与电流的相位差发生较大的变化，根据这一变化，就可以检测出孤岛。

由上述分析可以得出，在本地负载呈阻感性的时候，只要a点、b点和c点至少有一个点满足判据，就可以检测出孤岛。

(3)孤岛后本地负载呈阻容性的情况。

本地负载为阻容性的情况下，分布式系统孤岛后的系统等值图如图7所示，R₁和X_C1为孤岛后的等值阻抗和等值容抗。孤岛后，当分布式系统负载的等值容抗相对于等值阻抗较大时，测得的PCC点的电压与电流的相位差的绝对值较大，传统的相位跳变法就能利用这一变化检测出孤岛，即c点会满足判据。当其等值容抗相对于等值电阻较小时，即X_C1相对于R₁较小时，测量的相位角绝对值较小，达不到阈值，传统的相位跳变法将无法检测出孤岛，即c点不能满足判据。在发生孤岛前，a点和b点所测量的电压与电流的相位差分别如式(1)和式(2)所示，当发生孤岛后，a点和b点所测量的电压与电流的相位差为：

${\∂}_a^{\′\′}=\mathrm{acr}\tan \frac{-2X_{C1}+X_L}{2R_1}---\left(8\right)$

${\∂}_b^{\′\′}=\mathrm{acr}\tan \frac{-2X_{C1}-X_C}{2R_1}---\left(9\right)$

由上文可知，R₀≠R₁，只要加装适当的X_L和X_C就可以使相位差在孤岛前后发生较大的变化，根据这一变化，在a点和b点就可以检测出孤岛。

因此可以得到，在本地负载呈阻容性的时候，a点、b点和c点至少有一处会满足其判据，能够检测出孤岛。

综合以上分析，在各种负载性质和大小关系之下，发生孤岛后，a，b，c三点至少会有一点能够满足判据，因此三处测量设定为逻辑或的关系，就能在孤岛发生的时候检测出孤岛。

例如：设定某一特定系统，测得为20度，则设定a点测量的电压与电流的相位差的阈值为15度和25度。在某一时刻测得超过25度或低于15度，然后进行1秒的延时，判断此时测得的在延时时间内能够一直超过25度或低于15度，那么就可以判定分布式系统发生了孤岛。

对于一组特定的分布式电源，它们可能发生不同模式的孤岛，或者所带本地负荷不同。在发生不同模式的孤岛的时候，等值阻抗就不同，在发生统一模式的孤岛，但是所带本地负荷不同的时候，等值阻抗也不同。如图8所示系统有两种模式的孤岛：(1)开关S1断开时产生的孤岛；(2)开关S1闭合，开关S2断开时产生的孤岛，这样导致本地负载等值阻抗不同。另外，当开关S1断开时产生的孤岛，在不同的时间段(例如白天和晚上，冬天和夏天)，本地负载也会不同，这样导致本地负载的等值阻抗也有所不同。所以对于本发明中电感L和电容C的选取，具体数值应该根据实际系统的等值阻抗来进行选取，这里给出选取方法和原则为：

$X_M=\frac{2R_0}{R_{\max }-R_0}{X}_{\max }---\left(10\right)$

$L=\frac{X_M}{{\mathrm{\ω}}_0}---\left(11\right)$

$C=\frac{1}{X_M{\mathrm{\ω}}_0}---\left(12\right)$

其中，X_M为谐振相位测量装置中电容和电感的等值电抗的数值，即X_L＝|X_C|＝X_M；R₀为正常运行时在公共耦合点测得的等值电阻；R_max为各种孤岛模式中，发生孤岛时分布式系统的最大等值电阻；X_max为各种孤岛模式中，发生孤岛时分布式系统的最大等值电抗。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种串联谐振与相位跳变相结合的孤岛检测方法，其特征是，该孤岛检测方法的步骤为：

步骤一：利用谐振相位测量装置测量a，b和c三个测量点的电压与电流的相位差和

步骤二：判断和是否超出阈值，若均没有超出阈值，则执行步骤一，若至少有一个超出阈值，则执行步骤三；

步骤三：进行延时，测得a，b和c三个测量点的电压与电流的相位差为 和若和中至少一个在延时时间内能保持在阈值以上，则执行步骤五，若均不能在延时时间内保持在阈值以上，则执行步骤四；

步骤四：判定为非孤岛，返回步骤一；

步骤五：判定为孤岛，采取相应措施应对；

所述谐振相位测量装置是由两个并联的支路组成，每一个支路是由串联的电感和电容组成的，两个支路中采用相同的电容和电感，两者的位置不同的；

电感和电容满足关系式ω₀＝2πf₀，f₀＝50Hz，其中，f₀为串联谐振频率，ω₀为角频率，C为电容的电容值，L为电感的电感值。

2.根据权利要求1所述的一种串联谐振与相位跳变相结合的孤岛检测方法，其特征是，所述电感的电抗值和电容的电抗值为：

X_L＝|X_C|＝X_M；

其中，X_L为电感的电抗值，X_C为电容的电抗值，X_M为谐振相位测量装置中电容或电感的等值电抗的数值；R₀为正常运行时在公共耦合点测得的等值电阻；R_max为各种孤岛模式中，发生孤岛时分布式系统的最大等值电阻；X_max为各种孤岛模式中，发生孤岛时分布式系统的最大等值电抗。

3.根据权利要求1所述的一种串联谐振与相位跳变相结合的孤岛检测方法，其特征是，所述延时时间设定为1秒。