CN105743122B - 适用于集群分布式光伏系统的孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于集群分布式光伏系统的孤岛检测方法，集群分布式光伏系统包括多组分布式光伏发电设备以及后台监控；首先接受后台监控有关孤岛跳闸信号请求；然后测量分布式光伏系统公共连接点处的电能质量是否满足孤岛描述；最后根据电能质量水平选定主动扰动判据，检测输出有功或无功功率的变化、公共连接点处电压或频率的变化或者负荷吸收有功和无功、负荷电压的变化来判断孤岛状态；根据指标是否大于设定的阈值确定系统是否发生孤岛状态。本发明引入多判据，消除了集群分布式光伏系统不稳定时造成并网系统误报孤岛情形的发生，避免引起光伏发电系统的故障误判。采用三级逻辑防护孤岛状态，增加了孤岛状态判断的冗余度，可配置的灵活度。

Description

适用于集群分布式光伏系统的孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及一种适用于集群分布式光伏系统的孤岛检测方法，属于自动控制领域。

背景技术

集群分布式光伏系统并网运行时，当电网由于电器故障、误操作或自然因素等原因中断供电，系统未能及时检测出停电状态并脱离电网，使系统和周围的负载组成一个电力公司无法控制的自供给供电系统。一旦处于孤岛状态可能会对设备造成损坏，影响电力系统安全正常运行，严重时甚至可能威胁线路检修人员的人身安全。现有孤岛检测技术存在如下问题：

(1)集群分布式光伏系统运行设备多，主动扰动各自独立且协调难度大，而且多个分布式系统同时扰动时，注入的各干扰信号可能相互冲突，影响孤岛检测。

(2)分布式光伏系统工作环境复杂且不同环境的孤岛状态指标差异较大，单一的孤岛检测方法都有固有的缺点。单一孤岛检测设置的阈值不能适应所有的工况。而且主动检测需降低对电能质量负面影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种适用于集群分布式光伏系统的全面、自适应、安全可靠、快速响应的自适应孤岛检测方法。所述集群分布式光伏系统包括多组分布式光伏发电设备以及后台监控。

按照本发明提供的技术方案，所述适用于集群分布式光伏系统的孤岛检测方法包括：步骤一，首先直接接受后台监控有关孤岛跳闸信号请求；步骤二，测量分布式光伏系统公共连接点处的电能质量是否满足孤岛描述；步骤三，根据电能质量水平选定主动扰动判据，检测输出有功或无功功率的变化、公共连接点处电压或频率的变化，或者负荷吸收有功和无功、负荷电压的变化来判断孤岛状态；根据指标是否大于设定的阈值来确定系统是否发生孤岛状态。

步骤一中，集群分布式光伏发电设备组成一个区域性通讯系统和能量交互系统，集群内部每台光伏发电设备独立运行，且受后台监控；系统后台开放孤岛保护权限，主动对分布式光伏发电设备发出干预信号，或者由维护人员主动控制孤岛保护，提前关闭光伏发电设备，防止孤岛保护引起不可控的脉冲性冲击；分布式光伏设备通过后台通信监控系统，主动检测电网主动的干预信号或被动的跳闸信号，即时响应跳闸。

所述干预信号一般来自于负荷开关或者继电器的状态反馈信号。

步骤二中，利用分布式光伏发电设备的硬件结构，检测公共连接点处电能质量是否满足国标，然后响应孤岛效应保护措施；基于独立的分布式光伏发电设备包括：依次连接的逆变单元、滤波器、断路器，滤波器的输出再依次连接检测单元、控制器，控制器的输出连接逆变单元的控制端；光伏电池板通过逆变单元、滤波器、断路器，将光伏能量转换为与电网匹配的电能形式；借助逆变单元利用PWM变换，将光伏电池板直流电转换为交流电，经滤波器变换为工频交流电；分布式光伏发电设备具有独立的断路器，在设备检测到孤岛运行时能够提供脱扣或短路保护；所述检测单元用于检测公共连接点处的电压、电流、频率分量，所述控制器计算、存储数据，利用智能算法控制分布式光伏发电设备运行，同时与后台通讯，上传本地工作状况，同时接受后台控制命令。

步骤三中，为防止分布式电源输出功率与本地负荷需求功率相平衡，需要通过主动扰动进行判断孤岛状态；系统检测公共连接点处电压值、电流值、电压相位变化或频率变化，利用傅里叶变换，经过d-q坐标变换将交流控制量变换为直流控制量，然后将数据存储在本地存储单元，同时调用扰动算法：系统首先通过直接测量分布式电源输出有功或无功功率的变化、公共连接点处电压或频率的变化，来判断孤岛状态；孤岛后的公共连接点处电压和频率都会发生变化，且不匹配程度越大，电压和频率变化越大；根据指标是否大于设定的阈值来确定系统是否发生孤岛状态；若实际检测到孤岛现象，重新启动学习算法用来确认阈值的合理性。

本发明具备如下优点：

(1)该方法针对不同工况可以设定适合的保护阈值，充分考虑平稳工况、故障、剧烈波动等不同电网环境，保证安全准确和强的鲁棒性。

(2)多判据的引入，一方面防止多个分布式光伏系统同时以同一个扰动信号干扰电能质量，另一方面为了增加孤岛检测的可靠性，增加了检测的冗余度。多判据消除了集群分布式光伏系统不稳定时造成并网系统误报孤岛情形的发生，避免引起光伏发电系统误判。

(3)系统采用三级逻辑防护孤岛状态，增加了孤岛状态判断的冗余度，可配置的灵活度。系统设备相互独立，同时能够协同工作，形成一个稳定的自适应闭环控制系统。

附图说明

图1集群分布式光伏系统的电气总体结构图。

图2是基于独立分布式光伏设备的硬件等效模型。

图3是本发明独立分布式光伏设备的工作机制。

图4是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明采用三级逻辑防护孤岛状态。该系统借助分布式光伏系统的硬件结构，综合利用多种孤岛检测方法。(1)利用后台通信监控系统，主动探测电网主动干预信号或被动跳闸信号，即时响应跳闸。(2)利用分布式自有检测单元与智能处理单元，将以下特征状况纳入故障诊断系统中：过/欠压，过/欠频，电压相位突变，电压谐波等无源监测对象。(3)借助本地有源检测方法，主动根据当前电网环境选择合适的扰动策略，高速判别系统是否存在孤岛状态；为优化电能质量，选取了稳态态指标作为扰动量分别去判别系统是否处于孤岛状态。

集群分布式光伏系统电气总体框架如图1所示。系统包含电网，变电所，光伏分布式发电设备(DG)，后台监控，本地负载等。光伏分布式发电设备(DG)为本地负载输送能量。大电网经过变电所进行电压等级变换，再与本地负载连接。DG、本地负载、变电所可以设置独立的监控装置，同时可以通过后台连接所有设备，监控本区域内大型设备运行状况。该系统框架一般以大工厂、大型小区或者聚居区为主。

本发明的总体流程如图4，首先直接接受后台监控有关孤岛跳闸信号请求；然后，测量分布式光伏系统公共连接点处的电能质量是否满足孤岛描述；最后，根据电能质量水平选定主动扰动判据，检测输出有功或无功功率的变化、公共连接点(PCC)处电压或频率的变化，或者负荷吸收有功和无功、负荷电压的变化来判断孤岛状态；根据指标是否大于设定的阈值来确定系统是否发生孤岛状态。以下结合实施例来进行具体分析。

第一步，集群分布式光伏发电设备(DG)组成一个区域性通讯系统和能量交互系统。集群内部每台光伏发电设备独立运行，且受后台监控。系统后台开放孤岛保护权限，主动对分布式光伏发电设备(DG)发出干预信号，该干预信号一般来自于负荷开关或者继电器等状态反馈信号。维护人员亦可主动控制孤岛保护，提前关闭光伏发电设备，防止孤岛保护引起不可控的脉冲性冲击。分布式光伏设备通过后台通信监控系统，主动检测电网主动干预信号或被动跳闸信号，即时响应跳闸。

第二步，系统利用分布式光伏发电设备采样单元、计算单元、实施机构，检测PCC处电能质量是否满足国标，然后响应孤岛效应保护措施。基于独立的分布式光伏系统可以通过被动式的电能质量检测屏蔽掉绝大部分孤岛状态。

基于独立分布式光伏发电设备(DG)硬件等效模型如图2所示，基于独立的分布式光伏发电设备包括：依次连接的逆变单元、滤波器、断路器，滤波器的输出再依次连接检测单元、控制器，控制器的输出连接逆变单元的控制端。其中，检测单元构成图3的采样单元，控制器构成图3的计算单元和存储单元，逆变单元、滤波器、断路器等能够响应控制命令的电气系统构成图3的实施机构。

光伏电池板(PV)通过逆变单元、滤波器、断路器，将光伏能量转换为与电网匹配的电能形式。本发明借助分布式光伏发电设备的逆变单元利用PWM变换，将PV直流电转换为交流电，经滤波器变换为工频交流电。DG具有独立的断路器，在设备检测到孤岛运行时可以提供脱扣或短路保护。检测单元用于检测PCC处的电压、电流、频率分量，控制器计算、存储数据，利用智能算法控制DG运行，同时与后台通讯，上传本地工作状况，同时接受后台控制命令。

第三步，系统为防止分布式电源输出功率与本地负荷需求功率相平衡，需要通过主动扰动进行判断孤岛状态。该工作流程和组成模块如图3所示。系统采样单元检测PCC处电压值、电流值、电压相位变化或频率变化。计算单元利用傅里叶变换，经过d-q坐标变换将交流控制量变换为直流控制量，然后将数据存储在本地存储单元，同时调用扰动算法。系统首先通过直接测量分布式电源输出有功或无功功率的变化、公共连接点处电压或频率的变化，或者其他电量的变化来判断孤岛状态。孤岛后的公共连接点处电压和频率都会发生变化，且不匹配程度越大，电压和频率变化也就越大。根据指标是否大于设定的阈值来确定系统是否发生孤岛状态。若实际检测到孤岛现象，重新启动学习算法用来确认阈值的合理性。实施机构为硬件系统，实时响应控制器的命令。

系统利用光伏发电设备采样单元、计算单元、实施机构，主动对PCC处电能质量进行“干预”。光伏发电设备主动“干预”是基于电压、电流、频率的扰动，三者选其一，选择依据如下评价机制：

(1)电能质量评价

电能质量评价以换算后的加权平均值作为评价标准，同时设置约束条件，突变大的量需要再增加不可靠系数值，以最小值作为稳态，优先作为扰动选择量。

首先，利用采样电路，采集PCC处的电压分量U、电流分量I、频率分量f，利用傅里叶变换分解，求出基波电压U_n、基波电流I_n，并计算电压偏差电流偏差谐波含量U_THD,I_THD，频率偏差提出如下定义

●电压稳定性评价τ_U＝δU×k₁+U_THD×k₂

●电流稳定性评价τ_I＝δI×k₃+I_THD×k₄

●频率稳定性评价τ_f＝δf×k₅

●功率稳定性评价

其中，{k₁，k₂，k₃，k₄，k₅}为评价系数。{k₁，k₂，k₃，k₄，k₅}的符号跟随乘机项。

评价系数{k₁，k₂，k₃，k₄，k₅}调试及取值确定方法，在调试初期按照如下两步进行：

第一步，电压、电流偏差及谐波分量取国标规定电压、电流、频率等电能质量限制值，作为常量带入稳定性评价公式，同时令

第二步，令稳定性评价取值相互相等，求取出系数{k₁，k₂，k₃，k₄，k₅}。

最后，计算20个周波稳定性评价τ_U，τ_I，τ_f，τ_S，对每个稳定性评价量求取平均值，选择最小稳定性评价量作为稳定运行量，该稳定运行量作为主动扰动量进入控制流程。

(2)主动扰动算法及孤岛判定

系统以稳定的电能质量作为扰动量，分别为电压△u，电流△i，频率△f。同时该扰动量作为扰动算法选择依据。

扰动量为电压时，对应锁相环控制算法或Sandia电压偏移检测法，使电压的相位产生偏移，从而检测孤岛效应。

扰动量为电流时，对应无功功率扰动算法，通过测量电压和频率的变化来检测孤岛效应。

扰动量为频率时，对应频率突变算法，频率按照预先设置的模式振动，通过检测频率的变化是否符合预先设置来检测孤岛效应。

系统具备高度的灵活性，可以配置不同的保护策略。如可通过无功功率稳定性评价增加相应算法。独立的分布式光伏设备可以为孤岛检测增加设置多种判据，同时预设多种算法。一旦上述判据超出孤岛检测范围，也可判定为孤岛状态，继而迅速响应孤岛保护措施。

该孤岛检测方法采用阶梯式检测策略，从通讯检测、被动检测，到主动干预，将对电能质量的影响降至最低。方案可行，可靠，响应快速，灵敏度高，抗干扰能力强，且不受分布式电源类型的限制。

Claims (2)

1.适用于集群分布式光伏系统的孤岛检测方法，所述集群分布式光伏系统包括多组分布式光伏发电设备以及后台监控；其特征是：步骤一，首先直接接受后台监控有关孤岛跳闸信号请求；步骤二，测量分布式光伏系统公共连接点处的电能质量是否满足孤岛描述；步骤三，根据电能质量水平选定主动扰动判据，检测输出有功或无功功率的变化、公共连接点处电压或频率的变化，或者负荷吸收有功和无功、负荷电压的变化来判断孤岛状态；根据指标是否大于设定的阈值来确定系统是否发生孤岛状态；

其中，步骤一中，集群分布式光伏发电设备组成一个区域性通讯系统和能量交互系统，集群内部每台光伏发电设备独立运行，且受后台监控；系统后台开放孤岛保护权限，主动对分布式光伏发电设备发出干预信号，或者由维护人员主动控制孤岛保护，提前关闭光伏发电设备，防止孤岛保护引起不可控的脉冲性冲击；分布式光伏设备通过后台通信监控系统，主动检测电网主动的干预信号或被动的跳闸信号，即时响应跳闸；

其中，步骤二中，利用分布式光伏发电设备的硬件结构，检测公共连接点处电能质量是否满足国标，然后响应孤岛效应保护措施；基于独立的分布式光伏发电设备包括：依次连接的逆变单元、滤波器、断路器，滤波器的输出再依次连接检测单元、控制器，控制器的输出连接逆变单元的控制端；光伏电池板通过逆变单元、滤波器、断路器，将光伏能量转换为与电网匹配的电能形式；借助逆变单元利用PWM变换，将光伏电池板直流电转换为交流电，经滤波器变换为工频交流电；分布式光伏发电设备具有独立的断路器，在设备检测到孤岛运行时能够提供脱扣或短路保护；所述检测单元用于检测公共连接点处的电压、电流、频率分量，所述控制器计算、存储数据，利用智能算法控制分布式光伏发电设备运行，同时与后台通讯，上传本地工作状况，同时接受后台控制命令；

其中，步骤三中，为防止分布式电源输出功率与本地负荷需求功率相平衡，需要通过主动扰动进行判断孤岛状态；系统检测公共连接点处电压值、电流值、电压相位变化或频率变化，利用傅里叶变换，经过d-q坐标变换将交流控制量变换为直流控制量，然后将数据存储在本地存储单元，同时调用扰动算法：系统首先通过直接测量分布式电源输出有功或无功功率的变化、公共连接点处电压或频率的变化，来判断孤岛状态；孤岛后的公共连接点处电压和频率都会发生变化，且不匹配程度越大，电压和频率变化越大；根据指标是否大于设定的阈值来确定系统是否发生孤岛状态；若实际检测到孤岛现象，重新启动学习算法用来确认阈值的合理性；

其中，电能质量评价以换算后的加权平均值作为评价标准，同时设置约束条件，突变大的量需要再增加不可靠系数值，以最小值作为稳态，优先作为扰动选择量；

首先，利用采样电路，采集PCC处的电压分量U、电流分量I、频率分量f，利用傅里叶变换分解，求出基波电压U_n、基波电流I_n，并计算电压偏差电流偏差谐波含量U_THD,I_THD，频率偏差提出如下定义：

电压稳定性评价τ_U＝δU×k₁+U_THD×k₂

电流稳定性评价τ₁＝δI×k₃＋I_THD×k₄

频率稳定性评价τ_f＝δf×k₅

功率稳定性评价

其中，{k₁，k₂，k₃，k₄，k₅}为评价系数，{k₁，k₂，k₃，k₄，k₅}的符号跟随乘积项；

评价系数{k₁，k₂，k₃，k₄，k₅}调试及取值确定方法，在调试初期按照如下两步进行：

第一步，电压、电流偏差及谐波分量取国标规定电压、电流、频率电能质量限制值，作为常量带入稳定性评价公式，同时令

第二步，令稳定性评价取值相互相等，求取出系数{k₁，k₂，k₃，k₄，k₅}；

最后，计算20个周波稳定性评价τ_U，τ_I，τ_f，τ_s，对每个稳定性评价量求取平均值，选择最小稳定性评价量作为稳定运行量，该稳定运行量作为主动扰动量进入控制流程；

系统以稳定的电能质量作为扰动量，分别为电压△u，电流△i，频率△f，同时该扰动量作为扰动算法选择依据；

扰动量为电压时，对应锁相环控制算法或Sandia电压偏移检测法，使电压的相位产生偏移，从而检测孤岛效应；

扰动量为电流时，对应无功功率扰动算法，通过测量电压和频率的变化来检测孤岛效应；

扰动量为频率时，对应频率突变算法，频率按照预先设置的模式振动，通过检测频率的变化是否符合预先设置来检测孤岛效应。

2.如权利要求1所述适用于集群分布式光伏系统的孤岛检测方法，其特征是：步骤一中所述干预信号来自于负荷开关或者继电器的状态反馈信号。