CN104682356B - 用于分布式光伏电源的自适应可变负载反孤岛方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于分布式光伏电源的自适应可变负载反孤岛方法，采用自适应型反孤岛装置；该方法包括：初始化；计算阻抗角并自适应地调整阻抗角使其脱离孤岛检测盲区；检测孤岛，并切除孤岛。本发明在采集分布式光伏电源各项参数的基础上，能敏锐地判断出分布式光伏电源是否形成孤岛，并在确认形成孤岛后快速引起逆变器动作，精准地切除孤岛；整个方法盲区小、精准度高、实用性强、简便易行。

Description

用于分布式光伏电源的自适应可变负载反孤岛方法

技术领域

本发明涉及一种用于分布式光伏电源的自适应可变负载反孤岛方法，属于电力系统分布式发电二次保护技术领域。

背景技术

据申请人所知，在分布式发电系统并网时，反孤岛保护是必备功能。当配电网供电因故障事故或停电维修的原因跳闸时，若各用户端的分布式光伏电源并网发电系统(如：光伏发电、风力发电、燃料电池发电等)未能及时检测出停电状态则无法将自身及时切离市电网络，最终形成由该分布式光伏电源并网发电系统及其周围负载组成的自给供电的孤岛。

分布式光伏电源并网发电系统接入配电网后发生孤岛效应会对电力检修人员现场安全作业产生不利影响，对此则需要及时检测出孤岛、切除孤岛。一般情况下，形成孤岛的分布式光伏电源其出力(即逆变器输出功率)与负载功率是不匹配的：若其出力与负载有功功率不匹配，则负载端电压发生变化；若其出力与负载无功功率不匹配，则频率发生变化。以此为判据，即可检测出孤岛故障。但特殊情况下也会出现逆变器输出功率和负载功率平衡运行的现象，为解决这一问题，现有技术通常采用低压反孤岛装置，以破坏分布式光伏发电孤岛运行条件的方式实现反孤岛功能。

然而，现有低压反孤岛装置还存在一些不利之处：(1)当投入容性负载或者感性负载的值比较小时，电压相位可能产生很小变化，过小的变化值会使逆变器监测装置很难监测到该变化，即使监测到该变化，也可能因为未超过逆变器电压相位变化阈值而不动作，也即存在被动式检测盲区。(2)现有低压反孤岛装置未实现与主网的通讯连接，缺乏主动性；若采取定时自动接入阻性负载，虽然接入阻性负载改变了负载特性，但是在正常工作时无影响，只有当形成孤岛后再次投入阻性负载时破坏有功平衡，使得逆变器停止工作；然而，频繁投切开关会引发操作过电压隐患，同时开关频繁操作也会带来时间延迟、开关老化等问题。亟需研发精准度高的反孤岛方法。

经检索发现，申请号201110097401.X申请公布号CN102255330A名称为《一种检测微电网系统发生孤岛的装置和方法》的中国发明专利申请，通过并离网控制器检测微电网的电压、电流和开关状态量信息，来判断是否发生孤岛。然而，该技术方案并不能克服现有低压反孤岛装置的被动式检测盲区问题。申请号201310174023.X申请公布号CN103259287A名称为《一种分布式新能源发电系统的双向并网逆变装置及方法》首先进行快速的判断，如果处于孤岛状态，则迅速将系统从电网中切除，然后调用主动检测对被动检测的结果进行检测。然而，该技术方案复杂程度较高，需要结合多种算法进行检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种用于分布式光伏电源的自适应可变负载反孤岛方法，简便易行，能敏锐判断出孤岛故障，并精准地切除孤岛。

本发明解决其技术问题的技术方案如下：

一种用于分布式光伏电源的自适应可变负载反孤岛方法，其特征是，

采用的自适应型反孤岛装置包括控制器、总开关、串接的阻性负载和阻性负载开关、串接的感性负载和感性负载开关、串接的容性负载和容性负载开关；所述总开关的一端为整个装置的输入端，所述总开关的另一端分别与阻性负载开关远离阻性负载的一端、感性负载开关远离感性负载的一端、容性负载开关远离容性负载的一端连接，所述阻性负载远离阻性负载开关的一端、感性负载远离感性负载开关的一端、容性负载远离容性负载开关的一端分别接地；所述总开关、阻性负载开关、感性负载开关、容性负载开关的受控端与控制器的控制端连接；所述控制器与主电网调度站、相应分布式光伏电源的逆变器分别通信连接；所述控制器还与采集相应分布式光伏电源各项参数的采集器通信连接；

所述反孤岛方法包括以下步骤：

初始化步、所述控制器控制总开关、阻性负载开关、感性负载开关、容性负载开关均断开；转至第一步；

第一步、所述控制器获取采集器采集的相应分布式光伏电源逆变器输出端电压参数和电流参数、以及该分布式光伏电源的负载参数，并据此计算阻抗角所述控制器判断阻抗角是否处于孤岛检测盲区内，若是则控制器通过控制总开关闭合、并控制感性负载开关和/或容性负载开关闭合来投入感性负载和/或容性负载，使阻抗角变化并脱离孤岛检测盲区，转至第二步；若否则直接转至第二步；

第二步、所述控制器根据获取的电压参数和电流参数计算电压相位突变，并判断该相位突变是否超过阈值，若是则转至处理步，若否则转至第三步；

第三步、所述控制器判断与主电网调度站的通讯是否正常，若正常则转至S1，若不正常则转至第四步；

S1.所述控制器通过与主电网调度站的通讯来判断相应分布式光伏电源的上级电网是否停电检修，若是则转至S2，若否则转至第四步；

S2.所述控制器接收并判断主电网调度站发来的指令，若指令为由逆变器动作切除孤岛则转至处理步，若指令为投入阻性负载则转至S3；

S3.所述控制器控制总开关闭合、并控制阻性负载开关闭合来投入阻性负载，使相应分布式光伏电源逆变器的输出端电压下降，致使该逆变器进行欠压保护动作、停止其输出端的电力输出，切除孤岛；转至最终步；

第四步、所述控制器在预设时机控制总开关闭合、并控制阻性负载开关闭合来投入阻性负载，若相应分布式光伏电源未形成孤岛，则该电源不受影响；若该电源已形成孤岛，则其逆变器的输出端电压下降，致使该逆变器进行欠压保护动作、停止其输出端的电力输出，切除孤岛；转至最终步；

处理步、所述控制器向相应分布式光伏电源的逆变器发出动作指令，该逆变器根据动作指令停止其输出端的电力输出，切除孤岛；转至最终步；

最终步、判断是否继续，若是则转至第一步，若否则方法结束。

本发明进一步完善的技术方案如下：

优选地，第一步中，所述孤岛检测盲区为若阻抗角为正且小于或等于时，所述控制器通过投入感性负载、或者感性负载和容性负载使变化后阻抗角大于若阻抗角为负且大于或等于时，所述控制器通过投入容性负载、或者感性负载和容性负载使变化后阻抗角小于

更优选地，第一步中，投入感性负载和/或容性负载时，根据变化后阻抗角与孤岛检测盲区的关系并结合下式确定投入感性负载和/或容性负载的大小：其中，R、L、C为相应分布式光伏电源固有负载的电阻、电感、电容；ω为角频率；L_S为投入的感性负载电感值大小，C_S为投入的容性负载电容值大小。

优选地，第二步中，所述电压相位突变包括基波电压相位突变和多次谐波相位突变。更优选地，所述多次谐波相位突变为3、5、7、9、11次谐波相位突变之一。

优选地，第四步中，所述预设时机与自适应型反孤岛装置的预设工作模式相关：若预设工作模式为人工指令模式，则预设时机为控制器接到人工指令时；若预设工作模式为定时自动模式，则预设时机为控制器在预设时间时。

优选地，第三步的S3以及第四步中，投入阻性负载时，按下式计算投入阻性负载的大小：Z为相应分布式光伏电源固有负载的总阻抗，R_S为投入的阻性负载电阻值大小。

本发明在采集分布式光伏电源各项参数的基础上，能敏锐地判断出分布式光伏电源是否形成孤岛，并在确认形成孤岛后快速引起逆变器动作，精准地切除孤岛；整个方法盲区小、精准度高、实用性强、简便易行。

附图说明

图1为本发明实施例1的主体流程示意图。

图2为图1实施例的自适应型反孤岛装置示意图。

图3为图1实施例在实施时接入自适应型反孤岛装置的示意图。

图4为图1实施例在实施时接入感性负载、容性负载的等效模型图。

图5为图1实施例在实施时接入阻性负载的等效模型图。

图3至图5中，A为分布式光伏电源，B为配电网。PCC为公共耦合点；R、L、C为分布式光伏电源固有负载(R为电阻，L为电感，C为电容)。Iinv为分布式光伏电源逆变器的输出电流；Iload为负载电流；Is为自适应型反孤岛装置投入后的负载电流。Ploads、Qloads分别为配电网正常时负载有功功率和无功功率；Pgrid、Qgrid分别为配电网消纳的分布式光伏电源发电有功功率和无功功率。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

实施例

本实施例采用的自适应型反孤岛装置如图2所示，包括控制器、总开关K1、串接的阻性负载R_S和阻性负载开关K2、串接的感性负载L_S和感性负载开关K3、串接的容性负载C_S和容性负载开关K4；总开关K1的一端为整个装置的输入端，总开关K1的另一端分别与阻性负载开关K2远离阻性负载R_S的一端、感性负载开关K3远离感性负载L_S的一端、容性负载开关K4远离容性负载C_S的一端连接，阻性负载R_S远离阻性负载开关K2的一端、感性负载L_S远离感性负载开关K3的一端、容性负载C_S远离容性负载开关K4的一端分别接地；总开关K1、阻性负载开关K2、感性负载开关K3、容性负载开关K4的受控端与控制器的控制端连接；控制器与主电网调度站、相应分布式光伏电源的逆变器分别通信连接(图中未示)；控制器还与采集相应分布式光伏电源各项参数的采集器通信连接(图中未示)。该自适应型反孤岛装置与外部线路的连接如图3所示。

如图1所示，本实施例用于分布式光伏电源的自适应可变负载反孤岛方法包括：

初始化步、控制器控制总开关K1、阻性负载开关K2、感性负载开关K3、容性负载开关K4均断开；转至第一步；

第一步、控制器获取采集器采集的相应分布式光伏电源逆变器输出端电压参数和电流参数、以及该分布式光伏电源的负载参数，并据此计算阻抗角控制器判断阻抗角是否处于孤岛检测盲区内，若是则控制器通过控制总开关K1闭合、并控制感性负载开关K3和/或容性负载开关K4闭合来投入感性负载和/或容性负载，使阻抗角变化并脱离孤岛检测盲区，转至第二步；若否则直接转至第二步；

第二步、控制器根据获取的电压参数和电流参数计算电压相位突变，并判断该相位突变是否超过阈值，若是则转至处理步，若否则转至第三步；

第三步、控制器判断与主电网调度站的通讯是否正常，若正常则转至S1，若不正常则转至第四步；

S1.控制器通过与主电网调度站的通讯来判断相应分布式光伏电源的上级电网是否停电检修，若是则转至S2，若否则转至第四步；

S2.控制器接收并判断主电网调度站发来的指令，若指令为由逆变器动作切除孤岛则转至处理步，若指令为投入阻性负载则转至S3；

S3.控制器控制总开关K1闭合、并控制阻性负载开关K2闭合来投入阻性负载，使相应分布式光伏电源逆变器的输出端电压下降，致使该逆变器进行欠压保护动作、停止其输出端的电力输出，切除孤岛；转至最终步；

第四步、控制器在预设时机控制总开关K1闭合、并控制阻性负载开关K2闭合来投入阻性负载，若相应分布式光伏电源未形成孤岛，则该电源不受影响；若该电源已形成孤岛，则其逆变器的输出端电压下降，致使该逆变器进行欠压保护动作、停止其输出端的电力输出，切除孤岛；转至最终步；

处理步、控制器向相应分布式光伏电源的逆变器发出动作指令，该逆变器根据动作指令停止其输出端的电力输出，切除孤岛；转至最终步；

最终步、判断是否继续，若是则转至第一步，若否则方法结束。

其中，

第一步中，孤岛检测盲区为若阻抗角为正且小于或等于时，控制器通过投入感性负载、或者感性负载和容性负载使变化后阻抗角大于若阻抗角为负且大于或等于时，控制器通过投入容性负载、或者感性负载和容性负载使变化后阻抗角小于

投入感性负载和/或容性负载时，根据变化后阻抗角与孤岛检测盲区的关系并结合下式确定投入感性负载和/或容性负载的大小：其中，R、L、C为相应分布式光伏电源固有负载的电阻、电感、电容；ω为角频率；L_S为投入的感性负载电感值大小，C_S为投入的容性负载电容值大小。

第二步中，电压相位突变包括基波电压相位突变和多次谐波相位突变。多次谐波相位突变优选为3、5、7、9、11次谐波相位突变之一。

第四步中，预设时机与自适应型反孤岛装置的预设工作模式相关：若预设工作模式为人工指令模式，则预设时机为控制器接到人工指令时；若预设工作模式为定时自动模式，则预设时机为控制器在预设时间时。

第三步的S3以及第四步中，投入阻性负载时，按下式计算投入阻性负载的大小：Z为相应分布式光伏电源固有负载的总阻抗，R_S为投入的阻性负载电阻值大小。

本实施例中需要说明的原理如下：

(一)投入感性负载、容性负载

第一步中，自适应型反孤岛装置投入感性负载、容性负载后的等效模型图如图4所示。

根据图4，在反孤岛装置未投入时，当分布式光伏电源处于孤岛运行时，分布式光伏电源逆变器的输出功率与负载匹配，RLC负载总阻抗以Z表示，假设此时的电压为U，则有：

U＝I_invZ (1)

其中，即为阻抗角。

在反孤岛装置投入感性负载、容性负载后：

U_S＝I_SZ_Σ (5)

则阻抗角变化为：

U_S为投入反孤岛装置后分布式光伏电源的输出电压，I_S为投入反孤岛装置后分布式光伏电源的输出电流，Z_Σ为投入反孤岛装置后分布式光伏电源负载的总阻抗，为投入反孤岛装置后的阻抗角。

由于投入反孤岛装置的感性负载、容性负载，所以分布式光伏电源的总阻抗发生变化，阻抗角也随之变化，其中：

C_Σ＝C+C_S (10)

投入合适的L_S、C_S，阻抗角即可显著变化，从而跳出孤岛检测盲区 具体而言，式(8)、(10)、(11)结合后可得：

结合此式，根据阻抗角与孤岛检测盲区之间的关系，即可确定投入感性负载和/或容性负载的大小。

(二)投入阻性负载

第三步的S3以及第四步中，自适应型反孤岛装置投入阻性负载后的等效模型图如图5所示。

当分布式光伏电源处于孤岛运行时，分布式光伏电源逆变器的输出功率与负载匹配，RLC负载总阻抗以Z表示，假设此时的电压为U₀，则有：

投入阻性负载R_S后，假设逆变器输出的电压为U，因Iinv在阻性负载R_S前后瞬间不变，则有：

投入阻性负载R_S后，将引起系统电压降落，电压降落了倍，选择合适的扰动负载值，即可使分布式光伏电源逆变器欠压保护。

根据逆变器电压保护动作的要求，投入阻性负载R_S后的跌落电压U至少应满足U＜85％Un，其中Un为接入配电网系统的标称电压。由于U₀应达到Un，因此可视为U＜85％U₀，结合式(14)，则有根据此式即可确定投入阻性负载R_S的大小。

为验证本实施例方法的效果，采用不同方法对孤岛故障进行判断，结果如下表所示。

由该结果可知，本实施例方法可以更加精准地判断出孤岛故障，并切除孤岛。

Claims (7)

1.一种用于分布式光伏电源的自适应可变负载反孤岛方法，其特征是，

采用的自适应型反孤岛装置包括控制器、总开关、串接的阻性负载和阻性负载开关、串接的感性负载和感性负载开关、串接的容性负载和容性负载开关；所述总开关的一端为整个装置的输入端，所述总开关的另一端分别与阻性负载开关远离阻性负载的一端、感性负载开关远离感性负载的一端、容性负载开关远离容性负载的一端连接，所述阻性负载远离阻性负载开关的一端、感性负载远离感性负载开关的一端、容性负载远离容性负载开关的一端分别接地；所述总开关、阻性负载开关、感性负载开关、容性负载开关的受控端与控制器的控制端连接；所述控制器与主电网调度站、相应分布式光伏电源的逆变器分别通信连接；所述控制器还与采集相应分布式光伏电源各项参数的采集器通信连接；

所述反孤岛方法包括以下步骤：

初始化步、所述控制器控制总开关、阻性负载开关、感性负载开关、容性负载开关均断开；转至第一步；

第一步、所述控制器获取采集器采集的相应分布式光伏电源逆变器输出端电压参数和电流参数、以及该分布式光伏电源的负载参数，并据此计算阻抗角所述控制器判断阻抗角是否处于孤岛检测盲区内，若是则控制器通过控制总开关闭合、并控制感性负载开关和/或容性负载开关闭合来投入感性负载和/或容性负载，使阻抗角变化并脱离孤岛检测盲区，转至第二步；若否则直接转至第二步；

第二步、所述控制器根据获取的电压参数和电流参数计算电压相位突变，并判断该相位突变是否超过阈值，若是则转至处理步，若否则转至第三步；

第三步、所述控制器判断与主电网调度站的通讯是否正常，若正常则转至S1，若不正常则转至第四步；

S1.所述控制器通过与主电网调度站的通讯来判断相应分布式光伏电源的上级电网是否停电检修，若是则转至S2，若否则转至第四步；

S2.所述控制器接收并判断主电网调度站发来的指令，若指令为由逆变器动作切除孤岛则转至处理步，若指令为投入阻性负载则转至S3；

S3.所述控制器控制总开关闭合、并控制阻性负载开关闭合来投入阻性负载，使相应分布式光伏电源逆变器的输出端电压下降，致使该逆变器进行欠压保护动作、停止其输出端的电力输出，切除孤岛；转至最终步；

第四步、所述控制器在预设时机控制总开关闭合、并控制阻性负载开关闭合来投入阻性负载，若相应分布式光伏电源未形成孤岛，则该电源不受影响；若该电源已形成孤岛，则其逆变器的输出端电压下降，致使该逆变器进行欠压保护动作、停止其输出端的电力输出，切除孤岛；转至最终步；

处理步、所述控制器向相应分布式光伏电源的逆变器发出动作指令，该逆变器根据动作指令停止其输出端的电力输出，切除孤岛；转至最终步；

最终步、判断是否继续，若是则转至第一步，若否则方法结束。

2.根据权利要求1所述用于分布式光伏电源的自适应可变负载反孤岛方法，其特征是，第一步中，所述孤岛检测盲区为若阻抗角为正且小于或等于时，所述控制器通过投入感性负载、或者感性负载和容性负载使变化后阻抗角大于若阻抗角为负且大于或等于时，所述控制器通过投入容性负载、或者感性负载和容性负载使变化后阻抗角小于

3.根据权利要求2所述用于分布式光伏电源的自适应可变负载反孤岛方法，其特征是，第一步中，投入感性负载和/或容性负载时，根据变化后阻抗角与孤岛检测盲区的关系并结合下式确定投入感性负载和/或容性负载的大小：其中，R、L、C为相应分布式光伏电源固有负载的电阻、电感、电容；ω为角频率；L_S为投入的感性负载电感值大小，C_S为投入的容性负载电容值大小。

4.根据权利要求1所述用于分布式光伏电源的自适应可变负载反孤岛方法，其特征是，第二步中，所述电压相位突变包括基波电压相位突变和多次谐波相位突变。

5.根据权利要求4所述用于分布式光伏电源的自适应可变负载反孤岛方法，其特征是，所述多次谐波相位突变为3、5、7、9、11次谐波相位突变之一。

6.根据权利要求1所述用于分布式光伏电源的自适应可变负载反孤岛方法，其特征是，第四步中，所述预设时机与自适应型反孤岛装置的预设工作模式相关：若预设工作模式为人工指令模式，则预设时机为控制器接到人工指令时；若预设工作模式为定时自动模式，则预设时机为控制器在预设时间时。

7.根据权利要求1所述用于分布式光伏电源的自适应可变负载反孤岛方法，其特征是，第三步的S3以及第四步中，投入阻性负载时，按下式计算投入阻性负载的大小：Z为相应分布式光伏电源固有负载的总阻抗，R_S为投入的阻性负载电阻值大小。