CN105281366B - 一种同时实现低电压穿越和孤岛检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同时实现低电压穿越和孤岛检测的方法，依次包含如下步骤：1：对发电系统出口处的电网电压采样，获取电网电压的瞬时幅值和瞬时频率信息；2：确定发电系统是否处于正常状态；3：在步骤2判断出发电系统处于非正常状态，则根据电网瞬时电压跌落的幅度，发电系统发出一定量的无功电流，实现低电压穿越；4：所述步骤3中产生的无功电流对发电系统进行扰动，以进一步确定系统是否处于孤岛状态，若处于孤岛状态，则系统停机；5：重复上述步骤，在电网故障时保证低电压穿越和孤岛检测。本发明提供的检测方法只使用较为简单的功率扰动方法即可同时完成低电压穿越与孤岛检测，该方法实时性较好，基于该方法的结构实现简单。

Description

一种同时实现低电压穿越和孤岛检测的方法

技术领域

本发明属于新能源分布式发电领域，具体涉及一种适用于分布式发电系统低电压穿越与孤岛检测的功率扰动方法。

背景技术

随着新能源并网发电技术的日臻完善以及环境问题的日益加剧，新能源并网发电系统的数量迅速增长。为了确保电网的安全，世界各国都制定了许多严苛的并网规则，低电压穿越(LVRT)与孤岛检测是其中两个主要的方面。低电压穿越，是指在新能源发电系统并网点电压跌落的时候，新能源发电系统能够保持并网，并向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。需要注意的是，需要进行低电压穿越的新能源并网发电系统，其特点为：并网电压等级较高；直接并入公共电网；容量较大。不同国家所提出的低电压穿越要求不尽相同，目前在一些新能源发电占主导地位的国家，如丹麦、中国等已经相继制定了新的电网运行准则，定量地给出了新能源发电系统离网的条件。如附图1所示为我国提出的光伏电站低电压穿越标准(GB/T 19964-2012)，由图可知只有当电网电压跌落低于规定曲线后才允许新能源发电设备离网，同时当电压处于凹陷部分时，光伏电站应按电压跌落深度提供相应的无功功率。此外，新的低电压穿越规范要求并网系统在30毫秒内发出无功以支持电网电压的恢复，这就意味着低电压检测与无功发出的时间之和需要在30毫秒之内，该要求是十分严苛的。所谓孤岛效应，是指电网供电端因故障或者停电检修而脱离用户端时，新能源并网发电系统(如光伏发电、风力发电等)没有能够及时检测出停电状态，从而形成了由并网发电系统和周围的负载组成的一个自给供电的孤岛。孤岛检测指的是，新能源并网发电系统需要检测出这种“孤岛”状态，并迅速将发电设备停机。我国对新能源并网发电系统的孤岛检测时间要求为在孤岛状态发生后，新能源并网发电系统应在2秒内检测出孤岛状态并将发电设备停机。

现有技术中，为实现低电压穿越和孤岛检测多采用检测出口电压幅值和频率以进行孤岛检测、通过逆变器实现低电压穿越的方法，专利文献《具有低电压穿越和防孤岛保护功能的分布式电源系统及控制方法》(专利号为CN 103887811 A)就提出了上述方法的一种方案：通过检查电网断路器的开关信号，以及用电压互感器检测的电压信号V和三相锁相环电路检测的频率信号f，检测与控制模块接收检测模块传来的电压信号v和频率信号f，并进行阀值判断，并通过PWM发生器产生PWM控制信号，如电压和频率任何一个值超过了预先设定阀值5个周期，则发送跳闸信号控制第一断路器跳闸，使得整个发电系统停止运行，从而实现孤岛判定和防孤岛保护功能；而通过设置三相逆变器实现了低电压穿越功能，从而能够实现低电压穿越和孤岛检测功能共存。

但上述方案对电网电压幅值和频率的检测是被动式的孤岛检测方法，在新能源并网发电系统容量与负载相匹配时，被动式检测方法存在检测盲区且检测时间较长。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于发电系统低电压穿越与孤岛检测的功率扰动方法，用以解决现有技术中实现低电压穿越与孤岛检测时采用被动式检测方法而存在检测盲区和检测时间较长的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种同时实现低电压穿越和孤岛检测的方法，依次包含如下步骤：

步骤1：对发电系统出口处的电网电压采样，获取电网电压的瞬时幅值和瞬时频率信息；

步骤2：确定发电系统是否处于正常状态；

步骤3：在步骤2判断出发电系统处于非正常状态，则根据电网瞬时电压跌落的幅度，发电系统发出一定量的无功电流，实现低电压穿越；

步骤4：所述步骤3中产生的无功电流对发电系统进行扰动，以进一步确定系统是否处于孤岛状态，若处于孤岛状态，则系统停机；

步骤5：重复上述步骤，在电网故障时保证低电压穿越和孤岛检测。

进一步的，所述步骤1中获得电网电压瞬时幅值与瞬时频率信息的方法是通过使用三相锁相环电路的方法获得。

优选的，所述步骤2中确定发电系统是否处于正常状态的方法为：将获得的电网电压瞬时幅值与正常幅值相对比，若二者相等，则发电系统处于正常状态，；反之则判定发电系统处于非正常状态。

优选的，所述的正常幅值是一个范围值，根据不同应用场合进行预先设定。

进一步的，所述步骤3中发出的一定量无功电流按照如下规则进行：

i_q＝1.5*(0.9-A/A₀)i_N,A＜0.8A₀；

i_q＝0.15i_N,0.8A₀≤A＜A₀；

i_q＝0.1i_o,A₀＜＝A；

若瞬时电网电压幅值不小于电网电压幅值正常值时，将新能源并网发电系统输出电流i_o的10％转化为无功电流i_q发出；若瞬时电网电压幅值小于电网电压幅值正常值，同时大于等于电网电压幅值正常值的80％，新能源并网发电系统发出额定电流i_N0.15倍的无功电流；若瞬时电网电压幅值小于电网电压幅值正常值的80％时，则按低电压穿越标准将无功电流大小设为1.5*(0.9-瞬时幅值/正常幅值)*额定电流。

进一步的，所述步骤4中孤岛状态的判断方法为：将瞬时频率与设定频率相比较，若瞬时频率不在频率设定范围内或系统频率升高值大于频率正常波动值，则认为系统处于孤岛状态。

优选的，所述步骤4中，频率设定范围是49.5Hz-50.5Hz。

本发明的有益效果是：本发明采用一种新的用于新能源并网发电系统低电压穿越功能与孤岛检测功能的功率扰动方法，属于孤岛检测的主动检测方式，与实现低电压穿越功能与孤岛检测功能的传统方法相比，本检测方法只使用较为简单的功率扰动方法即可同时完成低电压穿越与孤岛检测。同时，该方法实时性较好，可提高新能源并网发电系统低电压穿越与孤岛检测的检测时间。此外，基于该检测方法的结构实现较为简单，只有一个三相锁相环与一套程序，实现较为简单。

附图说明

图1是低电压穿越与孤岛检测流程图；

图2是一种正负序解耦锁相环电路；

图3是新能源并网发电系统孤岛检测示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如附图1所示，是低电压穿越与孤岛检测流程图。首先，对系统出口侧的相电压进行采样。然后由三相锁相环根据采样值计算系统出口侧电压的瞬时幅值与瞬时频率。通过三相锁相环计算发电系统出口侧电压瞬时幅值与瞬时频率的过程如下：

如图2所示，是一种正负序解耦锁相环电路，基于双二阶广义积分器的锁相环(DSOGI-PLL)对电网电压进行检测，将三相电压进行abc/αβ变换后，对电网电压的αβ分量V_α与V_β进行正交化与解耦操作，得到电网电压的正序αβ分量V_α+与V_β+，进而可以得到准确的正负序d轴与q轴分量，然后计算出三相正序电压的幅值(V_d)、频率(f)与相角(θ)信息。

比较瞬时幅值与正常幅值，如果瞬时幅值(A)与正常幅值(A₀)相等(瞬时幅值与正常幅值的差的绝对值小于一个门槛值ε即认为二者是相等的)，认为系统处于正常状态。如果瞬时幅值与正常幅值不相等(瞬时幅值与正常幅值的差的绝对值大于一个门槛值ε)，则认为系统处于非正常状态，即系统处于低电压状态或者孤岛状态。需要注意的是，需要进行低电压穿越问题的新能源并网发电系统，其输出功率较大，一般大于负载所消耗功率，即如果孤岛发生后并网点电压实时幅值不等于正常幅值。

进一步确定系统出口侧电压的跌落深度后，进行相应的操作：发出一定量的无功电流。一定量的无功电流按以下规则发出：若瞬时电网电压幅值不小于电网电压幅值正常值时，将新能源并网发电系统输出电流i_o的10％转化为无功电流i_q发出，该无功电流值可以保证足够的扰动力度，当新能源并网发电系统处于孤岛状态时，在任何条件下系统均可以准确检测出孤岛状态。若瞬时电网电压幅值小于电网电压幅值正常值，同时大于等于电网电压幅值正常值的80％，新能源并网发电系统发出额定电流i_N0.15倍的无功电流(光伏电站低电压穿越标准GB/T 19964-2012规定电网电压幅值跌落到正常值的80％时，需要发出大于等于额定电流0.15倍的无功电流)，以同时保证使用功率扰动检测孤岛状态的有效性和满足低电压穿越标准；若瞬时电网电压幅值小于电网电压幅值正常值的80％时，则按低电压穿越标准将无功电流大小设为1.5*(0.9-瞬时幅值/正常幅值)*额定电流。

为了保证功率扰动方法检测孤岛状态的有效性，在任何情况下有功电流值都要大于零，同时确保电流不越限，当新能源并网发电系统输出电流远小于额定电流的极端情况出现时(譬如光伏电站运行于阴天情况下)，将有功电流参考值设为一个很小的数值。值得一提的是，如果新能源并网发电系统正常运行，即系统不处于孤岛状态，电网电压也未跌落，则输出电流等于额定电流。上述无功电流发出策略，可总结为如下公式：

i_q＝1.5*(0.9-A/A₀)i_N,A＜0.8A₀

i_q＝0.15i_N,0.8A₀≤A＜A₀ (1)

i_q＝0.1i_o,A₀＜＝A

最后，将对应不同电压幅值跌落深度的无功指令发送给逆变器，发出一定量的无功功率，以实现低电压穿越。

发出的一定量的无功功率，在可以实现低电压穿越的同时，还对发电系统形成一定的扰动，从而实现孤岛检测。通过功率扰动的方法实现孤岛检测的详细过程如下：

1)由附图3可知，当断路器跳开，新能源并网发电系统处于孤岛状态时，有：

其中，R为负载电阻，L为负载电感，C为负载电容，u_j(j＝a,b,c)为系统出口侧电压,i_j(j＝a,b,c)为系统输出电流,i_Lj(j＝a,b,c)为负载电感电流。

2)根据变换矩阵：

可得出1)中等式在dq坐标系下的形式：

其中，u_k(k＝d,q)系统出口侧电压的有功与无功分量,i_k(k＝d,q)系统输出电流的有功与无功分量，i_Lk(k＝d,q)负载电感电流的有功与无功分量。

3)因为电感电流与系统出口侧电压的关系如下；

与2)推导过程相同，可得：

4)正常情况下,可设u_d＝u₀and u_q＝0。2)与3)最终得到的公式中的量都为常数量，其导数项都等于0。综上，可推导出：

其中u₀为系统出口侧电压,ω为系统频率，为品质因数。当改变id和iq的比值时，可以改变系统频率。当Q处于最差情况，即等于2.5时,iq和id的比值需要改变10％以保证在新能源并网发电系统处于孤岛状态时，系统角频率会改变2％，则本地负载谐振角频率为49.5*2π赫兹时，系统角频率稳态值将越限(超过50.5*2π弧度/秒，换算为频率为50.5赫兹)，同时系统角频率升高值大于2π弧度/秒(换算为频率为1赫兹)，大于非孤岛状态时系统角频率波动值(1弧度/秒之内，换算为频率大约为0.5π赫兹)，故系统角频率升高限值可设定为π弧度/秒(换算为频率为0.5赫兹)左右。所以新能源并网发电系统处于孤岛状态时，如果iq和id的比值改变超过10％，则可以保证在任何情况下本文所提出的扰动方法都可以检测出系统的孤岛状态。

然后，将计算得出的瞬时频率与预先设定的频率范围(49.5赫兹-50.5赫兹)相比较，如果瞬时频率不在频率设定范围内或系统频率升高值大于频率正常波动值，则认为系统处于孤岛状态，系统将停机；如果瞬时频率在频率设定范围内，则认为系统暂时不处于孤岛状态。需要注意的是，当新能源并网发电系统与电网连接，且频率超出了正常范围(49.5赫兹-50.5赫兹)时，过/欠频保护将动作，同样需要对新能源并网发电系统执行停机操作(与孤岛发生后的操作一致)。

新能源并网发电系统按上述步骤持续运行，最终可实现低电压穿越与孤岛检测。

上述过程即是本发明同时实现低电压穿越和孤岛检测的具体实施过程，作为其他实施方式，对于电网电压的电压幅值和频率的获得还可以使用其他方式实现。

以上给出了本发明具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种同时实现低电压穿越和孤岛检测的方法，其特征在于，依次包含如下步骤：

步骤1：对发电系统出口处的电网电压采样，获取电网电压的瞬时幅值和瞬时频率信息；

步骤2：确定发电系统是否处于正常状态；

步骤3：在步骤2判断出发电系统处于非正常状态，则根据电网瞬时电压跌落的幅度，发电系统发出一定量的无功电流，实现低电压穿越；

步骤4：所述步骤3中产生的无功电流对发电系统进行扰动，以进一步确定系统是否处于孤岛状态，若处于孤岛状态，则系统停机；

步骤5：重复上述步骤，在电网故障时保证低电压穿越和孤岛检测。

2.根据权利要求1所述的同时实现低电压穿越和孤岛检测的方法，其特征在于，所述步骤1中获得电网电压瞬时幅值与瞬时频率信息的方法是通过使用三相锁相环电路的方法获得。

3.根据权利要求1所述的同时实现低电压穿越和孤岛检测的方法，其特征在于，所述步骤2中确定发电系统是否处于正常状态的方法为：将获得的电网电压瞬时幅值与正常幅值相对比，若二者相等，则发电系统处于正常状态；反之则判定发电系统处于非正常状态。

4.根据权利要求3所述同时实现低电压穿越和孤岛检测的方法，其特征在于，所述的正常幅值是一个范围值，根据不同应用场合进行预先设定。

5.根据权利要求1所述的同时实现低电压穿越和孤岛检测的方法，其特征在于，所述步骤3中发出的一定量无功电流按照如下规则进行：

i_q＝1.5*(0.9-A/A₀)i_N,A＜0.8A₀；

i_q＝0.15i_N,0.8A₀≤A＜A₀；

i_q＝0.1i_o,A₀＜＝A；

若瞬时电网电压幅值不小于电网电压幅值正常值时，将新能源并网发电系统输出电流i_o的10％转化为无功电流i_q发出；若瞬时电网电压幅值小于电网电压幅值正常值，同时大于等于电网电压幅值正常值的80％，新能源并网发电系统发出额定电流i_N0.15倍的无功电流；若瞬时电网电压幅值小于电网电压幅值正常值的80％时，则按低电压穿越标准将无功电流大小设为1.5*(0.9-瞬时幅值/正常幅值)*额定电流。

6.根据权利要求1所述的同时实现低电压穿越和孤岛检测的方法，其特征在于，所述步骤4中孤岛状态的判断方法为：将瞬时频率与设定频率相比较，若瞬时频率不在频率设定范围内或系统频率升高值大于频率正常波动值，则认为系统处于孤岛状态。

7.根据权利要求6所述的同时实现低电压穿越和孤岛检测的方法，其特征在于，所述步骤4中，频率设定范围是49.5Hz-50.5Hz。