CN104155555A - 主动孤岛检测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种主动孤岛检测方法，包括：向逆变器并网点注入周期性变化的无功电流扰动，其中，所述周期性变化的无功电流扰动以所述逆变器并网点的电压频率作为调节变量；计算扰动期间带来的所述逆变器并网点的电压频率的变化量，当所述变化量满足预设条件时，判定孤岛效应发生，从而实现了在电网故障时及时检测出孤岛效应。此外，本申请还公开了一种主动孤岛检测装置。

Description

主动孤岛检测方法及其装置

技术领域

本发明涉及孤岛检测技术领域，更具体地说，涉及主动孤岛检测方法及其装置。

背景技术

孤岛效应是并网发电系统普遍存在的问题。所谓孤岛效应，是指并网发电系统未能在电网故障时及时地将自身切离电网，从而形成了一个由并网发电系统单独给本地负载供电的自给供电孤岛。

孤岛效应很可能会引发一系列的危害，如：并网发电系统可能会由于电压或频率的失控而受到损坏；用电设备可能会由于孤岛区域中的电压或频率超出可接受的范围而损坏；可能会对电力检修人员或公众的生命造成威胁等。

因此，如何在电网故障时及时检测出孤岛效应，成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供主动孤岛检测方法及其装置，以实现在电网故障时及时检测出孤岛效应。

一种主动孤岛检测方法，包括：

向逆变器并网点注入周期性变化的无功电流扰动，其中，所述周期性变化的无功电流扰动以所述逆变器并网点的电压频率作为调节变量；

计算扰动期间带来的所述逆变器并网点的电压频率的变化量，当所述变化量满足预设条件时，判定孤岛效应发生。

其中，所述向逆变器并网点注入周期性变化的无功电流扰动，包括：向逆变器并网点注入正弦波无功电流扰动。

其中，所述正弦波无功电流扰动的表达式为I_QRef＝I_DRef*Q(Δf)*sinθ，其中Δf＝|fr-fmax|；

式中：fr为电网频率的额定值，fmax为所述逆变器并网点的电压频率在所述正弦波无功电流扰动的一个信号周期内的最大值，I_QRef为所述正弦波无功电流扰动的幅值，I_DRef为所述逆变器并网点有功电流的给定值，θ为所述正弦波无功电流扰动对应的每个控制中断的实时相位值，Q(Δf)为以Δf作为调节变量的所述正弦波无功电流扰动的幅值比例。

其中，所述正弦波无功电流扰动的幅值比例Q(Δf)＝k*Δf²+b，式中：k为二次项系数，b为常数。

其中，所述计算扰动期间带来的所述逆变器并网点的电压频率的变化量，包括：

计算相邻5个时间段内的所述逆变器并网点的电压频率；

计算在所述相邻5个时间段内分别出现的所述电压频率的最大值和最小值，其中所述相邻5个时间段的时长相等；

计算所述电压频率在每相邻两个时间段内的最大变化量，包括：计算所述电压频率在本时间段内的最大值与上一时间段内的最小值的差，并计算所述电压频率在所述上一时间段内的最大值与所述本时间段内的最小值的差；之后选取其中差的绝对值最大的数值作为所述最大变化量。

其中，所述计算相邻5个时间段内的所述逆变器并网点的电压频率，包括：通过软件锁相环计算相邻5个时间段内的所述逆变器并网点的电压频率。

其中，所述当所述变化量满足预设条件时，判定为孤岛效应发生，包括：

当所述最大变化量满足

的条件时，判定孤岛效应发生；

其中，Δf(n-3)为所述电压频率在第1时间段与第2时间段内的最大变化量，Δf(n-2)为所述电压频率在第2时间段与第3时间段内的最大变化量，Δf(n-1)为所述电压频率在第3时间段与第4时间段内的最大变化量，Δf(n)为所述电压频率在第4时间段与第5时间段内的最大变化量。

其中，所述无功电流扰动的电压频率为3Hz、周期为340ms；所述相邻5个时间段的时长均为170ms；所述第一阈值为0.3Hz，所述第二阈值为0.5Hz，所述第三阈值为1.0Hz。

一种主动孤岛检测装置，包括：

扰动单元，用于向逆变器并网点注入周期性变化的无功电流扰动，其中，所述周期性变化的无功电流扰动以所述逆变器并网点的电压频率作为调节变量；

逻辑处理单元，用于计算扰动期间带来的所述逆变器并网点的电压频率的变化量，当所述变化量满足预设条件时，判定孤岛效应发生。

其中，所述周期性变化的无功电流扰动为正弦波无功电流扰动。

从上述的技术方案可以看出，本发明以周期性变化的无功电流作为扰动量将其施加到逆变器并网点，在孤岛情况下，所述周期性变化的无功电流扰动会使逆变器并网点的电压频率也发生持续周期性的变化，从而，通过检测所述电压频率的变化即可判定并网发电系统是否发生了孤岛效应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种主动孤岛检测方法流程图；

图2为本发明实施例公开的正弦波无功电流扰动的幅值比例曲线图；

图3为计算扰动期间带来的逆变器并网点的电压频率的变化量的方法流程图；

图4为孤岛发生前后对应的电压频率变化曲线以及电压频率的最大变化量的变化曲线图；

图5为100KW逆变器在RLC带马达平衡负载情况下的测试波形；

图6为100KW逆变器在纯电阻负载情况下的测试波形；

图7为100KW逆变器在RLC不平衡负载情况下的测试波形；

图8为本发明实施例公开的一种主动孤岛检测装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例公开了一种主动孤岛检测方法，以实现在电网故障时及时检测出孤岛效应，包括：

步骤1：向逆变器并网点注入周期性变化的无功电流扰动，其中，所述周期性变化的无功电流扰动以所述逆变器并网点的电压频率作为调节变量；

步骤2：计算扰动期间带来的所述逆变器并网点的电压频率的变化量；

步骤3：判断所述变化量是否满足预设条件，若满足，进入步骤4，否则返回步骤1；

步骤4：判定孤岛效应发生。

本实施例以周期性变化的无功电流作为扰动量向逆变器并网点施加扰动：

当并网发电系统正常运行时(即电网供电未因故障事故或停电维修而跳脱时)，逆变器并网点的电压频率取决于电网频率；受制于电网强大的平衡作用，施加扰动后的所述逆变器并网点的电压频率变化很小，可忽略不计，因此，本实施例注入的扰动量不会对逆变器并网点的电压频率产生影响；

当并网发电系统孤岛运行时(即电网供电跳脱时)，逆变器并网点的电压频率取决于本地负载；由于失去了电网的平衡作用，本实施例注入的扰动量会使逆变器并网点的电压频率持续周期性的发生变化，从而，可以基于孤岛情况下周期性变化的无功电流扰动会带来逆变器并网点的电压频率持续周期性变化的原理来检测孤岛效应。其中，所述周期性变化的无功电流扰动优选正弦波无功电流扰动，当然也可以选用三角波无功电流扰动等，并不局限；

可见，本实施例通过以周期性变化的无功电流作为扰动量将其施加到逆变器并网点，在孤岛情况下，所述周期性变化的无功电流扰动会使逆变器并网点的电压频率也发生持续周期性的变化，从而通过检测所述电压频率的变化即可判定并网发电系统是否发生了孤岛效应，解决了现有技术存在的问题。

具体的，当以正弦波无功电流扰动作为扰动量时，以逆变器并网点的电压频率作为调节变量的所述正弦波无功电流扰动的表达式为I_QRef＝I_DRef*Q(Δf)*sinθ，其中Δf＝|fr-fmax|；

式中：fr为电网频率的额定值，fmax为所述逆变器并网点的电压频率在所述正弦波无功电流扰动的一个信号周期内的最大值，I_QRef为所述正弦波无功电流扰动的幅值，I_DRef为所述逆变器并网点有功电流的给定值，θ为所述正弦波无功电流扰动对应的每个控制中断的实时相位值，Q(Δf)为以Δf作为调节变量的所述正弦波无功电流扰动的幅值比例。

其中，Q(Δf)＝k*Δf²+b，式中：k为二次项系数，b为常数。

结合公式I_QRef＝I_DRef*Q(Δf)*sinθ和Q(Δf)＝k*Δf²+b可知，在本实施例的设定下，本实施例注入的扰动量的幅值I_QRef会随电压频率变化量的绝对值Δf的增大而增大，从而：在电网供电未跳脱时，本实施例注入的扰动量不会对逆变器并网点的电压频率产生影响；且由于Δf很小因而I_QRef也很小，从而注入的无功扰动量对逆变器的输出电能质量影响也就很小；当孤岛效应发生时，Δf会产生较大的变化导致I_QRef增大，而I_QRef的增大又会导致Δf变得更大，如此循环形成正反馈，当累积的电压频率的变化量满足预设条件时，即可判定为孤岛效应发生。

其中需要说明的是，所述Q(Δf)的表达式除选用关于Δf的二次函数Q(Δf)＝k*Δf²+b外，还可选用关于Δf的一次函数Q(Δf)＝k₁*Δf，但考虑到相较于选用Q(Δf)＝k₁*Δf而言，选用Q(Δf)＝k*Δf²+b能够提高逆变器输出的电能质量，因此本实施例以Q(Δf)＝k*Δf²+b作为优选，具体分析为：参见图2，首先设定k₁＝0.1、k＝1，已知在电网供电未跳脱时逆变器并网点的电压频率变化很小，假设为0.05Hz的波动，则Q(Δf)＝k*Δf²+b＝1*0.05²+0＝0.25％、Q(Δf)＝k₁*Δf＝0.1*0.05＝0.5％，即在所述电压频率波动小于0.1Hz时，选用Q(Δf)＝k*Δf²+b能够使注入的无功扰动量更小，提高了逆变器的输出电能质量。

具体的，参见图3，所述计算扰动期间带来的所述逆变器并网点的电压频率的变化量，包括：

步骤31：计算相邻5个时间段内的所述逆变器并网点的电压频率；

其中，可采用软件锁相环或CAP计算电压频率，但考虑到采用软件锁相环计算电压频率，其计算结果更加稳定，不受电网谐波的影响，且算法中对电压clarke坐标变换结果的高通滤波处理增强了算法的抗干扰性，因此本实施例优选通过软件锁相环来计算相邻5个时间段内的所述逆变器并网点的电压频率；

步骤32：计算在所述相邻5个时间段内分别出现的所述电压频率的最大值和最小值，其中所述相邻5个时间段的时长相等；

步骤33：计算所述电压频率在每相邻两个时间段内的最大变化量，包括：计算所述电压频率在本时间段内的最大值与上一时间段内的最小值的差，并计算所述电压频率在所述上一时间段内的最大值与所述本时间段内的最小值的差；之后选取其中差的绝对值最大的数值作为所述最大变化量。

具体的，当所述变化量满足预设条件时，判定孤岛效应发生，包括：

当所述最大变化量满足

的条件时，判定孤岛效应发生(该公式组为经验公式)；

其中，Δf(n-3)为所述电压频率在第1时间段与第2时间段内的最大变化量，Δf(n-2)为所述电压频率在第2时间段与第3时间段内的最大变化量，Δf(n-1)为所述电压频率在第3时间段与第4时间段内的最大变化量，Δf(n)为所述电压频率在第4时间段与第5时间段内的最大变化量；第一阈值、第二阈值和第三阈值均为经验值。

下面提供仿真实例，假设注入的扰动信号的电压频率为3Hz、周期为340ms；所述每相邻5个时间段中的每一个时间段的时长均为170ms；所述电压频率在第1时间段内的最大值和最小值分别为fmax1和fmin1，所述电压频率在第2时间段内的最大值和最小值分别为fmax2和fmin2，以此类推，所述电压频率在第5时间段内的最大值和最小值分别为fmax5和fmin5；

则Δf(n-3)等于在fmax2-fmin1与fmax1-fmin2中绝对值最大的数值，Δf(n-2)等于在fmax3-fmin2与fmax2-fmin3中绝对值最大的数值，Δf(n-1)等于在fmax4-fmin3与fmax3-fmin4中绝对值最大的数值，Δf(n)等于在fmax5-fmin4与fmax4-fmin5中绝对值最大的数值；

当其满足

$\left\{\begin{array}{c}\left|\mathrm{\Δf}(n-3)\right|>0.3\mathrm{Hz}\\ \left|\mathrm{\Δf}(n-3)\right|+\left|\mathrm{\Δf}(n-2)\right|>0.5\mathrm{Hz}\\ \left|\mathrm{\Δf}\left(n\right)\right|+\left|\mathrm{\Δf}(n-1)\right|>1.0\mathrm{Hz}\end{array}\right.$

时，即可判定孤岛效应发生；

在该仿真实例下，孤岛发生前后对应的电压频率变化曲线以及电压频率的最大变化量的变化曲线图如图4所示。图5-7分别为100KW逆变器在RLC带马达平衡负载情况下、纯电阻负载情况、RLC不平衡负载情况下的测试波形，其中，通道1为流向电网的电流波形，通道2为逆变器交流侧波形，通道3为控制并网接触器的开关的信号波形，通道4为控制主电路模块的PWM信号波形，t1为电网供电跳脱的时间，t2为并网发电系统启动防孤岛保护机制的时间。

从仿真结果可以看出，在图5-7中，并网发电系统启动防孤岛保护机制(即逆变器封波并断开并网接触器)的保护时间分别为583ms，529ms以及740ms，均不超过1s，因此本实施例公开的主动孤岛检测方法具有快速动作性，能够及时检测到孤岛效应的发生。此外，由于本实施例是根据逆变器并网点的电压频率的持续周期性变化来检测孤岛效应的，因此不会因某一时刻下电压频率突变而导致防孤岛保护机制被误触发，检测精度较高。

参见图8，本发明实施例公开了一种主动孤岛检测装置，包括：

扰动单元81，用于向逆变器并网点注入周期性变化的无功电流扰动，其中，所述周期性变化的无功电流扰动以所述逆变器并网点的电压频率作为调节变量；

逻辑处理单元82，用于计算扰动期间带来的所述逆变器并网点的电压频率的变化量，当所述变化量满足预设条件时，判定孤岛效应发生。

其中，所述周期性变化的无功电流扰动可采用正弦波无功电流扰动。

综上所述，本发明以周期性变化的无功电流作为扰动量将其施加到逆变器并网点，在孤岛情况下，所述周期性变化的无功电流扰动会使逆变器并网点的电压频率也发生持续周期性的变化，从而，通过检测所述电压频率的变化即可判定并网发电系统是否发生了孤岛效应。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种主动孤岛检测方法，其特征在于，包括：

向逆变器并网点注入周期性变化的无功电流扰动，其中，所述周期性变化的无功电流扰动以所述逆变器并网点的电压频率作为调节变量；

计算扰动期间带来的所述逆变器并网点的电压频率的变化量，当所述变化量满足预设条件时，判定孤岛效应发生。

2.根据权利要求1所述的主动孤岛检测方法，其特征在于，所述向逆变器并网点注入周期性变化的无功电流扰动，包括：

向逆变器并网点注入正弦波无功电流扰动。

3.根据权利要求2所述的主动孤岛检测方法，其特征在于，所述正弦波无功电流扰动的表达式为I_QRef＝I_DRef*Q(Δf)*sinθ，其中Δf＝|fr-fmax|；

式中：fr为电网频率的额定值，fmax为所述逆变器并网点的电压频率在所述正弦波无功电流扰动的一个信号周期内的最大值，I_QRef为所述正弦波无功电流扰动的幅值，I_DRef为所述逆变器并网点有功电流的给定值，θ为所述正弦波无功电流扰动对应的每个控制中断的实时相位值，Q(Δf)为以Δf作为调节变量的所述正弦波无功电流扰动的幅值比例。

4.根据权利要求3所述的主动孤岛检测方法，其特征在于，所述正弦波无功电流扰动的幅值比例Q(Δf)＝k*Δf²+b，式中：k为二次项系数，b为常数。

5.根据权利要求2所述的主动孤岛检测方法，其特征在于，所述计算扰动期间带来的所述逆变器并网点的电压频率的变化量，包括：

计算相邻5个时间段内的所述逆变器并网点的电压频率；

计算在所述相邻5个时间段内分别出现的所述电压频率的最大值和最小值，其中所述相邻5个时间段的时长相等；

计算所述电压频率在每相邻两个时间段内的最大变化量，包括：计算所述电压频率在本时间段内的最大值与上一时间段内的最小值的差，并计算所述电压频率在所述上一时间段内的最大值与所述本时间段内的最小值的差；之后选取其中差的绝对值最大的数值作为所述最大变化量。

6.根据权利要求5所述的主动孤岛检测方法，其特征在于，所述计算相邻5个时间段内的所述逆变器并网点的电压频率，包括：

通过软件锁相环计算相邻5个时间段内的所述逆变器并网点的电压频率。

7.根据权利要求5或6所述的主动孤岛检测方法，其特征在于，所述当所述变化量满足预设条件时，判定为孤岛效应发生，包括：

当所述最大变化量满足

的条件时，判定孤岛效应发生；

其中，Δf(n-3)为所述电压频率在第1时间段与第2时间段内的最大变化量，Δf(n-2)为所述电压频率在第2时间段与第3时间段内的最大变化量，Δf(n-1)为所述电压频率在第3时间段与第4时间段内的最大变化量，Δf(n)为所述电压频率在第4时间段与第5时间段内的最大变化量。

8.根据权利要求7所述的主动孤岛检测方法，其特征在于，所述无功电流扰动的电压频率为3Hz、周期为340ms；

所述相邻5个时间段的时长均为170ms；

所述第一阈值为0.3Hz，所述第二阈值为0.5Hz，所述第三阈值为1.0Hz。

9.一种主动孤岛检测装置，其特征在于，包括：

扰动单元，用于向逆变器并网点注入周期性变化的无功电流扰动，其中，所述周期性变化的无功电流扰动以所述逆变器并网点的电压频率作为调节变量；

逻辑处理单元，用于计算扰动期间带来的所述逆变器并网点的电压频率的变化量，当所述变化量满足预设条件时，判定孤岛效应发生。

10.根据权利要求9所述的主动孤岛检测装置，其特征在于，所述周期性变化的无功电流扰动为正弦波无功电流扰动。