CN105044481B - 电网中的孤岛状态的检测 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测三相电网中的三相孤岛状态的方法，所述方法包括：由具有输出频率(ωPSA)的电源组件(PSA)向三相电网(EN)中供电；通过频率基准信号(ωctrl)控制电源组件(PSA)的输出频率(ωPSA)，所述频率基准信号适用于使所述电源组件(PSA)的输出频率(ωPSA)与电网频率(ωgrid)偏离，所述电网频率表示公共电网(GRD)的频率，所述公共电网的一部分所述三相电网(EN)处在正常运行状态；以及如果所述电源组件的输出频率(ωPSA)退出容许的值范围，则检测所述电网(EN)中的三相孤岛状态。在电网(EN)的正常运行状态期间，频率基准信号(ωctrl)取决于电源组件(PSA)的有功输出电流(ip,ω)。

Description

电网中的孤岛状态的检测
技术领域
本发明涉及电网领域，具体涉及三相电网中的三相孤岛状态的检测。
背景技术
连接到公共电网的像太阳能电池或风力涡轮机一样的分布式能源资源单元可以在这个电网中提供孤岛，亦即公共电网的部分，其被提供以它们自身的发电。三相孤岛状态是电源丧失的情形，在这种情形中，结合了发电的电网的全部三相丧失了与公共电网的其余部分的连接。检测三相孤岛状态是重要的，因为它造成了从公共电网分开的电网内的安全危害。
在已知的方法中，向三相电网供电的电源组件由频率基准信号控制，该频率基准信号适用于使电源组件的输出频率与电网频率偏离，其中，如果电源组件的输出频率退出容许的值范围，则检测三相孤岛状态。所述电网频率表示公共电网的频率，该公共电网的一部分三相电网是在正常运行状态中。通过使电源组件的输出频率和电网频率的差与扰动常数相乘来形成频率基准信号。
用于三相孤岛检测的上述已知方法增加了电网中的谐波失真，并且/或者取决于扰动常数的量值而缓慢地检测三相孤岛状态。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法和用于实施该方法的系统，以便缓解以上的缺点。通过下面所描述的方法和系统来实现本发明的目的。
本发明基于以下思想：使用刺激信号在电网的正常运行状态期间干扰电源组件的频率基准信号，该刺激信号是电源组件的有功输出电流的函数。
本发明的方法和系统的优点是：可以快速检测三相孤岛状态而没有过分地增加电网中的谐波失真。
附图说明
下面将参考附图借助于优选实施例更加详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了图示根据本发明的实施例的用于检测三相孤岛状态的方法的框图；以及
图2示出了关于图1的框图的更多详细信息。
具体实施方式
图1示出了图示用于检测三相电网中的三相孤岛状态的方法的框图。图1还示出了三相电网EN和公共电网GRD，公共电网GRD的一部分三相电网EN处于正常运行状态中(亦即当在电网EN中不存在孤岛状态时)。电网EN处在三相孤岛状态中，这通过电网EN与公共电网GRD之间的开启三相开关来图示。这里，公共电网是比本方法正在检测其孤岛状态的三相电网更大的电网。
电网EN包括负载ZL，其连接到电网EN的相。公共电网GRD的线路阻抗用ZG来指示。在图1的三相孤岛状态中，电网EN已丧失了与公共电网GRD的连接，因此从电源组件PSA的输出来看的阻抗已经改变。
图1的电网EN提供有中性导线NC。然而，也可以在没有中性导线的电网中利用本发明。
用于检测电网EN中的三相孤岛状态的方法包括：由具有输出频率ωPSA的电源组件PSA向电网EN中供电；通过频率基准信号ωctrl控制电源组件PSA的输出频率ωPSA，频率基准信号ωctrl适用于使电源组件PSA的输出频率ωPSA与电网频率ωgrid偏离，电网频率ωgrid表示公共电网GRD的频率，公共电网GRD的一部分三相电网EN处在正常运行状态；监视可从电源组件的输出频率ωPSA获得的频率量的量值；以及如果频率量的量值退出容许的值范围，则在模块b3中检测三相孤岛状态。通常容许的值范围由电网代码设置。例如，在标称频率为50Hz的电网中，容许的值范围可以是从47Hz至52Hz。
当不存在孤岛状态时，电源组件PSA的输出频率ωPSA跟随公共电网GRD的实际频率，而与频率基准信号ωctrl无关。这起因于如下事实：与电网EN相比，公共电网GRD是十分刚硬的电网。频率基准信号ωctrl只能够在三相孤岛状态期间使电源组件PSA的输出频率ωPSA与电网频率ωgrid偏离。
在实施例中，频率量是电源组件的输出的角频率。在代替的实施例中，频率量是电源组件的输出的频率。本领域的技术人员理解的是，尽管图1和图2中用于频率术语的附图标记涉及角频率值，但是用时间频率值来进行计算自然是可能的。
频率基准信号ωctrl的形成包括：根据以下方程使电源组件的输出频率ωPSA和刺激信号ωai,stim相加。
ωctrl＝ωPSA+ωai,stim
在模块b1中形成刺激信号ωai,stim，模块b1的输入信息包括电网EN的相电流ia,、ib和ic、电网EN的相电压ua,、ub和uc、电源组件的输出频率ωPSA以及电网频率ωgrid。相电流ia,、ib和ic以及相电压ua、ub和uc可以包括由电源组件PSA的控制装置提供的测量值或估计。
模块b2使用适当的已知方法基于相电压ua、ub和uc确定电源组件的输出频率ωPSA。在代替的实施例中，使用锁相环获得电源组件的输出频率。电网频率ωgrid是模块b2中存储的电源组件的输出频率ωPSA的长期平均值。因为在正常运行状态中三相电网EN是公共电网GRD的一部分，所以输出频率ωPSA的长期平均值实际上等于公共电网GRD的平均频率。在代替的实施例中，电网频率是针对电源组件PSA与三相电网EN的同步而确定的频率。在另一个代替的实施例中，电网频率是基于在公共电网GRD中进行的测量的值。
图2示出了关于图1的框图的模块b1的更详细的信息。根据下面的方程，通过使电源组件的输出频率ωPSA和电网频率ωgrid之间的差与刺激系数kai相乘，在模块b1中形成刺激信号ωai,stim。
ωai,stim＝kai(ωPSA-ωgrid)
电网EN具有正常运行状态和潜在的孤岛状态。如果满足预定的第一条件，则电网EN从正常运行状态转变到潜在的孤岛状态。在模块b16中检查第一条件的满足。如果预定的第一条件不再满足，则电网EN从潜在的孤岛状态转变回正常运行状态。
用于使电网转变到潜在的孤岛状态的预定的第一条件包括下面的条件：
其中，Xω是从电源组件PSA的输出来看的电抗。电源组件PSA的输出频率的变化影响所述电抗Xω。监视电抗Xω的倒数的时间导数使得能够针对电网EN的正常运行状态中的刺激系数kai使用小的值。用于使电网转变到潜在的孤岛状态的预定的第一条件还包括下面的条件：
其中，ωPSA是电源组件PSA的输出频率，并且ωgrid是电网频率。
在图2的实施例中，如果以上不等式中的至少一个成立，那么就满足预定的第一条件。如果以上不等式中的至少一个成立，那么模块b16的输出为真，并且潜在的孤岛状态存在。在潜在的孤岛状态中，模块b18为刺激系数kai分配值kai,dui。如果以上不等式中没有一个成立，则模块b16的输出为假，并且电网EN被允许保持正常运行状态。在正常运行状态中，模块b16为刺激系数kai分配值kai,noi。
以上不等式中的每一个包括将绝对值与零比较。本领域的技术人员理解的是，在一些实施例中将绝对值与大于零的有限值比较是有用的。在这样的实施例中，以上不等式可以修改成以下形式：
其中，α1是第一有限值，并且α2是第二有限值。用于使电网转变到潜在的孤岛状态的预定的第一条件可以包括这些修改的不等式中的一个或两个。第一有限值α1和第二有限值α2的量值可以具有实施例专用的值。
刺激系数kai,noi是电源组件PSA的有功输出电流的函数。换言之，刺激系数kai,noi取决于电源组件PSA的有功输出电流。在模块b17中计算刺激系数kai,noi。电源组件的有功输出电流是电源组件PSA供给电网EN的有功输出电流。如果电源组件PSA从电网EN中取得有功电流，那么有功输出电流带负号。
这里，如果刺激系数是电源组件的有功功率的函数，那么刺激系数被认为是电源组件的有功输出电流的函数。毕竟，电压通常是大致不变的，因此有功功率的变化实质上与电源组件的有功输出电流的变化相关。所以，只有当刺激系数独立于电源组件的有功输出电流时，刺激系数才不被认为是电源组件的有功输出电流的函数。
如以下解释的那样，在模块b17中，刺激系数kai,noi被计算作为电源组件PSA的电网频率有功电流ip,ω的函数。在电网中仅有很少扰动的实施例中，可以使用电源组件的有功输出电流的未滤波值。
在实施例中，通过根据以下方程从第一常数kai,const1中减去电源组件的电网频率有功电流ip,ω的绝对值，刺激系数kai,noi是可获得的。
kai，noi＝kai，const1-|ip，ω|
当使用标幺值系统时，第一常数kai,const1例如可以具有3的值。在标幺值系统中，当电源组件PSA以其标称值将有功电流供应到电网EN中时，电源组件PSA的电网频率有功电流具有1pu(标幺值)的值。
与在正常运行状态期间相比，刺激系数kai在潜在的孤岛状态期间具有更高的绝对值。在实施例中，通过根据以下方程使第二常数kai,const2和刺激系数的先前值kai,prev相加，刺激系数kai,dui是可获得的。
kai，dui＝kai，const2+kai，prev
刺激系数的先前值kai,prev是针对刺激系数kai先前计算的值。在图2的框图中，先前值的形成、亦即使表示刺激系数kai的信号延迟用1/z来指示。当使用标幺值系统时，第二常数kai,const2例如可以具有0.5的值。在实施例中，以2ms的间隔确定用于刺激系数kai的新值。在实施例中，为刺激系数设置最大值kai,max，以使得在潜在的孤岛状态期间，不允许刺激系数kai超过刺激系数的最大值kai,max。
模块b15向模块b16供给电抗Xω的倒数。基于相电流ia、ib和ic以及相电压ua、ub和uc在模块b11、b14和b15中形成这个倒数值。在模块b11中，具有电网频率的分量与相电流和相电压分离。作为结果的电网频率相电流用ia,ω、ib,ω和ic,ω来指示，并且作为结果的电网频率相电压用ua,ω、ub,ω和uc,ω来指示。在模块b14中，基于电网频率相电压ua,ω、ub,ω和uc,ω计算电网频率电压的量值。在模块b15中，根据以下方程计算电抗Xω的倒数：
其中，iq,ω是电网频率无功电流，并且|u ω|是电网频率电压的量值。
在模块b12中，基于电网频率相电流ia,ω、ib,ω和ic,ω以及电网频率相电压ua,ω、ub,ω和uc,ω来计算电网频率有功功率pω和电网频率无功功率qω。在模块b13中，基于电网频率有功功率pω和电网频率无功功率qω计算电网频率无功电流iq,ω和电网频率有功电流ip,ω。
在实施例中，电网频率分量如电网频率相电流ia,ω、ib,ω和ic,ω以及电网频率相电压ua,ω、ub,ω和uc,ω是频率对应于以上定义的电网频率ωgrid的分量。在代替的实施例中，电网频率分量是频率对应于三相电网的频率的分量。
可以通过对原始分量进行带通滤波来形成电网频率分量。例如，通过分别对电网EN的相电流ia、ib和ic以及电网EN的相电压ua、ub和uc进行带通滤波，可以形成电网频率相电流ia,ω、ib,ω和ic,ω以及电网频率相电压ua,ω、ub,ω和uc,ω。
涉及电网的电网代码和标准通常不允许三相孤岛状态。进一步，电网代码设置必须清除三相孤岛状态的时间限制。这样的时间限制在不同的国家是不同的，并且可以处在从0.3秒至1.0秒的范围内。因此，根据本发明的实施例的方法包括：作为对检测到三相孤岛状态的响应，停止通过电源组件向电网供电。代替地，作为对检测到三相孤岛状态的响应，可以改变电网的运行状态。在一些实施例中，向电网的操作人员提供警报，以便操作人员可以停止电源组件向电网供电或者改变电网的运行状态，以便将三相孤岛状态纳入考虑。
通过断开电源组件与电网之间的开关，可以停止电源组件向电网供电。这样的开关未在附图中描述。在代替的实施例中，停止电源组件向电网供电包括关闭电源组件。
对于本领域的技术人员而言将会明显的是，可以以各种方式来实施本发明的概念。本发明及其实施例不限于以上描述的示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (14)

1.一种用于检测三相电网中的三相孤岛状态的方法，所述方法包括：
由具有输出频率(ωPSA)的电源组件(PSA)向三相电网(EN)中供电；
使用频率基准信号(ωctrl)控制所述电源组件(PSA)的输出频率(ωPSA)，所述频率基准信号(ωctrl)适用于使所述电源组件(PSA)的输出频率(ωPSA)与电网频率(ωgrid)偏离，所述电网频率(ωgrid)表示公共电网(GRD)的频率，所述公共电网(GRD)的一部分所述三相电网(EN)处在正常运行状态；
监视可从所述电源组件的输出频率(ωPSA)获得的频率量的量值；以及
如果所述频率量的量值退出容许的值范围，则检测所述电网(EN)中的三相孤岛状态，其特征在于，所述方法包括：
形成通过使所述电源组件的输出频率(ωPSA)和所述电网频率(ωgrid)之间的差与刺激系数(kai)相乘而可获得的刺激信号(ωai,stim)，其中，所述频率基准信号(ωctrl)的形成包括使所述电源组件的输出频率(ωPSA)和所述刺激信号(ωai,stim)相加，并且在所述电网(EN)的正常运行状态期间，所述刺激系数(kai)是所述电源组件(PSA)的有功输出电流(ip,ω)的函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：如果满足预定的第一条件，则使所述电网(EN)从正常运行状态转变到潜在的孤岛状态，并且与在正常运行状态期间相比，所述刺激系数(kai)在潜在的孤岛状态期间具有更高的绝对值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在正常运行状态期间，通过从第一常数(kai,const1)减去所述电源组件的有功输出电流(ip,ω)的绝对值，所述刺激系数(kai)是可获得的。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，用于使所述电网转变到潜在的孤岛状态的预定的第一条件包括以下条件：
<mrow> <mo>|</mo> <mfrac> <mi>d</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <msubsup> <mi>X</mi> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msubsup> <mo>|</mo> <mo>&gt;</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>,</mo> </mrow>
其中，Xω是从所述电源组件(PSA)的输出来看的电抗，并且α1是第一有限值。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，用于使所述电网转变到潜在的孤岛状态的预定的第一条件包括以下条件：
<mrow> <mo>|</mo> <mfrac> <mi>d</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>P</mi> <mi>S</mi> <mi>A</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>r</mi> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <mo>&gt;</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>,</mo> </mrow>
其中，ωPSA是所述电源组件(PSA)的输出频率，ωgrid是电网频率，并且α2是第二有限值。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在潜在的孤岛状态期间，形成所述刺激系数(kai)包括：使第二常数(kai,const2)和刺激系数的先前值(kai,prev)相加。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述刺激系数(kai)具有最大值，以使得在潜在的孤岛状态期间，不允许所述刺激系数(kai)超过所述刺激系数的最大值(kai,max)。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括：如果不再满足预定的第一条件，则使所述电网(EN)从潜在的孤岛状态转变到正常运行状态。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：作为对检测到三相孤岛状态的响应，停止通过所述电源组件(PSA)向所述电网(EN)中供电。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，用于使所述电网转变到潜在的孤岛状态的预定的第一条件包括以下条件：
<mrow> <mo>|</mo> <mfrac> <mi>d</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>P</mi> <mi>S</mi> <mi>A</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>r</mi> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <mo>&gt;</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>,</mo> </mrow>
其中，ωPSA是所述电源组件(PSA)的输出频率，ωgrid是电网频率，并且α2是第二有限值。
11.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在潜在的孤岛状态期间，形成所述刺激系数(kai)包括：使第二常数(kai,const2)和刺激系数的先前值(kai,prev)相加。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述刺激系数(kai)具有最大值，以使得在潜在的孤岛状态期间，不允许所述刺激系数(kai)超过所述刺激系数的最大值(kai,max)。
13.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法包括：如果不再满足预定的第一条件，则使所述电网(EN)从潜在的孤岛状态转变到正常运行状态。
14.一种用于检测三相电网中的三相孤岛状态的系统，所述系统包括：
电源组件(PSA)，用于向三相电网(EN)中供应具有输出频率(ωPSA)的电力；以及
控制装置，其适用于：
形成频率基准信号(ωctrl)，
使用所述频率基准信号(ωctrl)控制所述电源组件(PSA)的输出频率(ωPSA)，所述频率基准信号(ωctrl)适用于使所述电源组件(PSA)的输出频率(ωPSA)与电网频率(ωgrid)偏离，所述电网频率(ωgrid)表示公共电网(GRD)的频率，所述公共电网(GRD)的一部分所述三相电网(EN)处在正常运行状态，
监视可从所述电源组件的输出频率(ωPSA)获得的频率量的量值，并且
如果所述频率量的量值退出容许的值范围，则检测所述电网(EN)中的三相孤岛状态，其特征在于，
所述控制装置适用于形成通过使所述电源组件的输出频率(ωPSA)和所述电网频率(ωgrid)之间的差与刺激系数(kai)相乘而可获得的刺激信号(ωai,stim)，其中，所述频率基准信号(ωctrl)的形成包括使所述电源组件的输出频率(ωPSA)和所述刺激信号(ωai,stim)相加，并且在所述电网(EN)的正常运行状态期间，所述刺激系数(kai)是所述电源组件(PSA)的有功输出电流(ip,ω)的函数。
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