CN103983898A - 基于相位突变和主动频率偏移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基于相位突变和主动频率偏移相结合的孤岛检测方法。该方法为：1)检测逆变器并网输出电流与公共耦合点电压的相位差公共耦合点电压的频率f；2)判断是否大于若大于执行5)，否则返回1)；判断f小于f_min或大于f_max是否成立，若成立执行5)，否则执行3)；3)每周期用主动频率偏移技术给逆变器并网输出电流添加频率扰动，检测公共耦合点电压的频率f’；4)判断f’是否大于f_max，如果是，则进行5)，否则返回1)；5)采取孤岛保护动作。本方法克服了采用单一的被动检测方法在近乎阻性负载下失效的问题，不存在检测盲区，有效的检测孤岛。

Description

基于相位突变和主动频率偏移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，特别涉及一种基于相位突变和主动频率偏移相结合的孤岛检测方法。 

背景技术

孤岛是指电网故障后，分布式发电系统仍向周围负载供电，从而形成一个无法控制的局域供电网络。非计划孤岛会给电力系统的安全稳定运行带来一些严重的问题。孤岛检测的主要作用在于当分布式系统与主网脱离时，及时断开分布式电源，防止非计划孤岛运行。目前常用的孤岛检测方法可分为远程法、被动检测法、主动检测法三大类。被动检测法是通过采集本地信号，在不外加任何扰动的情况下进行孤岛检测，其优点是原理简单，设备投入少，易于实现，对电网无干扰，对电能质量无影响；在多台逆变器下，检测效率不会降低，缺点是检测盲区较大。主动检测法是通过人为向分布式发电系统引入微小电压、电流或频率扰动信号进行检测判定，优点是当分布式电源输出功率与负载所需功率匹配时，主动法仍能检测出孤岛，盲区较小、灵敏度较高，缺点是如引入分布式发电系统的扰动控制不当，会导致微电网进入孤岛状态后无法稳定运行。 

相位突变法是利用逆变电源输出电流与公共耦合点(Point of Common Coupling，PCC)电压间相位差变化来检测孤岛的发生。并网状态下，由于并网逆变器中存在锁相环(Phase-Locked Loop，PLL)，确保系统工作在单位功率因数模式，并网逆变器的输出电流始终与电网电压保持同步。当孤岛产生时，PCC点电压不受电网电压钳制作用，由于负载阻抗角的存在，使得PCC点电压相位发生跳变，与电流的相位差转变为负载的阻抗角。因此，通过逆变器输出电流 与PCC点电压的相位差变化即可判定孤岛的产生。相位突变检测法简单、易于实现，不会对逆变器输出的电能质量和系统的暂态稳定产生影响。但当负载阻抗角接近0时，即负载近似呈阻性时，该方法失效，需采用其他孤岛检测手段进行辅助判断。 

基于逆变器的主动频率偏移法(Active Frequency Drift，AFD)是较为常用的主动式孤岛检测方法。AFD法的基本原理是：以逆变器输出单位功率因数为例，不施加主动频率偏移技术时，逆变器输出电流与PCC点电压同频同相，由锁相环检测PCC点电压的频率作为输出电流的频率，每个电压过零点为电流新半波的开始，这样电流与电压同频同相。施加主动频率偏移技术后，电流半波的初始时刻不变，但对电流频率添加扰动，使其比上一周期PCC点电压的频率略高(或略低)，若电流半波已完而电压未到过零点，则强制电流给定为零，直到电压过零触发到来，电流才开始下一个半波。图1是AFD法的工作原理图，图中实线代表PCC点电压，虚线代表经AFD法作用后逆变器输出的电流，定义频率扰动cf： 

$\mathrm{cf}=\frac{{2t}_z}{T_{\mathrm{VDG}}}---\left(1\right)$

其中，频率扰动cf表示的是电流频率的偏移量，t_z是在逆变器输出电流的参考值上每周期加入的一个死区时间，T_VDG是电网电压周期。在电网正常时，PCC点电压受电网电压的钳制，频率保持不变；电网失压后PCC点电压的频率受电流频率的影响会发生偏离，频率偏移到一定程度便可判断出孤岛。如果负载为纯阻性负载，电流在经过负载后，AFD法设定的偏移角会完全传递到电压上，电压频率增大，超过一定的阈值后触发过频保护。若负载是容性负载或感性负载，电流在经过RLC负载后，AFD法设定的偏移角会与负载相位角叠加，此时， 若AFD法设定的偏移角与负载相位角方向相反，将降低AFD法的性能，当AFD法设定的偏移角与负载相位角恰好抵消时，AFD法失效。 

综合以上分析可知，相位突变法只在负载为阻性时存在检测盲区，在负载非阻性时，检测无盲区；AFD法在负载为非阻性时存在检测盲区，在负载为阻性时，检测无盲区。因此，这两种方法可以互补，利用各自的优点，实现孤岛检测无盲区。 

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种基于相位突变和主动频率偏移相结合的孤岛检测方法，其特征是，该孤岛检测方法的具体步骤为： 

步骤一：检测逆变器并网输出电流与公共耦合点电压的相位差检测公共耦合点电压的频率f； 

步骤二：判断是否大于相位突变检测判据如果大于，进行步骤五，如果不大于，返回步骤一；判断f小于公共耦合点电压的最小频率f_min或f大于公共耦合点电压的最大频率f_max是否成立，如果成立，进行步骤五，如果不成立，进行步骤三； 

步骤三：每周期用主动频率偏移技术对逆变器并网输出电流添加频率扰动cf，并检测此时的公共耦合点电压的频率f’； 

步骤四：判断f’是否大于公共耦合点电压的最大频率f_max，如果是，则进行步骤五，如果不是，则返回步骤一； 

步骤五：采取孤岛保护动作。 

所述步骤二中相位突变检测判据设定为5°。 

所述步骤二中公共耦合点电压的最小频率f_min设定为49.5赫兹，公共耦合点电压的最大频率f_max设定为50.5赫兹。 

所述步骤三中频率扰动cf设定为0.01。 

本发明的有益效果：本发明所采用方法，以相位突变检测法为主，保证了在负载呈非阻性时孤岛能顺利检出，以主动频率偏移法为辅，保证在负载呈阻性时孤岛能顺利检出，克服了采用单一的被动检测方法在近乎阻性负载下失效的问题，不存在检测盲区，可以实现快速有效的孤岛检测功能，具有工程实际意义。 

附图说明

图1是AFD法的工作原理图； 

图2是本发明提出的基于相位突变与主动频率偏移相结合的孤岛检测法的流程图； 

图3为使用本发明方法得到的孤岛检测仿真图；

图3(a)是使用本发明方法在负载为纯阻性时测得的PCC点的电压频率仿真图； 

图3(b)是使用本发明方法在负载为纯阻性时测得的电压与电流的相位差仿真图； 

图3(c)是使用本发明方法在负载为感性时测得的PCC点的电压频率仿真图； 

图3(d)是使用本发明方法在负载为感性时测得的电压与电流的相位差仿真图； 

图3(e)是使用本发明方法在负载为容性时测得的PCC点的电压频率仿真图； 

图3(f)是使用本发明方法在负载为容性时测得的电压与电流的相位差仿真图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。 

如图2所示为本发明提出的基于相位突变与主动频率偏移相结合的孤岛检测法的流程图，其包括以下步骤： 

步骤一：检测逆变器并网输出电流与公共耦合点电压的相位差检测公共耦合点电压的频率f； 

步骤二：判断是否大于相位突变检测判据如果大于，进行步骤五，如果不大于，返回步骤一；判断f小于公共耦合点电压的最小频率f_min或f大于公共耦合点电压的最大频率f_max是否成立，如果成立，进行步骤五，如果不成立，进行步骤三； 

步骤三：每周期用主动频率偏移技术对逆变器并网输出电流添加频率扰动cf，并检测此时的公共耦合点电压的频率f’；为了减小对电能质量的影响，cf设定为0.01； 

步骤四：判断f’是否大于公共耦合点电压的最大频率f_max，如果是，则进行步骤五，如果不是，则返回步骤一； 

步骤五：采取孤岛保护动作。 

其检测判据设定如下： 

(1)相位突变检测判据设定为5°； 

(2)GB/T15945-95中规定，对于电力系统允许的偏差，正常允许为正负0.2Hz，对于小容量系统可以放宽到0.5Hz，微网属于小容量系统，则公共耦合点电压的最小频率f_min设定为49.5赫兹，公共耦合点电压的最大频率f_max设定为50.5赫兹。 

如图3所示为使用本发明方法得到的孤岛检测仿真图，从第6秒开始发生孤岛，当负载为纯阻性时，由图3(a)中PCC点的电压频率图和图3(b)电压 与电流的相位差图可知，孤岛发生1秒后(第7秒)频率就超出了50.5Hz，而相位差始终为0，因此可以根据PCC点的电压频率判断是否孤岛；当负载为感性时，由图3(c)PCC点的电压频率图和图3(d)电压与电流的相位差图可知，孤岛发生不到1秒(第7秒之前)频率就超出了阈值50.5Hz，且相位差也大大超出了阈值，因此这种情况既可以根据PCC点的电压频率也可以根据电压与电流的相位差来判断是否孤岛；当负载为容性时，由图3(e)PCC点的电压频率图和图3(f)电压与电流的相位差图可知，孤岛发生2秒后频率始终未超出阈值(根据我国光伏系统并网技术要求GB/T19939-2005的要求，当孤岛发生时，应在2s内检测出孤岛，若2s内无法检测出孤岛，则视为检测失败)，而相位差在孤岛一发生就开始明显变化，并大大超出了阈值，因此这种情况可以根据电压与电流的相位差来判断是否孤岛。综上，可以看出该方法确实可以实现任何负载孤岛检测无盲区的功能。 

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 (4)

1.基于相位突变和主动频率偏移相结合的孤岛检测方法，其特征是，该孤岛检测方法的具体步骤为：

步骤一：检测逆变器并网输出电流与公共耦合点电压的相位差检测公共耦合点电压的频率f；

步骤二：判断是否大于相位突变检测判据如果大于，进行步骤五，如果不大于，返回步骤一；判断f小于公共耦合点电压的最小频率f_min或f大于公共耦合点电压的最大频率f_max是否成立，如果成立，进行步骤五，如果不成立，进行步骤三；

步骤三：每周期用主动频率偏移技术对逆变器并网输出电流添加频率扰动cf，并检测此时的公共耦合点电压的频率f’；

步骤四：判断f’是否大于公共耦合点电压的最大频率f_max，如果是，则进行步骤五，如果不是，则返回步骤一；

步骤五：采取孤岛保护动作。

2.根据权利要求1所述的基于相位突变和主动频率偏移相结合的孤岛检测方法，其特征是，所述步骤二中相位突变检测判据设定为5^°。

3.根据权利要求1所述的基于相位突变和主动频率偏移相结合的孤岛检测方法，其特征是，所述步骤二中公共耦合点电压的最小频率f_min设定为49.5赫兹，公共耦合点电压的最大频率f_max设定为50.5赫兹。

4.根据权利要求1所述的基于相位突变和主动频率偏移相结合的孤岛检测方法，其特征是，所述步骤三中频率扰动cf设定为0.01。