CN104967143A - 一种基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于分布式电源系统防孤岛保护技术领域的一种基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法。在以双馈风机为电源的分布式并网系统中，通过独立的孤岛检测装置根据本地电气量信息检测双馈风机并网点电压的频率，一旦发现并网点电压频率变为一个固定不变的非工频值时就可以判断发生了孤岛，进行孤岛保护，保证孤岛能在2s内顺利切除；通过增加并网点电流突变量辅助判据启动转子侧控制策略的切换，将双闭环控制中的转差角速度ω_s设为固定值，改变励磁电流频率，有效消除了双馈风机在同步速运行时的检测盲区，不会受到负荷波动或短路故障的影响，鲁棒性好，可以实现快速有效的孤岛检测功能，具有工程实际意义。

Description

一种基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法

技术领域

本发明属于分布式电源系统防孤岛保护技术领域，特别涉及一种基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法。

背景技术

随着新能源的快速发展，分布式电源在电网中所占的比例越来越高，分布式发电有着巨大的发展前景。但是，分布式发电系统并网运行时处于孤岛状态会对设备造成损坏，影响电力系统的安全稳定运行，严重时甚至可能威胁到线路检修人员的人身安全，因此，研究适用于分布式系统的孤岛检测技术具有重要意义。

以双馈风机作为电源的分布式系统并网结构如图2所示，正常运行时，开关1，开关2和开关3均闭合，双馈风机定子直接挂接电网，转子经过交-直-交变流器与电网相连。当开关1断开时，失去了与电网的联系，双馈风机与本地负荷形成了孤岛运行，虚线框中所示为开关1断开时形成的孤岛系统。常规的基于逆变器端的孤岛检测法适用于通过逆变器与电网直接相接的分布式电源，孤岛保护装置均配置在逆变器中，一般是通过检测逆变器输出端电压的幅值和频率来判断是否发生了孤岛效应，一旦检测到电网电压、频率超过正常的范围时，即判断为孤岛发生，保护电路就将并网逆变器切离电网，也就同时切除了分布式电源。与逆变器型分布式电源直接通过逆变器与电网相连不同，双馈风机转子与定子均接电网，转子是经变流器与电网相连，而定子直接与电网相连，且变流器的主要作用是调节转子励磁电流的，若也在双馈风机的变流器中配置孤岛保护，当检测到逆变器输出电压的幅值、频率超过正常的范围时，保护电 路能将并网变流器切离电网却不能真正将双馈风机切除，双馈风机定子仍与电网相连，孤岛系统依然存在，安全问题得不到解决。

常规的逆变器式孤岛检测方法并不适用于以双馈风机作为电源的分布式系统；由于目前双馈风机为一种主流分布式电源，应用十分广泛，所以亟需探究能够适用于以双馈风机做为电源的分布式并网系统的孤岛检测方法；因此，本发明提出一种基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在以双馈风机为电源的分布式并网系统中，检测双馈风机并网点电压的频率f_pcc；

2)判断检测到的双馈风机并网点电压的频率f_pcc是否为工频f，若双馈风机并网点电压的频率f_pcc为工频f或者近似工频f时，进行步骤3)；否则，进行步骤4)；

3)检测并网点电流突变量ΔI与阈值kI_n满足ΔI≥kI_n，I_n为额定负荷电流，k＝0.05～0.1时，通过软开关启动转子侧控制策略的切换，将双闭环控制中的转差角速度ω_s设为固定值，改变励磁电流频率f_s，进行步骤4)；若ΔI<kI_n，返回步骤1)；

4)延时0.5s后，重新检测双馈风机并网点电压的频率f_pcc，持续检测1s，判断检测到的双馈风机并网点电压的频率f_pcc是否为一个固定不变的非工频值，如果是，进行步骤5)；否则，对于同步速运行的情况，需先恢复转子侧控制策略再返回步骤1)；对于非同步速运行的情况，则直接返回步骤1)；

5)孤岛保护动作，保证孤岛能在2s内顺利切除。 

所述双馈风机并网点电压的频率f_pcc的检测装置为单独配置，不再集成于逆变器中，根据本地电气量信息进行孤岛检测。

本发明的有益效果是针对常规的逆变器式孤岛检测方法不适用于以双馈风机作为电源的分布式系统的现状，提出了一种基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法，通过独立的孤岛检测装置检测并网点电压的频率，一旦发现并网点电压频率变为一个固定不变的非工频值时就可以判断发生了孤岛，且通过增加并网点电流突变量辅助判据启动转子侧控制策略的切换，改变励磁电流频率，有效消除了双馈风机在同步速运行时的检测盲区，不会受到负荷波动或短路故障的影响，鲁棒性好，可以实现快速有效的孤岛检测功能，具有工程实际意义。

附图说明

图1为基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法流程图。

图2为以双馈风机作为电源的分布式系统并网结构图。

图3为双馈风机在非同步速运行时孤岛前后的并网点电压频率仿真结果。

图4为双馈风机在同步速运行时负荷波动前后和孤岛前后的并网点电压频率仿真结果。

具体实施方式

本发明提出一种基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

图1所示为基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法流程图，包括如下步骤：

1)在以双馈风机为电源的分布式并网系统中，检测双馈风机并网点电压的频率f_pcc；

2)判断检测到的双馈风机并网点电压的频率f_pcc是否为工频f，若双馈风机 并网点电压的频率f_pcc为工频f或者近似工频f时，进行步骤3)；否则，进行步骤4)；

3)检测并网点电流突变量ΔI与阈值kI_n满足ΔI≥kI_n，I_n为额定负荷电流，k＝0.05～0.1时，通过软开关启动转子侧控制策略的切换，将双闭环控制中的转差角速度ω_s设为固定值，改变励磁电流频率f_s，进行步骤4)；若ΔI<kI_n，返回步骤1)；

4)延时0.5s后，重新检测双馈风机并网点电压的频率f_pcc，持续检测1s，判断检测到的双馈风机并网点电压的频率f_pcc是否为一个固定不变的非工频值，如果是，进行步骤5)；否则，对于同步速运行的情况，需先恢复转子侧控制策略再返回步骤1)；对于非同步速运行的情况，则直接返回步骤1)；

5)孤岛保护动作，保证孤岛能在2s内顺利切除。 

其中，双馈风机并网点电压的频率f_pcc的检测装置为单独配置，不再集成于逆变器中，根据本地电气量信息进行孤岛检测。

双馈风机并网方式与光伏、直驱风机通过逆变器直接并网方式不同，采用的是定子直接并网，转子经交-直-交变频并网，利用常规的逆变器式孤岛检测方法，在发生孤岛时不能将双馈风机可靠切除；为了实现在发生孤岛时能将双馈风机正确切除，本发明提出一种基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法，该方法的孤岛检测装置不装在逆变器里，而是一套独立的装置用于并网点电压频率的检测。当双馈风机并网运行时，双馈风机利用变流器调节转子励磁电流频率实现变速恒频，使定子输向电网的电压、电流保持与电网三相交流电压、电流同频，双馈风机并网点电压、电流也是工频。若双馈风机与本地负荷形成孤岛运行，由于没有了电网的钳制作用，定子输出没有与电网同步的要求，定子输出频率将不再跟随电网保持工频，而由发电机当前的运行状态决定，与发 电机转速同步，频率为转速频率。由于失去与电网的连接，转子与电网失去了能量交换，发电机输出的功率(即定子输出功率)除了供给负荷消耗外，还有一小部分将输向转子，提供励磁所需，由于定子电压、电流为转速频率，那么流向负荷和网侧变频器的电压、电流也是转速频率，转速频率的电流经过变频器的控制作用耦合到转子，给转子持续提供直流励磁，双馈式感应发电机(DFIG)处于同步机运行状态。双馈风机若不切除，双馈式感应发电机将一直持续保持同步机的运行状态，输向负荷的电压、电流也将一直保持转速频率，即检测到图2中并网点电压、电流的频率为转速频率。根据以双馈风机作为电源的分布式并网系统发生孤岛时并网点电压、电流频率由工频变为转速频率的这一特点，考虑到电压测量比电流测量易于实现，实时测量并网点电压频率来进行孤岛检测。常规的逆变器式频率检测法是检测孤岛后逆变器输出电压的频率是否超过了频率阈值；而本发明检测到的频率均是特征频率，频率大小由双馈风机运行转速决定。正常运行时，无论转速多少，并网点电压频率始终为工频，一旦发生孤岛，并网点电压的频率会在短时间内变为恒定不变的转速频率，检测装置通过这一特征判断孤岛发生，保证了在孤岛发生2s内能够被检测，开关2及时断开(如图2所示)以切除双馈风机。

若双馈风机运行在同步速时发生孤岛，检测到的频率非常接近工频，无法区分是由于发生了孤岛还是频率检测装置自身的零漂现象造成的，存在检测盲区。为了消除该检测盲区，提出了针对同步速附近运行的情况下的孤岛检测方法：若检测到电压的频率是工频f或接近工频f的值，则可以通过软开关切换转子侧控制策略，将双闭环控制中的转差角速度ω_s设为某一固定值，从而改变励磁电压频率，也就改变了励磁电流频率f_s，经过定转子耦合控制，定子输出电压频率将为特征频率(f+f_s)，若是发生孤岛，失去了电网的钳制作用，并网点电压 的频率将变成特征频率，孤岛保护动作。为了防止系统正常运行时造成转子侧控制策略频繁切换，影响装置寿命，需对转子侧控制策略的切换设置启动门槛。考虑到发生孤岛时，并网点电流存在突变量ΔI，而正常运行时并网点电流不存在突变量ΔI，因此，增加并网点电流突变量辅助判据启动转子侧控制策略的切换，并网点电流突变量辅助判据为：检测并网点电流突变量ΔI与阈值kI_n满足ΔI≥kI_n，I_n为额定负荷电流，k＝0.05～0.1时，通过软开关启动转子侧控制策略的切换，将双闭环控制中的转差角速度ω_s设为固定值，改变励磁电流频率f_s。这样既避免了正常运行时控制策略的频繁切换，又避免了轻微扰动造成的不必要切换。当系统大的负荷扰动或短路故障引起电流突变量时，鉴于双馈风机还是并网运行的，即使电流突变量启动了转子控制策略切换，改变了励磁电流频率，但受大电网的钳制作用，并网点电压的频率依然保持工频f，不会造成误判。

通过检测双馈风机并网点电压的频率，若检测到的并网点电压的频率是工频f或者近似工频f，则利用电流突变量ΔI检测启动转子侧控制策略的切换，将双闭环控制中的转差角速度ω_s设为固定值，改变励磁电流频率f_s，根据并网点电压在并网运行时保持工频和孤岛后经短暂过渡过程变为特征频率的特点将双馈风机在同步速附近运行时发生孤岛的情况有效的检测出来；若检测到的并网点电压的频率不为工频f且经短暂延时后变为偏离工频f较大的一个固定值时，则可直接有效检测出孤岛。因此，考虑到短时过渡过程的存在，设置0.5s的延时躲过这个过渡过程，确保持续检测到的并网点电压的频率为恒定值。

利用PSCAD/EMTDC搭建以双馈风机作为电源的分布式系统并网仿真模型，对本发明提出的基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法进行仿真验证。模型参数为：等效电源为理想电压源，电压Us＝10kv，频率f₀＝50Hz，负荷采用恒功率负荷，额定电压U_N＝0.38/10kv；双馈风机容量为30kw，启动判据k取0.05， 设定1s时并网点开关1断开，即1s前系统并网运行，1s后系统孤岛运行。

图3所示为双馈风机在非同步速运行时孤岛前后的并网点电压频率仿真结果，实线代表双馈风机在超同步速(s＝-0.2)下孤岛前后并网点电压频率的变化情况，1s前系统正常并网运行，并网点电压频率f_pcc一直保持在50Hz，1s时并网开关断开，形成孤岛运行，并网点电压频率f_pcc经短暂过渡过程变成了相应的转速频率，f_pcc＝(1-s)f₀＝60Hz不变；虚线代表双馈风机在亚同步速(s＝0.2)下孤岛前后并网点电压频率的变化情况，1s前系统正常并网运行，并网点电压频率f_pcc一直保持50Hz，1s时并网开关断开，形成孤岛运行，并网点电压频率f_pcc经短暂过渡过程变成了相应的转速频率，f_pcc＝(1-s)f₀＝40Hz不变，与理论分析一致。利用本发明提出的基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法，在1s开关断开的时候可以检测到并网点电压频率不等于工频，经短暂过渡过程后频率变成不为工频的固定值，从图3可以知道该过渡过程持续时间小于0.5s，而本发明提出的基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法设置了0.5s的延时，确保躲过了该过渡过程，然后持续检测到后1s内频率一直为非工频固定值，判断发生了孤岛。可见，本发明提出的基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法确实能保证在2s之内有效检测出双馈风机在非同步速运行时发生的孤岛。

图4所示为双馈风机在同步速运行时负荷波动前后和孤岛前后的并网点电压频率仿真结果，这两种工况下，电流突变量均在t＝1s时启动了转子侧控制策略的切换(仿真中设置切换后的转子控制策略输出的励磁电流频率f_s＝15Hz)，两种工况下的电压频率变化情况分别如图4实线和虚线所示。从仿真结果可以看出，并网运行时，虽然由于负荷扰动电流突变量在t＝1s时启动了转子侧控制策略的切换，改变了励磁电流的频率，但并网点电压受大电网钳制，频率仍然是工频。而真正发生孤岛时，失去了电网的钳制作用，并网点电压频率经短暂 过渡过程(过渡过程小于0.5s)变成与励磁电流频率相对应的特征频率(f+f_s)＝65Hz不变，利用本发明提出的基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法，孤岛情况下在转子控制策略切换后经0.5s延时能躲过频率变化的过渡过程，之后的1s内，频率一致保持非工频的固定值，正确判断了孤岛发生。可见，本发明提出的基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法确实能保证在2s之内有效检测出在同步速运行时发生的孤岛。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在以双馈风机为电源的分布式并网系统中，检测双馈风机并网点电压的频率f_pcc；

2)判断检测到的双馈风机并网点电压的频率f_pcc是否为工频f，若双馈风机并网点电压的频率f_pcc为工频f或者近似工频f时，进行步骤3)；否则，进行步骤4)；

3)检测并网点电流突变量ΔI与阈值kI_n满足ΔI≥kI_n，I_n为额定负荷电流，k＝0.05～0.1时，通过软开关启动转子侧控制策略的切换，将双闭环控制中的转差角速度ω_s设为固定值，改变励磁电流频率f_s，进行步骤4)；若ΔI<kI_n，返回步骤1)；

4)延时0.5s后，重新检测双馈风机并网点电压的频率f_pcc，持续检测1s，判断检测到的双馈风机并网点电压的频率f_pcc是否为一个固定不变的非工频值，如果是，进行步骤5)；否则，对于同步速运行的情况，需先恢复转子侧控制策略再返回步骤1)；对于非同步速运行的情况，则直接返回步骤1)；

5)孤岛保护动作，保证孤岛能在2s内顺利切除。

2.根据权利要求1所述一种基于并网点电压特征频率的孤岛检测方法，其特征在于，所述双馈风机并网点电压的频率f_pcc的检测装置为单独配置，不再集成于逆变器中，根据本地电气量信息进行孤岛检测。