CN104655957B - 一种主被动结合的混合型孤岛检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主被动结合的混合型孤岛检测方法，本发明通过采集数据计算DG系统输出有功功率P，负载消耗有功功率P+ΔP和无功功率ΔQ，由被动型盲区判据选择检测方法，在盲区判据内，采用无盲区的SFS检测方法；在盲区外，采用过/欠压和过/欠频装置检测方法，能改善被动型方法盲区大的缺点，实现无盲区检测；且由于实际运行中本地负载处于被动型盲区内的可能性小，能极大地降低检测方法对电能质量的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种主被动结合的混合型孤岛检测方法，属于分布式发电系统并网的孤岛保护领域。
背景技术
“孤岛”是指公共电网停止供电后，由于分布式发电(DG)的存在(与电网相连并输送电能)，使电网停电区的部分线路仍维持带电状态，形成自给电力供应的孤岛。非计划孤岛运行可能会对用户和配电设备造成十分严重的损害，因此光伏发电及其它分布式发电系统接入公共电网时，孤岛检测是其必备的重要功能。目前国内外研究的孤岛检测方法主要包括两类：本地孤岛检测法和基于远程通讯的孤岛检测法。基于远程通信的方法主要利用通信手段，或者检测断路器的开端状态，或者在电网侧发出载波信号，而安装在DG侧的接收器将根据这些信号的变化来确定是否发生了孤岛。
本地孤岛检测法即为基于逆变器的检测方法，主要分为两类：被动式检测方法：即通过检测孤岛形成前后公共耦合点(PCC)的电气量发生的变化来检测。包括分布式发电系统一般都具备的过/欠电压保护(O/UVP)及过/欠频率保护(O/UFP)。但被动式检测存在检测盲区大的缺点。主动式检测方法：包括主动频率偏移法、Sandia频率偏移法、滑膜频率偏移法及Sandia电压偏移法等多种方法。这类方法通过对分布式电源的输出注入一个扰动，监测系统响应的变化量来判断孤岛是否发生。主动式方法与被动式相比，盲区可以极大地减小甚至消除，但会对电网的电能质量产生影响。在此情况下，需要研究一种既无盲区又能减小对电能质量的影响的检测方法。
发明内容
发明目的：本发明提出一种主被动结合的混合型孤岛检测方法，改善被动型方法盲区大的缺点，降低检测方法对电能质量的影响。
技术方案：本发明采用的技术方案为一种主被动结合的混合型孤岛检测方法，包括以下步骤：
检测已并网DG系统的输出电压UDG和电流IDG，计算DG系统输出有功功率P；
计算公共耦合点电压的有效值U、流入负载的电流有效值Iload，以及两者之间的相位差Δθ；
计算负载吸收的有功功率P+ΔP和无功功率ΔQ，其中ΔP为电网供应的有功功率；
计算公共耦合点的电压幅度V和频率值f，将该电压幅度V和频率值f分别与规定的电压阀值和频率阀值比较，判断系统是否处于O/UVP以及O/UFP的盲区内，O/UVP的盲区判据为：
式中：Vmax为电压阀值的上限，Vmin为电压阀值的下限，
O/UFP的盲区判据为：
其中：为负载RLC的品质因数，fmin为频率阀值的下限，fmax为频率阀值的上限；
若判断处于上述两个盲区内，则采用SFS检测法进行孤岛检测，若判断至多处于上述一个盲区内，则采用O/UVP或O/UFP进行孤岛检测。
优选地，所述O/UVP的盲区判据为：
优选地，所述O/UFP的盲区判据为：
优选地，对信号进行采样，得到离散时间信号：
U(n)＝u(n·Δt),(n＝0,1,2,…,N1-1)
I(n)＝i(n·Δt),(n＝0,1,2,…,N1-1)
通过数值积分得到PCC点电压的有效值U，流入负载电流的有效值Iload：
其中N为正整数。
优选地，负载消耗的有功功率P+ΔP的计算式为：P+ΔP＝Pload＝UIloadcosΔθ；无功功率ΔQ的计算式为：ΔQ＝Qload＝UIloadsinΔθ。
优选地，当切换到SFS检测方法，即通过并网的DG系统向电网注入略有变形的电流，以正反馈的方式促使频率形成连续改变的趋势。由并网运行的时候，频率是固定不变的，孤岛运行的时候，电压频率偏移，成功检测出孤岛。
有益效果：本发明通过采集数据计算DG系统输出有功功率P，负载消耗有功功率P+ΔP和无功功率ΔQ，由被动型盲区判据选择检测方法，在盲区判据内，采用无盲区的SFS检测方法；在盲区外，采用过/欠压和过/欠频装置检测方法，能改善被动型方法盲区大的缺点，实现无盲区检测；且由于实际运行中本地负载处于被动型盲区内的可能性小，能极大地降低检测方法对电能质量的影响。
附图说明
图1为分布式发电系统并网的示意图；
图2为基于被动型盲区判别的混合型孤岛检测方法的流程图；
图3为负载混合型方法电流信号变化图；
图4为负载混合型方法频率信号变化图；
图5为负载混合型方法孤岛判断信号变化图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本实施例中分布式发电系统可以看成是一个恒流源。为了达到最大的输出功率及系统内部损失最小，分布式发电系统处于单位功率因数方式运行。当电网断开，分布式发电系统会继续给RLC供电，由于采用的是恒电流的模式，DG输出电流值是不变的。DG的输出功率为P+jQ，电网供应的功率为ΔP+jΔQ，RLC负载吸收的功率为Pload+jQload，其中Pload＝P+ΔP，Qload＝Q+ΔQ；图2为基于被动型盲区判别的混合型孤岛检测方法的流程图，如图所示，本发明的混合型孤岛检测方法包括以下步骤：
采集DG系统的输出电压和电流，获得DG系统的输出功率。在本具体实例中，DG系统为光伏系统，光伏发电系统的输出电压为UPV，输出电流为IPV，则光伏系统的输出有功功率为P＝UPV·IPV。
采集系统中的运行数据计算负载吸收的有功功率P+ΔP及无功功率ΔQ，
式中：U为系统中PCC点电压的有效值，Iload为流入负载电流的有效值，Δθ为并网点电压和负载电流的相位差。具体的实施步骤如下：设被测的并网点电压和负载电流信号为：
其中，ω＝2πf，f是信号的频率；θu、θi分别为两被测信号的初相位；
用数字化的测量系统，对信号根据采样定理进行等间隔采样，通过对获得的时间离散的信号序列进行数值积分求有效值，对上述信号在一个周期内等间隔采样N点，并设总采样点数为N1，N1＝NM，M为周期数。得到离散的时间信号序列：
U(n)＝u(n·Δt),(n＝0,1,2,…,N1-1)
I(n)＝i(n·Δt),(n＝0,1,2,…,N1-1)
则通过数值积分得到PCC点电压的有效值U，流入负载电流的有效值Iload：
而两信号之间的相位差为：Δθ＝θu-θi，对上述离散的时间信号序列进行归一化处理，得到：
计算它们的互相关函数：
经过分析可得下式：
进行转换及化简，可得到两被测信号相位差的计算公式：
由系统实际运行情况进行盲区判断，是否处于O/UVP和O/UFP的盲区内，具体的盲区判据为：过/欠电压检测(OVP/UVP)是通过检测并网点(PCC)的电压幅度并与规定的电压限值相比较。对于恒电流控制的DG的OVP/UVP的盲区判据为：
式中：Vmax为电压阀值的上限，Vmin为电压阀值的下限；由标准GB/T19939-2005可知，正常的电压范围为88％～110％，即：
可得O/UVP的盲区判据为：
过/欠频率检测(O/UFP)是通过检测并网点(PCC)的频率值并与规定的频率阀值比较，对于恒电流控制的DG的O/UFP的盲区判据为：
其中：为负载RLC的品质因数，fmin为电压阀值的下限，fmax为电压阀值的上限；我国GB/T15945-1995规定，正常的频率范围为49.5Hz-50.5Hz，即：
fmin＝49.5Hz，fmax＝50.5Hz；且Qf≤2.5，则盲区判据为：
由上述计算出的系统运行数据根据3步的盲区判据进行判断，若满足和这两式，则切换为无盲区的SFS检测方法，即通过并网的DG系统向电网注入略有变形的电流，以正反馈的方式促使频率形成连续改变的趋势。由并网运行的时候，频率是固定不变的，孤岛运行的时候，电压频率偏移，成功检测出孤岛。具体的实施步骤如下：对DG系统注入电网的电流施加扰动，即插入死区，其斩波系数为：cfk＝cf0+K(fk-fg)，式中：cfk为第k个周期的斩波系数值，cf0称为初始斩波系数，是ua与电网电压没有频率偏差时斩波系数的大小；为正反馈增益。fg为电网电压额定频率，fk为第k个周期的电压频率。选择参数K可以保证频率能够偏离OFP/UFP阀值以外，即，满足条件：
假设f＝f0，上式简化为：当满足此种条件的时候，SFS方法的盲区将为零。已知Qf≤2.5，f0约等于电网频率，可以推出K>0.0637，
若两个盲区判别式有一个或两个不满足，输出正弦波的电流，即由并网逆变器正常配备的被动式检测(O/UVP、O/UFP)进行孤岛检测。在频率超过49.5Hz-50.5Hz，电压超过正常电压的88％～110％，检测出孤岛发生。
对本具体实施实例的测试的负载为下表所示：
对于第1、2种负载参数情况，经盲区判断，在被动式检测方法的盲区外，即选择被动式检测方法。在此种情况下，不对并网点的电流加入扰动量，通过O/UVP、O/UFP检测出孤岛发生。此种情况下，孤岛检测的装置并未对并网的电流质量产生影响。
对于第3种负载情况，经判断在被动式检测方法的盲区内，即并网点的电压及频率都未超出阀值，即被动式检测方法不能成功动作，若没有跳转成主动式孤岛检测方法，即仅采用被动式的方法，则不能成功检测出孤岛的发生，而采用本发明的混合型孤岛检测方法，由于经过盲区判断，会转换成SFS孤岛检测方法，即对并网点的电流波形加入偏移，得到的仿真波形如下所示，图4为SFS方法下的电压频率信号波形图，图5为SFS方法下孤岛判断信号变化图，尽管稳定的谐振频率未超过阀值，但引入的频率偏差由于正反馈的作用会持续增大，从而使频率值超过阀值，触发孤岛判断信号的变化，在0.17s左右成功检测出孤岛的发生。仿真验证了本发明方法的有效性。
Claims (4)
1.一种主被动结合的混合型孤岛检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
检测已并网DG系统的输出电压UDG和电流IDG，计算DG系统输出有功功率P；
计算公共耦合点电压的有效值U、流入负载的电流有效值Iload，以及两者之间的相位差Δθ；
计算负载吸收的有功功率P+ΔP和无功功率ΔQ，其中ΔP为电网供应的有功功率；
计算公共耦合点的电压幅度V和频率值f，将该电压幅度V和频率值f分别与规定的电压阀值和频率阀值比较，判断系统是否处于O/UVP以及O/UFP的盲区内，O/UVP的盲区判据为：
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式中：Vmax为电压阀值的上限，Vmin为电压阀值的下限，
O/UFP的盲区判据为：
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其中：为负载RLC的品质因数，fmin为频率阀值的下限，fmax为频率阀值的上限；
若判断处于上述两个盲区内，则采用SFS检测法进行孤岛检测，若判断至多处于上述一个盲区内，则采用O/UVP或O/UFP进行孤岛检测。
2.根据权利要求1所述的主被动结合的混合型孤岛检测方法，其特征在于，所述O/UVP的盲区判据为：
3.根据权利要求1所述的主被动结合的混合型孤岛检测方法，其特征在于，所述O/UFP的盲区判据为：
4.根据权利要求1所述的主被动结合的混合型孤岛检测方法，其特征在于，当切换到SFS检测方法，即通过并网的DG系统向电网注入略有变形的电流，以正反馈的方式促使频率形成连续改变的趋势，由并网运行的时候，频率是固定不变的，孤岛运行的时候，电压频率偏移，成功检测出孤岛。
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