CN104865479A - 一种孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孤岛检测方法，包括以下步骤：采集公共耦合点的电压波形并测量频率值，通过一定周期计算平均变化率得到判断信号，将判断信号与预设变化率的阀值相比较输出控制信号，由控制信号选择输出的逆变器的参考信号，在频率变化率检测法判断为可能孤岛的情况引入相位偏移后的参考电流，实现滑膜频率偏移法的进一步检测，否则为无偏移的参考电流，系统正常运行。本发明提出的孤岛检测方法，具有减小检测盲区，减小对系统电能质量的影响且提高检测速度的优点。

Description

一种孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及分布式发电孤岛检测技术领域，具体涉及一种孤岛检测方法。

背景技术

当今分布式能源发展一定程度上依赖于分布式发电系统的运行条件和保护系统。分布式发电并网产生了许多问题，其中一个被广泛研究的就是孤岛现象。孤岛是电网断开后，负载由分布式发电系统自给供电的状态。非计划孤岛会供电和配电设备以及用户造成严重的损害，而且会成为电网维修人员的安全威胁。因此，在分布式发电系统的保护设备中，孤岛检测的功能是必不可少的。目前国内外研究提出的多种检测方法可以被归为三大类：基于远程通信的检测方法，被动型检测方法以及主动型检测方法。

基于远程通讯的检测方法利用电力载波通信技术在电网侧检测，检测的可靠性高但设备投资大；被动型方法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实现，主要包括过/欠电压保护(O/UVP)，过/欠频率保护(O/UFP)，电压相位跳变检测法(PJD)，频率变化率检测法(ROCOF)等，此种方法不会对电网产生影响，但是盲区大的缺点不容忽视，当分布式电源的输出功率与负载的功率相匹配时，PCC点的电压和频率变化较小，上述方法检测失败。主动型方法是通过对分布式电源的输出端注入扰动，监测相关量的变化来判断孤岛；因此在功率匹配度较高时，此种方法也能成功检测，即盲区较小。主动型方法主要包括滑模频率偏移法(SMS)，主动频率偏移法(AFD)，Sandia频率偏移法(SFS)等；但是与被动型方法相比，会降低电能质量且增加检测时间。结合主被动两种方法形成混合型的检测方法，不仅能够兼具主被动的方法优点，还能克服各自的缺点，但是目前有效的混合型的检测方法研究还不够深入。因此，需要一种有效使用的混合型孤岛检测方法，能够准确快速地检测孤岛，且减小对电能质量的影响。

发明内容

为了实现无盲区且电能质量影响小的孤岛检测，本发明提出了一种孤岛检测方法，既能避免频率变化率检测法存在的误检测及盲区大的缺点，也能消除滑模频率偏移法对电网电能质量带来的影响。

本发明的技术方案为：

一种孤岛检测方法，包括如下步骤：

步骤一：采集分布式发电系统公共耦合点电压波形V_pcc，测量电压波形频率f；

步骤二：计算平均电压频率变化率Af；

步骤三：比较平均电压频率变化率Af与频率变化率阈值α，输出控制逆变器输出电流的控制信号Col；

步骤四：判断分布式发电系统运行是否存在孤岛状态：若Col＝0，频率变化检测器判断为非孤岛状态，则输出与电网电压同频同相的d轴参考电流值I_dref和q轴参考电流值I_qref，并转至步骤一继续检测；若Col＝1，则频率变化检测器判断为可能孤岛状态，输出移相后的d轴参考电流值和q轴参考电流值利用滑膜频率偏移法进一步判断是否存在孤岛状态。

进一步，所述步骤二具体为：通过测量n个周期的PCC点的电压频率值f，计算平均频率变化率 $Af=\left|\frac{1}{i}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(\frac{df}{dt}\right)}_i\right|,i=1,2...n.$

进一步，所述步骤三比较平均电压频率变化率Af与频率变化率阈值α：

若Af＜α，则Col＝0；

若Af≥α，则比较电压幅值V_t与预设电压最小值V_min：若V_t≤V_min，则Col＝0；若V_t＞V_min，则Col＝1。

进一步，所述预设电压最小值优选为0.85p.u.。

进一步，所述步骤四中，利用滑膜频率偏移法判断是否存在孤岛状态：通过对逆变器的输出电流引入相位偏移角θ_SMS，使得电网断开后逆变器输出电压的频率f增大，再引起θ_SMS增加，这个正反馈的过程会使电压频率偏移不断增加，直至逆变器输出电压频率值f超过电压频率阀值β，判断为孤岛状态，其中，相位偏移角为θ_m为逆变器电流允许的最大相移；f_m为逆变器电流产生最大相移时对应的频率；f_g为电网频率；f为公共点电压频率。

进一步，所述电压频率阈值为β_min＝49.5Hz，β_max＝50.5Hz。

采用了上述方案，可以实现以下优点和有益效果：

(1)该方法实现方便，参数设计简单，能够准确有效地检测出孤岛，满足孤岛检测的标准要求。

(2)该方法结合了主被动两种方法，以被动型方法频率变化率检测法为第一层检测，主动型滑模频率偏移法为第二层主检测，既能减小检测盲区，又能减小对系统电能质量的影响同时还提高了检测速度。

(3)该方法能够在多机运行，电网负载切换及不同负载参数等条件下实现准确检测，具有较广泛的适用性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为分布式电源并入电网的示意图。

图2为本发明所述检测方法的流程图。

图3为包含本发明所述方法的逆变器控制器结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为分布式电源接入电网的系统示意图，该系统的分布式电源通过逆变器并入电网，并联的RLC代表接入的负载并接入公共耦合点PCC，L_f代表逆变器的等值电感，孤岛检测功能包含在逆变器控制器中。本实例中分布式电源DG为恒功率源，使用d-q参考系来控制变量。

图2为本发明所述检测方法的流程图。本实施例中，采集系统公共耦合点PCC的电压波形V_pcc，测量其波形的频率值f；通过测量5个周期的PCC点的电压频率值f，计算平均频率变化率在将此信号输出到判断环节时，可采用低通滤波器消除由电力系统器件引起的瞬时高频，保证判断信号的准确性。

将平均电压频率变化率Af与阀值α相比较，若Af＜α，则控制信号Col＝0，频率变化率检测器判断为非孤岛状态，则输出与电网电压同频同相的d轴参考电流值I_dref和q轴参考电流值I_qref，系统正常运行，跳转到步骤一继续检测；若Af≥α，为了排除电网发电机启动等带来的误启动，增加将电压幅值V_t与预设电压最小值V_min进行比较的环节，若V_t≤V_min，则输出控制信号Col＝0，跳转到步骤一继续检测，若V_t＞V_min，则输出控制信号Col＝1。电压最小值，即电压标幺值的最小值为0.85p.u.

若Col＝0，频率变化率检测器判断为非孤岛状态，则输出与电网电压同频同相的d轴参考电流值I_dref和q轴参考电流值I_qref，系统正常运行；

若Col＝1，频率变化率检测器判断为可能孤岛状态，输出移相后的d轴参考电流值和q轴参考电流值利用滑膜频率偏移法进一步判断是否为孤岛状态。滑膜频率偏移法在检测环节中起主导作用，所以阀值α要设定的尽量小。由于当前分布式电源的规模较小，系统的正常最大频率调节变化不超过1Hz/s，因此，将α设为1.2Hz/s，预设电压最小值V_min＝0.85pV。

滑膜频率偏移法方法是控制逆变器的输出电流，使其与电压存在一定的相位差，在并网时由于电网频率的钳制，电压的相位不会发生变化；孤岛发生后，电压电流存在的相位差会加速电压的频率偏移不断增加，直至公共耦合点电压频率值f超过阀值β，从而检测孤岛状态。每个周期电流的起始相位由本周期内电网电压的正向过零点确定，输出电流的起始相位为：其中θ_m为逆变器电流允许的最大相移；f_m为逆变器电流产生最大相移时对应的频率；f_g为电网频率；f为公共耦合点电压频率。

通过引入相位偏移角θ_SMS，使得电网断开后逆变器输出电压的频率f增大，再引起θ_SMS增加，这个正反馈的过程会使电压频率偏移值不断增加，直至电压频率值f超过阀值49.5Hz(或50.5Hz)，判断为孤岛状态。

孤岛检测功能通过检测出频率值超过逆变器的过/欠频的保护范围，使并网逆变器保护动作，断开并网逆变器接触器，并停止向外输出电能。本发明所述的孤岛检测方法包括对逆变器输出电流添加扰动，因此实施在产生脉宽调制信号的逆变器控制器部分，通过脉宽调制信号控制电子器件的开断，控制逆变器的输出电流。图3为包含本发明的孤岛检测方法的逆变器控制器结构框图，将逆变器输出的三相电压和电流分别通过abc-dq0转换器，变为dq0坐标系下的d轴参考电流值I_d和I_q以及q轴参考电压值V_d和V_q，则瞬时有功为瞬时无功分别为将有功参考值P_ref和无功的参考值Q_ref与实际运行的瞬时有功无功值P、Q相减，再通过功率调整器得到d轴参考电流值I_dref和q轴参考电流值I_qref。

经过滑膜频率偏移法移相的d轴参考电流值和q轴参考电流值为： $\left[\begin{array}{c}{I}_{dref}^{*}\\ I_{qref}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{cos\θ}}_f& -{\mathrm{sin\θ}}_f\\ {\mathrm{sin\θ}}_f& {\mathrm{cos\θ}}_f\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{dref}\\ I_{qref}\end{array}\right],$ 其中：θ_f＝θ_SMS，为相位偏移的角度。若Col＝0，频率变化率检测器判断为非孤岛状态，选择器输出与电网电压同频同相的参考电流值I_dref和I_qref；若Col＝1，频率变化率检测器判断为可能孤岛状态，选择器输出移相后的参考电流值和将选择器输出的参考电流值通过电流调整器得到电压参考值V_dref、V_qref，通过以下等式转化为逆变器d轴电压值V_sd、q轴电压值V_sq： $\{\begin{array}{c}{V}_{sd}=V_{dref}+V_d-L_f{\mathrm{\ωI}}_q\\ V_{sq}=V_{qref}+V_q+L_f{\mathrm{\ωI}}_d\end{array},$ 式中V_d和V_q为dq0坐标下的PCC点电压值，I_d和I_q为dq0坐标下的PCC点电流值，L_f为逆变器的等值电感，ω为同步电角速度，V_dref为d轴电压参考值，V_qref为q轴电压参考值。

利用电压参考值V_sd和V_sq产生脉宽调制信号控制逆变器的开断，其中调制参数幅度m和相角为：即可实现对逆变器输出电流控制，并使分布式发电系统逆变并网。

基于我国的电网参数和并网标准，在实施滑模频率偏移法时，可采用式中：Δf＝f-f_g，其中：f_g为电网频率；f为公共耦合点电压频率。采用此式时，滑膜频率偏移法对于负载品质因数为Q_f≤2.5没有检测盲区，符合我国试验标准。

综上，本发明提出了一种新的、鲁棒性强的混合型孤岛检测方法，采用滑模频率偏移法作为主动型的方法，频率变化率检测法为被动型法，混合这两种组合决策进行孤岛检测。本方法仅在运行状态被频率变化率检测器判断为可能使孤岛时进一步采用滑模频率偏移法进行孤岛检测，否则输出无移相的电流到逆变器是系统正常运行。本发明能够避免频率变化率检测法存在的误检测及盲区大的缺点，也能消除滑模频率偏移法对电网电能质量带来的影响。该混合型检测方法采用被动型方法ROCOF为实时检测，主动型方法SMS为检测主体实现孤岛检测功能，该方法具有以下特点：

(1)所述方法实现方便，参数设计简单，能够准确有效地检测出孤岛，满足孤岛检测的标准要求。

(2)该方法结合了主被动两种方法，以被动型方法ROCOF为第一层检测，SMS为第二层主检测，能够兼具两者的优势，克服各自的缺点，减小检测盲区，减小对系统电能质量的影响且提高检测速度。

(3)所述方法能够在多机运行，电网负载切换及不同负载参数等条件下实现准确检测，具有较广泛的适用性。

此处已根据特定的示例性的实例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种孤岛检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：采集分布式发电系统公共耦合点电压波形V_pcc，测量电压波形频率f；

步骤二：计算平均电压频率变化率Af；

步骤三：比较平均电压频率变化率Af与频率变化率阈值α，输出控制逆变器输出电流的控制信号Col；

步骤四：判断分布式发电系统运行是否存在孤岛状态：若Col＝0，频率变化检测器判断为非孤岛状态，则输出与电网电压同频同相的d轴参考电流值I_dref和q轴参考电流值I_qref，并转至步骤一继续检测；若Col＝1，则频率变化检测器判断为可能孤岛状态，输出移相后的d轴参考电流值和q轴参考电流值利用滑膜频率偏移法进一步判断是否存在孤岛状态。

2.如权利要求1所述的一种孤岛检测方法，其特征在于，所述步骤二具体为：通过测量n个周期的PCC点的电压频率值f，计算平均频率变化率

3.如权利要求1所述的一种孤岛检测方法，其特征在于，所述步骤三比较平均电压频率变化率Af与频率变化率阈值α：

若Af＜α，则Col＝0；

若Af≥α，则比较电压幅值V_t与预设电压最小值V_min：若V_t≤V_min，则Col＝0；若V_t＞V_min，则Col＝1。

4.如权利要求3所述的一种孤岛检测方法，其特征在于，所述预设电压最小值为0.85p.u.。

5.如权利要求1-4任意一项所述的一种孤岛检测方法，其特征在于，所述步骤四中，利用滑膜频率偏移法判断是否存在孤岛状态：通过对逆变器的输出电流引入相位偏移角θ_SMS，使得电网断开后公共耦合点电压频率f增大，再引起θ_SMS增加，这个正反馈的过程会使电压频率偏移不断增加，直至逆变器输出电压频率值f超过阀值β，判断为孤岛状态，其中，相位偏移角为θ_m为逆变器电流允许的最大相移；f_m为逆变器电流产生最大相移时对应的频率，f_g为电网频率，f为公共耦合点电压频率。

6.如权利要求5所述的一种孤岛检测方法，其特征在于，所述电压频率阈值为β_min＝49.5Hz，β_max＝50.5Hz。