CN105629114A - 基于电压谐波突变量的孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电压谐波突变量的孤岛检测方法。通过监测150Hz、250Hz、350Hz的特定频率的电压信号，在正常并网运行和孤岛运行时所表现的差异实现了孤岛运行状态的检测。利用滑动数据窗计算并网逆变器端电压特定次谐波突变量的绝对值|ΔU₃|、|ΔU₅|、|ΔU₇|，并根据|ΔU₃|、|ΔU₅|、|ΔU₇|的大小判断是否发生孤岛。本发明具有不会影响并网逆变器输出电能的质量，也不会干扰系统的暂态响应，对采样频率要求低，易于硬件实现的特点。并且能在IEEE？Std.1547.1标准中所定义的孤岛最严重的情况下快速有效地检测出孤岛效应，适用于各种类型的断路情况，具有良好的实用性。

Description

基于电压谐波突变量的孤岛检测方法

技术领域

本发明属于分布式电源并网技术领域，具体涉及一种基于电压谐波突变量的孤岛检测方法。

背景技术

孤岛效应是指在分布式发电系统中，当电网供电因故障事故或者停电维修而跳闸时，各个用户端的分布式并网发电系统未能及时检测出停电状态从而将自身切离市电网络，最终形成由分布电站并网发电系统和其相连的负载组成了一个自给供电的孤岛发电系统。

孤岛效应使电压及频率失去控制，如果分布式发电系统没有调节电压和频率的能力，且没有电压和频率保护继电器来限制电压和频率的偏移，那么孤岛系统中的电压和频率必然发生较大的波动，从而对电网和用户设备造成危害。

在由孤岛运行变为并网运行时，由于重合闸系统中的分布式发电装置可能与电网不同步导致电路断路器装置收到损坏，还可能产生较高的冲击电流，从而危害孤岛系统中的装置，甚至导致电网重新跳闸。

孤岛效应可能会导致故障不能切除，从而导致电网设备的损害，并且干扰电网正常供电系统的自动或者手动恢复。

孤岛效应使得一些被认为已经与所有电源断开的线路带点，这会给电网维修人员或者用户带来电击的危险。因此，快速有效地检测出孤岛效应并将故障切除是很有必要的。

目前，孤岛检测方法主要可以分为两类，即基于通信的孤岛检测方法和局部孤岛检测方法。第一类基于通信的孤岛检测方法主要是利用无线电通信来检测孤岛效应，该方法能够减小检测盲区，但设计复杂，未能得到广泛应用。

第二类局部孤岛检测方法是通过监控并网发电装置的端电压以及电流信号实现的。局部孤岛检测方法又可以进一步分为被动式和主动式两种：被动式方法仅根据并网逆变器输出的电压或频率的异常来判断孤岛的发生，通常被动式方法存在相对较大的检测盲区；而主动式方法则通过向电网注入扰动，并利用该扰动信号引起的系统电压、频率以及阻抗等的相应变化来判断孤岛的发生，该方法虽然能够有效地减少检测盲区，但是会对电能质量产生一定的影响。

发明内容

针对上述背景技术中所提到的目前孤岛检测方法的优劣，本发明提出了一种基于电压谐波突变量的孤岛检测方法，该方法在不影响系统电能质量的前提下，能够快速有效地检测出孤岛效应。

本发明的技术方案是这样实现的：

基于电压谐波突变量的孤岛检测方法，包括以下步骤：

步骤1：利用滑动数据窗计算并网逆变器端电压特定次谐波突变量的绝对值|ΔU₃|、|ΔU₅|、|ΔU₇|：

步骤2：根据绝对值|ΔU₃|、|ΔU₅|、|ΔU₇|来判断是否发生孤岛；

当|ΔU₃|、|ΔU₅|、|ΔU₇|分别小于或等于整定值U_set1、U_set2、U_set3时，则未发生孤岛；

当|ΔU₃|>U_set1或|ΔU₅|>U_set2或|ΔU₇|>U_set3且持续时间超过40毫秒时，则孤岛发生。

所述滑动数据窗的长度为20毫秒。

所述整定值的计算公式为：

|ΔU₃|>U_set1＝0.001U₁

|ΔU₅|>U_set2＝0.0012U₁

|ΔU₇|>U_set3＝0.0005U₁

其中：

U₁为基波相电压有效值；

U₃为3次谐波相电压有效值；

U₅为5次谐波相电压有效值；

U₇为7次谐波相电压有效值；

U_set1为3次谐波相电压整定值；

U_set2为5次谐波相电压整定值；

U_set3为7次谐波相电压整定值。

本发明基于电压谐波突变量的孤岛检测方法，主要有以下优点：

(1)能够在IEEEStd.1547.1标准中所定义的孤岛最严重的情况下快速有效地检测出孤岛效应；

(2)不会影响并网逆变器输出电能的质量，也不会干扰系统的暂态响应；

(3)不仅适用于三相断路的孤岛检测情况，对于单相以及两相断路情况同样适用；

(4)对采样频率要求低，易于硬件实现。

该方法原理简单，适用范围较广，在各种断路以及孤岛最严重的情况下能够快速有效地检测出孤岛。

附图说明

图1为分布式发电系统的孤岛效应示意图；

图2为孤岛效应保护逻辑图；

图3为500kW并网光伏发电系统仿真模型主电路；

图4为500kW并网光伏发电系统运行参数图；

图4(a)为逆变器输出电压波形图；

图4(b)为逆变器输出电流波形图；

图5为三相断路对称故障下发生孤岛，应用本发明的孤岛检测各特征量波形图；

图5(a)为150Hz电压故障分量波形图；

图5(b)为250Hz电压故障分量波形图；

图5(c)为350Hz电压故障分量波形图；

图6为单相断路故障情况下，应用本发明的孤岛检测各特征量波形图；

图6(a)为150Hz电压故障分量波形图；

图6(b)为250Hz电压故障分量波形图；

图6(c)为350Hz电压故障分量波形图；

图7为两相断路故障情况下，应用本发明的孤岛检测各特征量波形图；

图7(a)为150Hz电压故障分量波形图；

图7(b)为250Hz电压故障分量波形图；

图7(c)为350Hz电压故障分量波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

当电网与分布式电源相连时，电网可以看作是一个容量很大的电压源，并网逆变器产生的谐波电流将流入较低阻抗的电网中，这些很小的谐波电流与较低的电网阻抗在并网逆变器输出端点的电压响应u_a只含有少量的谐波，即电压畸变率接近于零。

当电网断开后，将有两个因素使得u_a中谐波的含量增加：

谐波电流流入阻抗远高于电网阻抗的负载中，使得u_a产生较大的失真。

若切离电网的开关位于变压器的原边侧，并网逆变器输出的电流将流过变压器的副边，由于变压器的磁滞现象及其非线性特性，将使得变压器的电压响应产生失真，从而增加了逆变器输出端电压u_a的谐波含量。本方法通过监测150Hz、250Hz、350Hz的特定频率信号在正常并网运行和孤岛运行时所表现的差异实现了孤岛运行状态的检测。具体步骤如下：

首先，利用20毫秒的滑动数据窗，计算并网逆变器端电压中150Hz、250Hz、350Hz电压突变量的绝对值|ΔU₃|、|ΔU₅|、|ΔU₇|。

设定的整定值U_set1、U_set2、U_set3分别取为0.001U₁、0.0012U₁、0.0005U₁。

根据突变量的绝对值|ΔU₃|、|ΔU₅|、|ΔU₇|的大小判断是否发生孤岛，判据如下：

(1)当|ΔU₃|、|ΔU₅|、|ΔU₇|分别小于等于整定值U_set1、U_set2、U_set3(2)当|ΔU₃|>U_set1或|ΔU₅|>U_set2或|ΔU₇|>U_set3且持续了一段时间时，则孤岛发生。

图1为分布式发电系统的孤岛效应示意图；

图2为孤岛效应保护逻辑图

500kW并网光伏发电系统仿真模型主电路如图3所示，PV阵列两个输入参数分别为光照和温度，其基准值为1000W/平方米，25摄氏度。逆变模块选取IGBT三相全桥逆变电路，输出电压为270V(线电压)，输出电流1000A，实际输出功率为468kW。本地负载采用三角形接法的RLC并联电路进行仿真(此时处于孤岛最严重的情况)，品质因数取为1，R＝0.4673Ω，L＝0.0014857H，C＝6812uF。经由两级升压变压器将电压等级升至110kV馈送至电网。

如图4(a)和图4(b)分别代表光伏并网逆变器输出电压(kV)、输出电流(kA)。系统运行时间为1.2s，孤岛故障发生在t＝1s时刻，持续时间0.1s。由图4可知，在正常运行状态及孤岛运行状态时，系统的运行参数基本没有发生改变，说明此时处于孤岛最严重的情况。应用本发明进行检测，其中采样频率为21kHz，采样时间为0.2s(0.9-1.1s)，各特征量的仿真波形图如图5所示：图5(a)为150Hz电压故障分量波形图：图5(b)为250Hz电压故障分量波形图；图5(c)为350Hz电压故障分量波形图。在正常并网运行状态时，各次谐波电压故障分量基本为0，当发生孤岛故障时，150Hz、250Hz电压故障分量中ABC三相均大于整定值且持续时间大于40毫秒，350Hz电压故障分量中AB两相大于整定值且持续时间大于40毫秒，与设定的条件一致，孤岛检测成功。

图6为单相断路故障情况下，应用本发明的孤岛检测各特征量波形图：图6(a)为150Hz电压故障分量波形图：图6(b)为250Hz电压故障分量波形图；图6(c)为350Hz电压故障分量波形图。在正常并网运行状态时，各次谐波电压故障分量基本为0，当发生孤岛故障时，150Hz、250Hz电压故障分量中A相大于整定值且持续时间大于40毫秒，350Hz电压故障分量中ABC三相均大于整定值且持续时间大于40毫秒，与设定的条件一致，孤岛检测成功。

图7为两相断路故障情况下，应用本发明的孤岛检测各特征量波形图：图7(a)为150Hz电压故障分量波形图：图7(b)为250Hz电压故障分量波形图；图7(c)为350Hz电压故障分量波形图。在正常并网运行状态时，各次谐波电压故障分量基本为0，当发生孤岛故障时，150Hz电压故障分量中AC相大于整定值且持续时间大于40毫秒，250Hz电压故障分量中ABC三相均大于整定值且持续时间大于40毫秒，350Hz电压故障分量中AC两相大于整定值且持续时间大于40毫秒，与设定的条件一致，孤岛检测成功。

图5、图6、图7表明所提供的基于电压谐波突变量的孤岛检测方法在不影响电能质量的情况下，可快速有效地检测出孤岛效应，在并网开关单相以及两相断开情况下仍然可以进行判别。能够实现无盲区孤岛检测。

该方法原理简单，适用范围较广，在各种断路以及孤岛最严重的情况下能够快速有效地检测出孤岛。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但是本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.基于电压谐波突变量的孤岛检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用滑动数据窗计算并网逆变器端电压特定次谐波突变量的绝对值|ΔU₃|、|ΔU₅|、|ΔU₇|:

步骤2：根据绝对值|ΔU₃|、|ΔU₅|、|ΔU₇|来判断是否发生孤岛：

当|ΔU₃|、|ΔU₅|、|ΔU₇|分别小于或等于整定值U_set1、U_set2、U_set3时，则未发生孤岛；

当|ΔU₃|>U_set1或|ΔU₅|>U_set2或|ΔU₇|>U_set3且持续时间超过40毫秒时，则孤岛发生。

2.根据权利要求1所述的基于电压谐波突变量的孤岛检测方法，其特征在于，所述滑动数据窗的长度为20毫秒。

3.根据权利要求1所述的基于电压谐波突变量的孤岛检测方法，其特征在于，所述整定值的计算公式为：

|ΔU₃|>U_set1＝0.001U₁

|ΔU₅|>U_set2＝0.0012U₁

|ΔU₇|>U_set3＝0.0005U₁

其中：

U₁为基波相电压有效值；

U₃为3次谐波相电压有效值；

U₅为5次谐波相电压有效值；

U₇为7次谐波相电压有效值；

U_set1为3次谐波相电压整定值；

U_set2为5次谐波相电压整定值；

U_set3为7次谐波相电压整定值。