CN104237712B - 孤岛检测方法和装置及孤岛处理系统 - Google Patents

Abstract

一种孤岛检测方法和装置及孤岛处理系统，孤岛检测方法包括步骤：A、向分布式电源系统内注入正扰动；B、检测公共连接点的电压频率，获取电压频率的改变量Δf；C、根据电压频率改变量判断本地负载的特性，当本地负载特性为阻容性时，将扰动转向为负扰动，否则维持正扰动；D、当电压频率超出预定阈值时，确定为分布式电源系统成为孤岛。通过采用本发明的孤岛检测方法、装置及孤岛处理系统，能够对本地负载为各种情况下对孤岛故障进行检测，另外也提高了检测速度，增加了系统的稳定性。

Description

孤岛检测方法和装置及孤岛处理系统

技术领域

本发明涉及电力系统设备领域，特别涉及一种电力系统故障诊断及处理技术。

背景技术

孤岛是指当分布式电源(Distributed Generation,DG)系统与电网脱离时，分布式电源DG系统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。孤岛检测可以获知分布式电源DG系统是否发生孤岛，因此对于分布式电源DG系统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，在公共连接点(Point of Common Coupling，PCC)开关断开形成孤岛的时候向分布式电源DG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电源DG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，这种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电源DG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，由于注入扰动得原因，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，主动法主要包括主动移频法(Active Frequency Drift，AFD)，带正反馈的主动移频法(active frequency drift with positive feedback，AFDPF)，滑模频率偏移法(Slip-Mode Frequency Shift，SMS)，有功(无功)功率扰动法，阻抗法等，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的对电能质量的影响较大。

主动频率偏移法(AFD)是一种常用的主动法，它利用输出电流的轻微畸变，导致孤岛后电压频率发生变化，利用电压频率变化形成正反馈，迅速检测出孤岛。

利用主动频率偏移法AFD，当分布式电源DG系统并网运行的时候，扰动被大电网稀释，PCC点电压保持不变，频率变化量也不变，其对电能质量的影响很小，当分布式电源DG系统孤岛运行的时候，频率变化量发生变化，主动频率偏移法AFD使得电压的频率越来越大，直到检测出孤岛。

主动频率偏移法AFD虽然加快了孤岛检测的速度，但是该方法存在盲区：当本地负载为阻容性时，主动频率偏移法AFD可能无法使DG系统的电压频率发生变化，因此无法形成正反馈，逆变器会继续保持电流输出不变，这时孤岛是无法检测出来的，因此存在风险。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供无盲区的孤岛检测手段，无论本地负载为何种状况，均能快速检测出孤岛，保证系统的稳定性。

为了实现上述目的，本发明提出了一种孤岛检测方法、孤岛检测装置及孤岛处理系统，技术方案具体如下：

一种孤岛检测方法，包括以下步骤：

A、向分布式电源系统内注入正扰动；

B、检测公共连接点的电压频率，获取电压频率的改变量Δf；

C、判断本地负载的特性，当本地负载特性为阻容性时，将扰动转向为负扰动，否则维持正扰动；

D、当电压频率超出预定阈值时，确定为分布式电源系统成为孤岛。

其中，所述步骤A中向分布式电源系统内注入正扰动的步骤包括：使得逆变器的输出电流与公共连接点的电压同相位，但频率大于公共连接点的电压，在每一半周逆变器的输出电流过零，公共连接点的电压没过零的时候将所述逆变器的输出电流保持为零，其中所述半周内保持输出电流为零的角度为θ_AFD，保持输出电流为零的时间为T_z，截断系数cf为其中T为系统周期。

而所述步骤C中判断本地负载的特性的方法为：

如果某一周期内电压频率改变量其中f_n为系统额定频率，则判断本地负载特性为阻容性。

在第一周期内设置初始截断系数cf₀为0.01，相应地，步骤C中将扰动反向为负扰动为设置截断系数为-0.01。

另外，步骤C中将扰动转向为负扰动后进一步包括，如果后续周期内的电压频率改变量则返回至步骤A，向系统分布式电源系统内注入正扰动，并执行后续步骤。

一种孤岛检测装置，包括：

系统扰动单元，用于向分布式电源系统内注入正扰动或将扰动转向为负扰动；

电压频率检测单元，用于检测公共连接点电压频率并确定电压频率改变量；

负载特性检测单元，所述负载检测单元连接至系统扰动单元和电压频率检测单元，用于根据电压频率改变量确定本地负载特性，当本地负载特性为阻容性时，通知系统扰动单元将扰动转向为负扰动；

孤岛判断单元，连接至电压频率检测单元，用于当电压频率超出预定阈值时，确定为分布式电源系统成为孤岛。

另一方面，所述系统扰动单元包括逆变器输出电流调整单元，用于使得逆变器的输出电流与公共连接点的电压同相位，但频率大于公共连接点的电压，在每一半周逆变器的输出电流过零，公共连接点的电压没过零的时候将所述逆变器的输出电流保持为零。

一种孤岛处理系统，包括

分布式电源系统，孤岛检测装置和断路设备，其中

孤岛检测装置包括：

系统扰动单元，用于向分布式电源系统内注入正扰动或将扰动转向为负扰动；

电压频率检测单元，用于检测公共连接点电压频率并确定电压频率改变量；

负载特性检测单元，所述负载检测单元连接至系统扰动单元和电压频率检测单元，用于根据电压频率改变量确定本地负载特性，当本地负载特性为阻容性时，通知系统扰动单元将扰动转向为负扰动；

孤岛判断单元，连接至电压频率检测单元，用于当电压频率超出预定阈值时，确定为分布式电源系统成为孤岛；

断路设备根据孤岛检测装置的检测结果，将分布式电源系统进行断路处理。

通过采用本发明的孤岛检测方法、装置及孤岛处理系统，能够克服主动频率偏移法AFD中存在检测盲区的问题，能够对各种环境下的孤岛故障进行检测，也提高了检测速度，增加了系统的稳定性。

另一方面，本发明是在是在主动频率偏移法AFD的基础上进行改进而来的，因此在实际工程中，可以通过对逆变器中配置的主动频率偏移法AFD进行调整改善就可以实现本发明的实施方式，因此本方法在实际工程中简单易行。

附图说明

图1是主动移频法的电气量示意图。

图2是本发明具体实施方式孤岛检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。

然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

如前所述，主动频率偏移法AFD是一种常用的主动法，它利用输出电流的轻微畸变，导致孤岛后电压频率发生变化，利用公共连接点PCC的电压频率变化形成正反馈，迅速检测出孤岛。

主动频率偏移法AFD的电气量示意图如图1所示，逆变器的输出电流与公共连接点PCC的电压同相位，但频率稍大于公共连接点PCC电压，在每一半周电流过零电压没过零的时候电流保持输出为零。每一个半周T的电流置零的时间对应的时间为T_z，其中截断系数cf为：

那么每半个周期电流置零的角度为：

利用这样的方法，当分布式电源DG系统并网运行的时候，扰动被大电网稀释，公共连接点PCC的电压的频率改变量Δf不变。适当调整初始截断系数cf₀的大小，可以使其对电能质量的影响尽量小，当分布式电源DG系统孤岛运行的时候，Δf发生变化，主动频率偏移法AFD使得截断系数cf越来越大，即使得公共连接点PCC的电压的频率越来越大，当公共连接点PCC的电压频率超出预定上限阈值时，判断为孤岛出现。

设孤岛后本地负载的相位角为θ_load，第i个周期的周期时间和频率分别为T_i和f_i，主动频率偏移法AFD的电气量关系为：

其中ω_n是系统的额定角频率。

由此，第i周期的频率f_i和频率变化量Δf_i与相位角之间的关系为：

其中f_n为系统额定频率。

一般说来，满足正常运行时的电能质量时θ_AFD取值很小，在出现孤岛的时候，当Δf_i变化超过0.5Hz的时候，θ_AFD最大也只有(即)，而因此π-(θ_AFD+θ_load)＞0，因此，对于Δf_i的数值就有以下三种情况：

由于初始截断系数cf₀＞0，即θ_AFD＞0，增益k＞0，根据以上说明，在不同负载性质的情况下，主动频率偏移法AFD符合以下特点：

(1)当本地负载为阻感性的时候，因为θ_load＞0，因此只会出现Δf＞0这一种情况，在这种情况下主动频率偏移法AFD可以形成正反馈，频率变化速度逐渐加快，主动频率偏移法AFD能够准确快速地检测出孤岛；

(2)当本地负载为纯阻性的时候，因为θ_load＝0，只有Δf＞0这一种情况，在这种情况下主动频率偏移法AFD可以形成正反馈，频率变化速度逐渐加快，主动频率偏移法AFD能够准确快速地检测出孤岛；

(3)当本地负载为阻容性的时候，因为θ_load＜0，所以根据其大小变化，三种情况都可能出现。当Δf＞0时，主动频率偏移法AFD可以形成正反馈，但实际上由于θ_load＜0，由式可见，这样的参数设置阻碍了f的变化，尽管形成了正反馈，但频率改变的速度较阻性负载和阻感性负载的时候变慢；当Δf＝0时，可见主动频率偏移法AFD并没有使分布式电源DG系统频率发生变化，无法形成正反馈，逆变器会继续保持电流输出不变，这种情况下会出现检测盲区；Δf＜0时，会使cf逐渐减小，甚至变为负值，可能会超出频率的预定下限阈值，检测出孤岛，但这种情况下检测速度较慢，可能会在规定的时间内出现检测不出孤岛的情况。

因此当发生孤岛的时候，如果本地负载为阻感性和阻性的时候，主动频率偏移法AFD均可以准确快速地检测出孤岛，但当本地负载为阻容性的时候，主动频率偏移法AFD较本地负载为阻性和阻感性的时候检测速度会变慢，甚至出现检测盲区。

针对这一技术问题，本发明实施方式中的孤岛检测方法为：

一种孤岛检测方法，包括以下步骤：

A、向分布式电源系统内注入正扰动；

B、检测公共连接点PCC电压频率，获取公共连接点PCC电压频率的改变量Δf；

C、判断本地负载的特性，当本地负载特性为阻容性时，将扰动转向为负扰动，否则维持正扰动；

D、当公共连接点PCC电压频率超出预定阈值时，确定为分布式电源系统成为孤岛。

特别是针对本地负载为阻容性时，将扰动转向为负扰动，亦即设置截断系数cf小于零，则有θ_AFD＜0，且此时θ_load＜0，θ_AFD和θ_load二者符号相同，导致电压频率的改变没有受到削弱影响，这样就加速了电压频率的下降，当电压频率超过预定下限阈值时，判断为分布式电源系统成为了孤岛。

以下分别通过其他更具体的实施方式进一步披露本发明孤岛检测方法、装置及孤岛处理系统。

步骤A中向分布式电源系统内注入正扰动的步骤包括：使得逆变器的输出电流与公共连接点的电压同相位，但频率大于公共连接点的电压，在每一半周逆变器的输出电流过零，公共连接点的电压没过零的时候将所述逆变器的输出电流保持为零，其中所述半周内保持输出电流为零的角度为θ_AFD，保持输出电流为零的时间为T_z，截断系数cf为而T为系统周期。

对于注入正扰动的初始截断系数cf₀的选择，根据孤岛检测方法或装置的性能要求以及系统的电能质量要求来确定，当初始截断系数cf₀较大时，如果发生孤岛能够快速检测出，但是容易对正常运行的分布式电源DG系统的电能质量造成影响。当初始截断系数cf₀较小时，能够避免影响到电能质量，但是需要较长时间才能使得电流的频率超出预定阈值，存在风险。实际孤岛检测方法和装置中，可以例如选择初始截断系数cf₀为0.01。

步骤C中，判断本地负载的特性可以有多种方法，例如直接获取本地系统各元件参数直接累计，或通过检测系统的电流、电压电气量来计算得出。本领域技术人员根据本发明所披露内容可以实施多种方式，均属于本发明的保护范围。

作为本发明的优选实施方式之一，可以通过公共连接点PCC的电压频率的改变量Δf来判断本地负载的特性。

当本地负载为纯阻性时，即θ_load＝0，因此

当本地负载为阻感性时，即θ_load＞0，因此

而当本地负载为阻容性时，即θ_load＜0，因此

由此本发明一实施例中判断本地负载为阻容性的方法为：

如果公共连接点PCC电压频率改变量则判断本地负载特性为阻容性。

通过使用电压频率改变量Δf来判断本地负载特性，能够简单方便判断出本地负载，而不需要进一步使用更多装置，简单有效。

有时例如会出现检测错误，即使本地为阻感性或纯阻性时，也出现了某一周期内也出现了的现象，这种现象称为伪孤岛，出现伪孤岛后，根据本发明实施方式也将正扰动转向为负扰动，这样会进一步出现错误的结果。

因此，本发明又一实施方式的流程图如图2所示。

步骤A中，向分布式电源系统内注入正扰动，即设置初始截断系数cf₀为0.01。接下来，检测公共连接点PCC电压的频率，获取电压频率的改变量Δf。

当(图中为Δf≥f_a)时，说明本地负载为纯阻性或阻感性，此时只需保持扰动方向为正扰动即可。

否则，将扰动方向转向为负扰动，即设置初始截断系数cf₀为-0.01，接下来，检测公共连接点PCC的电压频率，获取电压频率的改变量Δf。

此后，如果(图中为Δf≥f_b)，说明本地负载为阻容性，则继续保持扰动方向为负扰动，直至电压频率超出预定下限阈值即可判断为孤岛。

否则，说明孤岛检测方法或者装置出现了伪孤岛现象，即本地为阻感性或纯阻性时，也出现了某一周期内也出现了的现象，这种情况下，本不应使扰动方向转向为逆扰动，因此又重新设置初始截断系数cf₀为0.01。接下来，检测公共连接点PCC的电压频率，获取电压频率的改变量Δf，执行后续流程，直至检测出孤岛。

通过以上实施方式，本发明克服了伪孤岛所可能带来的故障，进一步加强了检测精度。

为了实现本发明孤岛检测方法，本发明实施方式中使用了一种孤岛检测装置，其包括：

系统扰动单元，用于向分布式电源系统内注入正扰动或将扰动反向为负扰动；

电压频率检测单元，用于检测公共连接点PCC的电压频率并确定电压频率改变量；

负载特性检测单元，所述负载检测单元连接至系统扰动单元和电压频率检测单元，用于根据电压频率改变量确定本地负载特性，当本地负载特性为阻容性时，通知系统扰动单元将扰动反向为负扰动；

孤岛判断单元，连接至电压频率检测单元，用于当电压频率超出预定阈值时，确定为分布式电源系统成为孤岛。

其中，所述系统扰动单元包括逆变器输出电流调整单元，用于使得逆变器的输出电流与公共连接点的电压同相位，但频率大于公共连接点的电压，在每一半周逆变器的输出电流过零，公共连接点的电压没过零的时候将所述逆变器的输出电流保持为零。

另外，本发明实施方式还包括一种孤岛处理系统，所述孤岛处理系统中包括有：

分布式电源系统，孤岛检测装置和断路设备，其中

孤岛检测装置包括：

系统扰动单元，用于向分布式电源系统内注入正扰动或将扰动反向为负扰动；

电压频率检测单元，用于检测PCC电压频率并确定电压频率改变量；

负载特性检测单元，所述负载检测单元连接至系统扰动单元和电压频率检测单元，用于根据电压频率改变量确定本地负载特性，当本地负载特性为阻容性时，通知系统扰动单元将扰动反向为负扰动；

孤岛判断单元，连接至电压频率检测单元，用于当电压频率超出预定阈值时，确定为分布式电源系统成为孤岛；

断路设备根据孤岛检测装置的检测结果，将分布式电源系统进行断路处理。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种孤岛检测方法，包括以下步骤：

A、向分布式电源系统内注入正扰动；

B、检测公共连接点的电压频率，获取所述电压的频率改变量Δf；

C、判断本地负载的特性，当本地负载特性为阻容性时，将扰动转向为负扰动，否则维持正扰动；

D、当所述电压频率超出预定阈值时，确定为分布式电源系统成为孤岛；所述步骤A中向分布式电源系统内注入正扰动的步骤包括：使得逆变器的输出电流与公共连接点的电压同相位，但频率大于公共连接点的电压，在每一半周逆变器的输出电流过零，公共连接点的电压没过零的时候将所述逆变器的输出电流保持为零，其中

所述半周内保持输出电流为零的角度为θ_AFD，保持输出电流为零的时间为T_z，截断系数cf为其中T为系统周期；

所述步骤C中判断本地负载的特性的方法为：

如果某一周期内所述电压频率改变量其中f_n为系统额定频率，则判断本地负载特性为阻容性；

所述步骤C中将扰动转向为负扰动后进一步包括，如果后续周期内的公共连接点电压频率改变量则返回至步骤A，向系统分布式电源系统内注入正扰动，并执行后续步骤。

2.权利要求1中所述的孤岛检测方法，其特征在于，在第一周期内设置初始截断系数cf₀为0.01，相应地，步骤C中将扰动反向为负扰动时，设置初始截断系数为-0.01。