CN106816888A - 基于虚拟同步发电机的孤岛检测方法、系统以及微网控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测方法、系统以及微网控制系统，利用同步发电机的下垂特性，在并网运行时，将逆变器输出角频率和电压作为VSG算法的参考值；当非计划孤岛发生时，采用孤岛检测检测到孤岛现象并给出控制信号切换到孤岛运行，并将参考频率及参考电压设置为固定值，来保证系统频率稳定，并在孤岛检测方法中引入正反馈来加快检测速度，减小检测盲区；本发明中并网逆变器通过孤岛检测算法可以快速有效地,到孤岛现象并及时切换到孤岛运行，实现并网到孤岛的柔性切换。
Description
技术领域
本发明属于分布式发电微网技术领域，具体涉及一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测方法、系统以及微网控制系统。
背景技术
随着环境问题的日益凸显与化石能源的逐渐枯竭，新能源发电受到越来越多的关注。在分布式发电基础上提出的将分布式电源、储能装置、电力电子设备及本地负荷等装置融合而成的一种新的供电方式，即微电网，既可以并网运行，由大电网维持内部电压和频率的稳定；当检测到大电网出现故障时也可转到孤岛运行，电压与频率的稳定变为内部的分布式电源支撑。
微电网存在的最主要的电能质量问题就是电压和频率的偏移问题。基于虚拟同步发电机控制算法的并网逆变器具有电压源的外特性。通过对微网内负荷功率需求和指令功率之间的偏差，以及电压和频率调节环节，可以不断修正有功和无功指令，以满足微电网内有功、无功功率的供需平衡，可有效地降低电压和频率的偏移问题。但若大电网由于故障或自然因素等原因停止供电时，并网运行的分布式电源若不能及时检测出孤岛现象的发生，不能及时调节功率偏差，那么微网内频率和电压将会发生偏移，严重影响电能质量。
无论是计划孤岛还是非计划孤岛，都需有效的检测到孤岛现象的发生。目前，通常采用主动式和被动式的孤岛检测方法，但主动式检测方法对输出电能质量产生影响而被动式检测盲区大。如何在电网故障发生时，快速检测到孤岛现象并切换到孤岛运行，这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。
发明内容
本发明针对被动孤岛检测存在较大检测盲区，传统主动检测算法会对输出电能质量产生影响的问题，提出了一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测方法、系统以及微网控制系统，当主电网因故障等原因而使并网合闸开关跳闸时，并网逆变器可通过基于虚拟同步发电机技术的孤岛检测算法快速有效地检测到孤岛现象并及时切换到孤岛运行，实现并网到孤岛的柔性切换，并且通过调节指令功率与负荷功率需求间的偏差维持微电网内电压和频率的稳定。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测方法，所述方法包括：在并网合闸开关跳闸时，虚拟同步逆变器通过孤岛检测算法检测孤岛的发生，并切换到离网状态进行运行，实现并网到孤岛的无缝切换。
进一步的，在并网时，孤岛检测算法将参考频率和参考电压设置为并网逆变器输出角频率和电压。
进一步的，孤岛检测算法时刻检测逆变器输出频率和电压的偏移差值是否大于预设值，若大于，则检测到非计划孤岛发生，逆变器切换到孤岛状态运行，孤岛检测算法将参考频率和参考电压分别设置为固定值。
进一步的，在非计划孤岛发生后，孤岛内部产生功率缺额，有功功率和无功功率发生变化，根据下垂特性得到有功功率变化和逆变器输出频率之间的关系，进而得到固定的参考频率值；根据下垂特性得到无功功率变化和逆变器输出电压之间的关系，进而得到固定的参考电压值。
进一步的，在孤岛检测算法中引入正反馈，在功率变化接近零时，加入反馈强度系数，加强正反馈作用，使逆变器输出频率和电压快速度发生变化，缩短孤岛检测算法检测到非计划孤岛发生的时间。
另一方面，本发明提供了一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测系统，所述系统包括：VSG控制模块和孤岛检测算法模块，所述VSG控制模块和孤岛检测模块通过控制开关相连；
所述孤岛检测算法模块，用于在并网合闸开关跳闸时，检测孤岛的发生；
所述VSG控制模块，用于在孤岛发生时，切换到离网状态进行运行，实现并网到孤岛的无缝切换。
进一步的，所述孤岛检测算法模块，还用于在并网时，将参考频率和参考电压设置为并网逆变器输出角频率和电压。
进一步的，所述孤岛检测算法模块，具体用于时刻检测逆变器输出频率和电压的偏移差值是否大于预设值，若大于，则检测到非计划孤岛发生，并将参考频率和参考电压分别设置为固定值。
进一步的，所述VSG控制模块，具体用于在非计划孤岛发生后，根据下垂特性得到有功功率变化和逆变器输出频率之间的关系，进而得到固定的参考频率值；根据下垂特性得到无功功率变化和逆变器输出电压之间的关系，进而得到固定的参考电压值。
进一步的，所述孤岛检测算法模块，用于在自身中引入正反馈，在功率变化接近零时，加入反馈强度系数，加强正反馈作用，使逆变器输出频率和电压快速度发生变化，缩短检测到非计划孤岛发生的时间。
再一方面，本发明提供一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测的微网控制系统，其特征在于，所述系统包括电网、至少一个基于虚拟同步发电机的并网逆变器以及多个负载；电网、至少一个基于虚拟同步发电机的并网逆变器以及多个负载之间均通过静态开关电连接；每个所述基于虚拟同步发电机的并网逆变器中都包括所述的VSG控制模块和孤岛检测算法模块。
本发明有益效果：本发明把基于虚拟同步发电机技术的孤岛检测算法加入VSG控制算法，在外部大电网故障时，可以快速检测到孤岛的发生，并切换到孤岛运行，从而可以提高系统供电可靠性并改善电能质量，实现微网运行模式间的柔性切换控制；并且无需加入新的检测算法，且对输出电能质量无影响，可实现无盲区检测，减少检测所需时间。
附图说明
图1为本发明所涉及一种基于虚拟同步发电机技术的逆变器并网运行示意图；
图2为本发明所涉及一种基于虚拟同步发电机技术的并网逆变器控制框图；
图3为本发明涉及的一种基于虚拟同步发电机技术的孤岛检测控制原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1、一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测方法。下面结合图1至图3对本实施例提供的方法进行详细说明。
参见图1至图3，一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测方法，所述方法包括：在并网合闸开关跳闸时，虚拟同步逆变器通过孤岛检测算法检测孤岛的发生，并切换到离网状态进行运行，实现并网到孤岛的无缝切换。
具体的,在并网时，孤岛检测算法将参考频率和参考电压设置为并网逆变器输出角频率和电压。即并网时令参考频率ωn＝ωo和参考电压un＝uo，其中ωo和uo为并网逆变器输出角频率和电压，受电网电压箝位，ωo和uo不会有较大波动。
孤岛检测算法时刻检测逆变器输出频率和电压的偏移差值是否大于预设值，若大于，则检测到非计划孤岛发生，逆变器切换到孤岛状态运行，孤岛检测算法将参考频率和参考电压分别设置为固定值。
在非计划孤岛发生后，孤岛内部产生功率缺额，有功功率和无功功率发生变化，根据下垂特性得到有功功率变化和逆变器输出频率之间的关系，进而得到固定的参考频率值；根据下垂特性得到无功功率变化和逆变器输出电压之间的关系，进而得到固定的参考电压值。
具体的，根据IEEE Std.1547对孤岛效应最大检测时间的限制，取电压正常工作的范围为：0.88Vn<V<1.1Vn；频率正常工作的范围为：fn-0.7<f<fn+0.5；当非计划孤岛发生时，由于电网失电，即电网不再向孤岛供入能量，从而使孤岛内部产生功率缺额。由同步发电机的下垂特性可知，其输出电压的幅值和频率随着负载无功和有功功率的变化而变化，当逆变器输出端电压对频率和电压的箝位作用消失，此时逆变器输出频率和电压会向某一方向偏移，当频率或电压偏移超过预设值时，检测到孤岛现象发生；当要进行主动孤岛运行，即计划性孤岛运行时，同步逆变器不再采用ωo和uo作为参考频率和参考电压，而是将置为一个固定值，来保证系统频率稳定。
由能量守恒定理，可以得到并网逆变器与电网公共耦合点处功率流满足：
P和Q分别为变器提供给本地负载的有功功率和无功功率；PLoad和QLoad分别本地负载所需求的有功功率和无功功率；ΔP和ΔQ不匹配的有功功率和无功功率。
结合频率-有功下垂特性和电压-无功下垂特性，我们可以的到电网失电后有功变化ΔP和无功变化ΔQ对逆变器输出端电压幅值和角频率的影响；如下式所示：
由上式我们可以得到，频率和电压的变化与有功、无功的变化都有关系，因此则分为三种情况：
1)无功功率不变，有功变化；由频率-有功下垂特性，我们可以得到：
2)有功功率不变，无功发生变化；由电压-无功下垂特性，我们可以得到：
3)有功、无功均变化，需要依据各自的变化幅度来决定。
优化的，在孤岛检测算法中引入正反馈，在功率变化接近零时，加入反馈强度系数，加强正反馈作用，使逆变器输出频率和电压快速度发生变化，缩短孤岛检测算法检测到非计划孤岛发生的时间。
具体的，当功率变化接近零时，系统输出电压角频率不能快速发生变化，为此在基于虚拟同步发电机技术的孤岛检测方法上加入正反馈，引入反馈系数来改变输出电压和角频率的响应速度。反馈强度系数k1、k2能改变输出电压和角频率的反馈强度；从而得到逆变器输出电压角频率和电压表达式如下：
为加强其正反馈作用，缩短检测时间，我们必须令ki>0(i＝1,2)，可以看出，ki越大，其检测速度越快，但受控制器响应速度的影响，检测时间不可能无限快；且过大的ki值，会在正常并网运行时由于电网电压的波动及检测信号的误差引入较大的偏差，不利于系统的稳定。因此，ki值需根据具体情况设定。
实施例2、一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测系统。下面结合图1至图3对本实施例提供的系统进行详细说明。
参见图1至图3，一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测系统，所述系统包括：VSG控制模块和孤岛检测算法模块，所述VSG控制模块和孤岛检测模块通过控制开关相连。
所述孤岛检测算法模块，用于在并网合闸开关跳闸时，检测孤岛的发生。
所述孤岛检测算法模块，具体用于时刻检测逆变器输出频率和电压的偏移差值是否大于预设值，若大于，则检测到非计划孤岛发生，并将参考频率和参考电压分别设置为固定值。
所述VSG控制模块，用于在孤岛发生时，切换到离网状态进行运行，实现并网到孤岛的无缝切换。
所述VSG控制模块，具体用于在非计划孤岛发生后，根据下垂特性得到有功功率变化和逆变器输出频率之间的关系，进而得到固定的参考频率值；根据下垂特性得到无功功率变化和逆变器输出电压之间的关系，进而得到固定的参考电压值。
所述孤岛检测算法模块，还用于在并网时，将参考频率和参考电压设置为并网逆变器输出角频率和电压。
所述孤岛检测算法模块，用于在自身中引入正反馈，在功率变化接近零时，加入反馈强度系数，加强正反馈作用，使逆变器输出频率和电压快速度发生变化，缩短检测到非计划孤岛发生的时间。
实施例3、一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测系统。下面结合图1至图3对本实施例提供的系统进行详细说明。
一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测的微网控制系统，所述系统包括电网、至少一个基于虚拟同步发电机的并网逆变器以及多个负载；电网、至少一个基于虚拟同步发电机的并网逆变器以及多个负载之间均通过静态开关电连接。每个所述基于虚拟同步发电机的并网逆变器中都包括所述的VSG控制模块和孤岛检测算法模块。
具体的，基于虚拟同步发电机技术的分布式电源带本地负载并网运行，如图1所示，其主要由静态开关(static transfer switch，STS)、基于虚拟同步发电机的并网逆变器以及用电负载等组成，图中，分布式电源DG1和DG2通过各自的并网逆变器接入到微电网380V交流母线上，微电网通过公共耦合点(PCC)的STS3与配电网380V馈线相连。当STS3闭合时，微电网系统并网运行，由于同步逆变器具有同步发电机的特性，因此DG1和DG2可以主动为配电网提供必要的电压和频率支撑。当检测到大电网发生故障时，STS3断开，微电网系统孤岛运行，分布式电源DG1和DG2通过并网逆变器共同为本地负荷提供稳定的电压和频率支撑。
综上，本发明的一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测方法、系统以及微网控制系统，利用同步发电机的下垂特性，在并网运行时，将逆变器输出角频率和电压作为VSG算法的参考值；当非计划孤岛发生时，采用孤岛检测检测到孤岛现象并给出控制信号切换到孤岛运行，并将参考频率及参考电压设置为固定值，来保证系统频率稳定，并在孤岛检测方法中引入正反馈来加快检测速度，减小检测盲区；本发明中并网逆变器通过孤岛检测算法可以快速有效地,到孤岛现象并及时切换到孤岛运行，实现并网到孤岛的柔性切换。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测方法，其特征在于，在并网合闸开关跳闸时，并网逆变器通过虚拟同步发电机的下垂特性来检测孤岛现象的发生，并切换到离网状态进行运行，实现并网到孤岛的无缝切换。
2.如权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测方法，其特征在于，在并网时，将参考频率和参考电压设置为并网逆变器输出角频率和电压；时刻检测逆变器输出频率和电压的偏移差值是否大于预设值，若大于，则检测到非计划孤岛发生，逆变器切换到孤岛状态运行，将参考频率和参考电压分别设置为固定值。
3.如权利要求2所述的一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测方法，其特征在于，在非计划孤岛发生后，孤岛内部产生功率缺额，有功功率和无功功率发生变化，根据下垂特性得到有功功率变化和逆变器输出频率之间的关系，进而得到固定的参考频率值；根据下垂特性得到无功功率变化和逆变器输出电压之间的关系，进而得到固定的参考电压值。
4.如权利要求3所述的一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测方法，其特征在于，还包括在孤岛检测算法中引入正反馈，在功率变化接近零时，加入反馈强度系数，加强正反馈作用，使逆变器输出频率和电压快速度发生变化，缩短孤岛检测算法检测到非计划孤岛发生的时间。
5.一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测系统，其特征在于，所述系统包括：VSG控制模块和孤岛检测算法模块，所述VSG控制模块和孤岛检测模块通过控制开关相连；
所述孤岛检测算法模块，用于在并网合闸开关跳闸时，检测孤岛的发生；
所述VSG控制模块，用于在孤岛发生时，切换到离网状态进行运行，实现并网到孤岛的无缝切换。
6.如权利要求5所述的一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测系统，其特征在于，所述孤岛检测算法模块，具体用于在并网时，将参考频率和参考电压设置为并网逆变器输出角频率和电压，并时刻检测逆变器输出频率和电压的偏移差值是否大于预设值，若大于，则检测到非计划孤岛发生，并将参考频率和参考电压分别设置为固定值。
7.如权利要求5所述的一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测系统，其特征在于，所述VSG控制模块，具体用于在非计划孤岛发生后，根据下垂特性得到有功功率变化和逆变器输出频率之间的关系，进而得到固定的参考频率值；根据下垂特性得到无功功率变化和逆变器输出电压之间的关系，进而得到固定的参考电压值。
8.如权利要求5所述的一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测系统，其特征在于，所述孤岛检测算法模块，用于在自身中引入正反馈，在功率变化接近零时，加入反馈强度系数，加强正反馈作用，使逆变器输出频率和电压快速度发生变化，缩短检测到非计划孤岛发生的时间。
9.一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测的微网控制系统，其特征在于，所述系统包括电网、至少一个基于虚拟同步发电机的并网逆变器以及多个负载；电网、至少一个基于虚拟同步发电机的并网逆变器以及多个负载之间均通过静态开关电连接；
每个所述基于虚拟同步发电机的并网逆变器中都包括如权利要求5至9任一项所述的VSG控制模块和孤岛检测算法模块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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