CN104155576B - 一种基于分流原理的孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于分流原理的孤岛检测方法，包括以下步骤：1)启动谐波电流注入装置，在PCC点注入非特征谐波电流I_h；2)实时测量并入支路并联谐振端口所分得的电流I_Z；3)如果检测到并入支路并联谐振端口的电流I_Z不超过阈值I_set，则返回步骤2)，如果所述电流I_Z超过阈值I_set，则执行步骤4)；4)进行1s的延时，并执行步骤5)；5)如果在延时时间内流过支路并联谐振端口的电流I_Z低于阈值I_set，则执行步骤6)，如果在延时时间内该电流I_Z一直保持在阈值I_set以上，则执行步骤7)；6)判定为伪孤岛，返回步骤2)；7)判定为孤岛，将谐波电流注入装置闭锁，使防孤岛保护装置动作。

Description

一种基于分流原理的孤岛检测方法

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，是一种适用于防孤岛保护的主动式检测方案，特别涉及一种基于分流原理的孤岛检测方法。

背景技术

孤岛是指当分布式发电(DG)系统与大电网脱离时，DG电源仍然为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。其中，计划性孤岛是指在电网规划时已经考虑到的孤岛情况，并且已经为其配备了安全稳定措施。非计划性孤岛是指在规划系统时未考虑到的孤岛，未配备安全稳定措施。非计划性孤岛一旦出现，会对电力系统的安全稳定运行以及检修人员的安全造成极其严重的威胁。因此，非计划性孤岛是不允许出现的。孤岛检测能够获知DG系统是否发生孤岛，对电力系统的安全稳定运行极其重要。

当前孤岛检测的方法主要分为开关状态检测法，被动检测法和主动检测法三类。开关状态检测法通过通信的方式在孤岛发生后向DG系统传递信号，检测效率较高，但成本过高。被动检测法利用孤岛后DG系统内电气量的变化进行检测，不影响电能质量，但检测效率不高，在孤岛系统内发生功率匹配时难以检测出孤岛，检测盲区比较大。主动检测法通过向系统内注入扰动，利用扰动产生的影响进行检测，检测效率较高，但在系统正常运行时仍注入扰动，会影响电能质量。从上述分析可知，传统的孤岛检测方法并不能兼顾电能质量和检测效率。

目前，电力系统是不允许非计划性孤岛运行的，但是简单地禁止孤岛运行将不利于分布式发电的发展，如果能够对于孤岛效应加以合理利用，即，当孤岛发生时，在不破坏电能质量的情况下高效地检测出孤岛，并且采取相应的策略，使孤岛系统能够继续稳定运行，那么对于发电业主以及用户都会带来很大的经济效益。传统的被动检测法不能高效地检测出孤岛，传统的主动检测法又会破坏孤岛系统的稳定，它们并不能适应现在的发展趋势。本发明结合分布式发电系统运行和控制的特点，根据孤岛发生前后PCC(电网公共连接点)等值阻抗的不同，提出了一种基于分流原理的孤岛检测方法。

发明内容

本发明基于分布式发电系统特殊的控制运行方式，结合分布式发电系统的需求和发展趋势，提出一种新型的基于分流原理的孤岛检测方法。该方法巧妙地利用了孤岛产生前后PCC等值阻抗会发生变化这一特征，将等值阻抗的变化映射为并联支路分得的电流的变化，既能够快速准确地检测出孤岛，又使得检测量的获取更加简单易行。

当DG系统并网运行时，如图1(a)所示，PCC点的等值阻抗为DG系统与大电网并联的等值阻抗，数值较小，在DG系统与大电网脱离而形成孤岛后，如图1(b)所示，PCC点的等值阻抗为DG系统的等值阻抗，数值很大。相对于其它的孤岛检测方法，阻抗检测法的优点在于无盲区，且检测速度快。首先，在孤岛发生以后，如果功率匹配，那么PCC点的电压和频率都不变，但是无论何种情况下，PCC点的等值阻抗都是会变的。其次，对于频率偏移或者功率扰动等主动式孤岛检测法，在发生孤岛后常常需要一段时间使电气量发生变化，而DG系统发生孤岛以后等值阻抗是瞬间变化的，因此使用阻抗法也可以大大减小孤岛的检测时间。另外，类似频率偏移法和有功/无功扰动法这样的孤岛检测方法，通过注入扰动，通过扰动的变化进行孤岛检测，在检测出孤岛的同时，DG系统已经无法稳定运行，这样将不利于对孤岛加以利用，而使用阻抗法，并不需要破坏DG系统的稳定性。

由上述分析可知，如果使用PCC点的等值阻抗的变化作为判断孤岛的依据，可以快速检测出孤岛，并且不存在检测盲区，也不需要强行改变孤岛系统的电气量，有利于对孤岛进行利用。但是直接测量PCC点的等值阻抗是非常困难的，传统的基于逆变器谐波注入的阻抗法不仅在实现上较为困难，而且在多逆变器并联运行时会互相影响，降低检测效率。本发明利用分流原理，将PCC点等值阻抗的变化映射为支路中电流的变化，通过测量支路电流的变化进行孤岛检测，从而能够快速准确地检测出孤岛。

分流原理如图2所示，对于两个并联的阻抗Z₁和Z₂，当它们与电流源相连时，注入恒定电流I，流过两个支路的电流将根据阻抗Z₁和Z₂的大小进行分配，流过Z₁的电流为：

$I_1=\frac{Z_2}{Z_1+Z_2}I=I(1-\frac{Z_1}{Z_1+Z_2})---\left(1\right)$

由式(1)可知，在注入电流不变的情况下，如果Z₂变大，那么流过Z₁的电流就会变大，这样就可以将阻抗的变化映射为电流的变化。本发明在PCC点注入恒定的谐波电流，并且在PCC处并联一条阻抗恒定的支路Z，当DG系统并网运行时，PCC等值阻抗即为DG系统与大电网并联的等值阻抗，数值较小，此时流过并联支路Z的谐波电流较小；当DG系统脱离电网形成孤岛时，PCC等值阻抗即为DG系统的等值阻抗，数值较大，此时流过支路Z的谐波电流将变大，根据谐波电流的变化即可检测出孤岛。

基于分流原理的孤岛检测方法如图3所示，将外加定值阻抗Z与DG系统并联，在PCC点注入非特征谐波电流，通过检测流过外加支路的非特征谐波电流的变化进行孤岛检测。根据系统的实际情况，设定流过外加支路非特征谐波电流I_z的阈值I_set，当电流超过阈值时，判定为孤岛。当DG系统并网运行时，PCC点等值阻抗较小，此时并入支路分得的非特征谐波电流较小，测得的I_z小于阈值I_set；当DG系统脱网运行，孤岛发生时，并入支路分得的非特征谐波电流I_z较大，测得的I_z大于阈值I_set，此时可以判定为孤岛。

对于该方法中并入支路的阻抗的选择，应遵循两个原则，首先，应尽量减小其对工频量的影响，其次，从并入支路上提取谐波电流时应尽量简单。

基于上述原则，本发明选取电感L和电容C组成并联电路作为已知阻抗，电感L和电容C在工频下并联谐振。如附图4所示，这样就可以保证在并入支路对于工频电气量来说是一个开路，不影响工频分量。在进行孤岛检测时，只需要使用互感器提取并入支路的并联谐振端口电流即可。图中，I_h是谐波源注入的非特征谐波电流，I_z是并入支路并联谐振端口分得的电流。

本方法的实施步骤主要包括：

(1)启动谐波电流注入装置，在PCC点注入非特征谐波电流I_h；

(2)实时测量并入支路的并联谐振端口分得的电流I_z；

(3)如果检测到并入支路的并联谐振端口的电流I_z不超过阈值I_set，那么就返回步骤(2)，如果所述电流I_z超过阈值I_set，那么执行步骤(4)；

(4)进行1s的延时，如果在延时时间内流过支路并联谐振端口的电流I_z低于阈值I_set，那么执行步骤(5)，如果在延时时间内该电流I_z一直保持在阈值I_set以上，那么就执行步骤(6)；

(5)判定为伪孤岛，返回步骤(2)；

(6)判定为孤岛，将高频谐波电流注入装置闭锁，使防孤岛保护装置动作。

本发明的创新点在于，第一，将分流原理利用在孤岛检测中，利用孤岛发生前后PCC等值阻抗的变化导致的支路分得电流I_Z的不同进行孤岛检测；第二，新并入的支路Z采用并联谐振的形式，可以使工频电流不流入该支路，流入该支路的电流只有谐波电流，这样既保证了并入支路不影响工频电气量，又使得测量I_Z时不需要进行滤波。

本发明的有益效果为：本发明利用孤岛发生前后PCC等值阻抗会发生很大的差异这一特征，能够快速高效地进行孤岛检测，另外，本发明利用分流原理，并且借助并联谐振电路进行分流，简化了测量值的获取。

附图说明

图1(a)孤岛前系统的等值电路图；

图1(b)孤岛后系统的等值电路图；

图2分流原理示意图；

图3基于分流原理的孤岛检测电路；

图4基于分流原理的孤岛检测实现电路；

图5本检测方法并入支路孤岛前后电流仿真图；

图6本检测方法的流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

使用simulink搭建光伏场站并网模型，电源线电压为400V，容量无限大，频率为50Hz，负载由等值阻抗代替，R＝0.1Ω，L＝0.01H；DG系统参数为：电源由电流源代替，输出电流为20A，频率为50Hz，并含有少量谐波，本地负载为R＝20Ω，L＝0.0865H。与电网并联的外加支路Z的阻抗参数为：L＝0.05H，C＝2.0285×10^-4F。设定仿真时间为0.5s，在0.3s时发生孤岛。

一种基于分流原理的孤岛检测方法，包括以下步骤：

步骤一：启动谐波电流注入装置，在PCC点注入非特征谐波电流I_h，电流幅值为5A，频率为400Hz；

步骤二：实时测量并入支路并联谐振端口所分得的电流I_Z；

步骤三：如果检测到并入支路并联谐振端口的电流I_Z不超过阈值I_set，那么就返回步骤二，如果所述电流I_Z超过阈值I_set，那么执行步骤四；

步骤四：进行1s延时，并执行步骤五；

步骤五：如果在延时时间内流过支路并联谐振端口的电流I_Z低于阈值I_set，那么执行步骤六，如果在延时时间内该电流I_Z一直保持在阈值I_set以上，那么就执行步骤七；

步骤六：判定为伪孤岛，返回步骤二；

步骤七：判定为孤岛，将谐波电流I_h注入装置闭锁，使防孤岛保护装置动作。

测量仿真结果如附图5所示。

Claims (4)

1.一种基于分流原理的孤岛检测方法，包括以下步骤：

步骤一启动谐波电流注入装置，在PCC点注入非特征谐波电流I_h；

步骤二实时测量并入支路并联谐振端口所分得的电流I_Z；

步骤三如果检测到并入支路并联谐振端口的电流I_Z不超过阈值I_set，则返回步骤二，如果所述电流I_Z超过阈值I_set，则执行步骤四；

步骤四进行1s的延时，并执行步骤五；

步骤五如果在延时时间内流过支路并联谐振端口的电流I_Z低于阈值I_set，则执行步骤六，如果在延时时间内该电流I_Z一直保持在阈值I_set以上，则执行步骤七；

步骤六判定为伪孤岛，返回步骤二；

步骤七判定为孤岛，将谐波电流注入装置闭锁，使防孤岛保护装置动作。

2.根据权利要求1所述的孤岛检测方法，其特征在于，步骤一中注入的非特征谐波电流I_h，其电流幅值为5A，频率为400Hz。

3.根据权利要求1所述的孤岛检测方法，其特征在于，根据发生孤岛前后PCC等值阻抗的变化导致的支路分得电流I_Z的不同进行孤岛检测。

4.根据权利要求1所述的孤岛检测方法，其特征在于，在步骤一中并入支路Z，采用并联谐振的形式，使工频电流不流入该支路，流入该支路的只有分得的电流I_Z，使并入支路不影响工频电气量，又使测量I_Z时不需要进行滤波。