CN107436387A - 基于谐波阻抗序分量的光伏并网的孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于谐波阻抗序分量的光伏并网的孤岛检测方法，当孤岛故障发生时，由于失去了电网支撑分布式并网系统单独向本独负荷供电，谐波电流将流入阻抗较大的本地负载中，此时谐波阻抗序分量发生突变。本发明可通过快速傅里叶变换(FFT)提取出特征频率(100Hz、200Hz)序阻抗信号，快速有效地检测到孤岛故障的发生。并设立相应的整定值，当有一路或多路信号超过门槛值时，即可认为此时处于孤岛状态。本发明能在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。本发明对采样频率要求低，易于硬件实现，且对逆变器输出的电能质量及系统的暂态响应都不会产生影响。

Description

基于谐波阻抗序分量的光伏并网的孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及分布式电源并网技术领域，具体涉及一种基于谐波阻抗序分量的光伏并网的孤岛检测方法。

背景技术

孤岛效应是分布式电源供电系统中的一种特殊的故障状态，它是指当电网由于电气故障、误操作等原因导致供电中断时或者停电维修而跳闸时，并网发电系统未能检测出停电状态并脱离电网，持续向电网供电，使并网发电系统和周围的负载组成了一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。孤岛发生后，会对电力维修人员的安全和用电设备造成危害。因此，逆变器直接并网时，除了应具有基本的保护功能外，还应具备反孤岛效应的特殊功能。从用电安全与电能质量考虑，孤岛效应是不允许出现的。孤岛发生时必须快速、准确地切除并网逆变器，由此引出了对于孤岛效应进行检测控制研究。

目前，国内、外学者提出了许多种不同的孤岛检测方法，根据孤岛检测地点、基本工作原理，可将孤岛检测方法进行分类。从检测地点分类，反孤岛检测可分为远程检测(检测在电网侧)和本地检测(检测在逆变器侧)。

远程检测利用通讯、电力载波等方法，在电网侧对孤岛状态进行检测，该方法能够减小检测盲区，但设计复杂，未能得到广泛应用。

本地检测又分无源检测和有源检测。无源检测(也称被动检测)根据测量的电压、电流信号，判断其幅值、相位、频率是否超过检测阈值，检测孤岛效应，这种被动式孤岛检测方法存在相对较大的检测盲区；有源检测(也称主动检测)是在逆变器的控制信号中，加入很小的电压、频率、相位扰动信号，通过检测系统响应检测孤岛。这种主动式的孤岛检测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分布式电源并网技术中孤岛检测方法所存在的问题，本发明提出了一种基于谐波阻抗序分量的孤岛检测方法。本发明所提的孤岛检测方法能够快速有效地检测出孤岛效应，且不影响分布式电网系统的电能质量及暂态过程。

为达到上述快速有效地检测出孤岛效应目的，本发明的技术方案如下，具体包括以下步骤：

步骤1：当孤岛故障发生前后公共连接点谐波阻抗序分量发生变化，针对此现象，可将特征频率阻抗(2、4次谐波)均进行监测。

步骤2：根据二次谐波的正序阻抗变化量ΔZ₂ ⁽¹⁾、负序阻抗变化量ΔZ₂ ⁽²⁾的绝对值，四次谐波的正序阻抗变化量ΔZ₄ ⁽¹⁾、负序阻抗变化量ΔZ₄ ⁽²⁾的绝对值，并设立相应的整定值，当有一路或多路信号超过门槛值时，即可认为此时处于孤岛状态。

计算谐波阻抗的滑动数据窗的长度为20毫秒。

整定值的计算公式为：

|ΔZ₂ ⁽¹⁾|>Z_set1＝0.2Ω

|ΔZ₂ ⁽²⁾|>Z_set2＝0.2Ω

|ΔZ₄ ⁽¹⁾|>Z_set3＝0.2Ω

|ΔZ₄ ⁽²⁾|>Z_set4＝0.5Ω

式中：

ΔZ₂ ⁽¹⁾为2次谐波的正序阻抗的变化量；

ΔZ₂ ⁽²⁾为2次谐波的负序阻抗的变化量；

ΔZ₄ ⁽¹⁾为4次谐波的正序阻抗的变化量；

ΔZ₄ ⁽²⁾为4次谐波的负序阻抗的变化量；

Z_set1为2次谐波的正序阻抗的整定值；

Z_set2为2次谐波的负序阻抗的整定值；

Z_set3为4次谐波的正序阻抗的整定值；

Z_set4为4次谐波的负序阻抗的整定值。

与现有的孤岛检测技术相比，本发明主要具有以下优点：

(1)根据IEEE Std.1547.1标准中所定义的孤岛最严重的情况，本发明能够快速有效地检测出孤岛效应；而且不会对并网逆变器输出的电能质量及系统的暂态响应造成不良影响。

(2)本发明适用于单相断路、两相断路以及三相断路的孤岛检测情况；

(3)本发明所需采样率低，易于硬件实现。

本发明所提的孤岛检测方法原理简单，能够在孤岛最严重的情况下以及各种断路故障的情况下，快速有效地检测出孤岛状态，其适用范围较广。

附图说明

图1为分布式发电系统的孤岛效应示意图；

图2为反孤岛策略动作逻辑图；

图3为500kW并网光伏发电系统仿真模型主电路；

图4为单PV并网发电系统运行参数图；

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2次、4 次谐波正、负序阻抗分量波形图；

图5(a)为100Hz(2次谐波)A相正、负序谐波阻抗波形图；

图5(b)为200Hz(4次谐波)A相正、负序谐波阻抗波形图；

图6为单相断路故障情况下，应用本发明的孤岛检测2次、4次谐波正、负序阻抗分量波形图；

图6(a)为100Hz(2次谐波)A相正、负序谐波阻抗波形图；

图6(b)为200Hz(4次谐波)A相正、负序谐波阻抗波形图；

图7为两相断路故障情况下，应用本发明的孤岛检测2次、4次谐波正、负序阻抗分量波形图；

图7(a)为100Hz(2次谐波)A相正、负序谐波阻抗波形图；

图7(b)为200Hz(4次谐波)A相正、负序谐波阻抗波形图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

对于一个完整的电力系统而言，无论处于何种运行状态，均可用序网络将其等效。由于光伏逆变器侧以及主电网侧阻抗序分量不相等，使得利用谐波阻抗序分量构建的孤岛检测方法成为可能。当并网逆变器处于并网运行状态时，电网可以看作是一个容量很大的电压源，由于电压等电位，PCC电位与主网侧相同，谐波电流流入阻抗较小的电网中，此时电压畸变程度趋近于零。而当孤岛故障发生时，由于失去了电网支撑DG系统单独向本独负荷供电，谐波电流将流入阻抗较大的本地负载中，此时谐波阻抗序分量发生突变，可通过快速傅里叶变换(FFT)提取出特征频率(100Hz、200Hz)阻抗信号，快速有效地检测到孤岛故障的发生。而谐波的产生是由于逆变器本身的作用，与电网侧的功率缺额量无关，所以此方法可以完全克服传统被动式检测方法存在非检测区的缺陷。

具体步骤如下：

首先，针对孤岛故障发生前后公共连接点谐波阻抗序分量发生变化，此现象，可将特征频率阻抗(2、4次谐波)均进行监测。

其次，根据二次谐波的正序阻抗变化量ΔZ₂ ⁽¹⁾、负序阻抗变化量ΔZ₂ ⁽²⁾的绝对值，四次谐波的正序阻抗变化量ΔZ₄ ⁽¹⁾、负序阻抗变化量ΔZ₄ ⁽²⁾的绝对值，并设立相应的整定值，当有一路或多路信号超过门槛值时，即可认为此时处于孤岛状态。设定的整定值Z_set1、Z_et2、Z_set3、Z_set4分别取为0.2Ω、0.2Ω、0.2Ω、0.5Ω。

根据突变量的绝对值|ΔZ₂ ⁽¹⁾|、|ΔZ₂ ⁽²⁾|、|ΔZ₄ ⁽¹⁾|、|ΔZ₄ ⁽²⁾|的大小判断是否发生孤岛，判据如下：

(1)当|ΔZ₂ ⁽¹⁾|、|ΔZ₂ ⁽²⁾|、|ΔZ₄ ⁽¹⁾|、|ΔZ₄ ⁽²⁾|分别小于等于整定值 Z_set1、Z_et2、Z_set3、Z_set4时，则未发生孤岛；

(2)当|ΔZ₂ ⁽¹⁾|>Z_set1或|ΔZ₂ ⁽²⁾|>Z_set2或|ΔZ₄ ⁽¹⁾|>Z_set3或|ΔZ₄ ⁽²⁾|>Z_set4且持续了一段时间时，则孤岛发生。

参照图1、图2，500kW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分别给出光伏并网逆变器输出电压(kV)、输出电流(kA)的输出波形。由图4可知，在正常并网运行及孤岛运行时，系统运行参数基本没有发生改变，说明此时孤岛处于最严重的状态。将PSCAD进行的电力系统仿真数据导入Matlab进行数据处理，本文仿真时选择100Hz、200Hz的特征频率电压信号，应用本节提出的检测方法进行检测，其中系统运行时间为1.2 秒，采样时间为0.2秒(0.9～1.1s)，孤岛发生于t＝1s时刻，持续时间0.1s。滑动数据窗为20毫秒，采样频率为4.8kHz。由于正、负序分量完全对称，本节仅给出了A相正、负序阻抗故障分量波形。

图5为三相断路情况下，应用本节提出的孤岛检测方法测得的各特征量波形图：图(a)为100Hz A相正、负序阻抗故障分量波形图：图(b)为200Hz A相正、负序阻抗故障分量波形图。在并网运行时，各次谐波阻抗正负序故障分量基本为0，当孤岛故障发生时(采样点数为480)，各次谐波正负序故障分量没有发生变化，经过两个周波(40毫秒，采样点数为672)后，谐波阻抗故障分量逐渐发生变化，其中100Hz阻抗正序故障分量虽有改变，但序阻抗故障分量小于整定值，100Hz负序阻抗故障分量大于整定值。200Hz电压正、负序故障分量中正序、负序分量均大于整定值，与设定的条件一致，孤岛检测成功。

图6为单相断路情况下，应用本节提出的孤岛检测方法测得的各特征量波形图：图(a)为100Hz A相正、负序阻抗故障分量波形图：图(b)为200Hz A相阻抗正、负序故障分量波形图。在并网运行时，各次谐波阻抗正负序故障分量基本为0，当孤岛故障发生时(采样点数为480)，各次谐波正、负序故障分量没有发生变化，经过两个周波(40毫秒，采样点数为672)后，谐波阻抗故障分量逐渐发生变化，其中100Hz阻抗正序故障分量虽有改变，但故障分量小于整定值，100Hz阻抗负序故障分量大于整定值。200Hz电压正负序故障分量中正序、负序分量均大于整定值，与设定的条件一致，孤岛检测成功。

图7为两相断路情况下，应用本节提出的孤岛检测方法测得的各特征量波形图：图(a)为100Hz A相阻抗正负序故障分量波形图：图(b)为200Hz A相阻抗正负序故障分量波形图。在并网运行时，各次谐波阻抗正负序故障分量基本为0，当孤岛故障发生时(采样点数为480)，各次谐波正负序故障分量没有发生变化，经过两个周波(40毫秒，采样点数为672)后，谐波阻抗故障分量逐渐发生变化，其中100Hz阻抗正序故障分量虽有改变，但故障分量小于整定值，100Hz阻抗负序故障分量大于整定值。200Hz电压正负序故障分量中正序、负序分量均大于整定值，与设定的条件一致，孤岛检测成功。

图5、图6、图7表明所提出得一种利用谐波阻抗序分量检测孤岛效应的方法，该方法通过对100Hz、200Hz的特征频率阻抗信号在正常并网运行和孤岛运行时所表现的差异进行监测，从而实现孤岛故障的检测。仿真结果表明：该方法能在不对电能质量产生影响的前提下，快速并且有效地检测出孤岛故障，在并网开关单相以及两相断开情况下依然可以进行判别，可实现孤岛故障的无盲区检测。

该方法原理简单，能够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，可实现孤岛故障的无盲区检测。该方法所需采样率低，易于硬件实现，适用范围较广。

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.基于谐波阻抗序分量的孤岛检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：当孤岛故障发生前后公共连接点谐波阻抗序分量发生变化，针对此现象，可将特征频率阻抗(2、4次谐波)均进行监测；

步骤2：根据二次谐波的正序阻抗变化量ΔZ₂ ⁽¹⁾、负序阻抗变化量ΔZ₂ ⁽²⁾的绝对值，四次谐波的正序阻抗变化量ΔZ₄ ⁽¹⁾、负序阻抗变化量ΔZ₄ ⁽²⁾的绝对值，并设立相应的整定值，当有一路或多路信号超过门槛值时，即可认为此时处于孤岛状态。

2.根据权利要求1所述的基于谐波阻抗序分量的孤岛检测方法，其特征在于，计算谐波阻抗的滑动数据窗的长度为20—60毫秒。

3.根据权利要求1所述的基于谐波阻抗序分量的孤岛检测方法，其特征在于，所述整定值的计算公式为：

|ΔZ₂ ⁽¹⁾|＞Z_set1＝0.2Ω

|ΔZ₂ ⁽²⁾|＞Z_set2＝0.2Ω

|ΔZ₄ ⁽¹⁾|＞Z_set3＝0.2Ω

|ΔZ₄ ⁽²⁾|＞Z_set4＝0.5Ω

其中：

式中ΔZ₂ ⁽¹⁾为2次谐波的正序阻抗的变化量；

ΔZ₂ ⁽²⁾为2次谐波的负序阻抗的变化量；

ΔZ₄ ⁽¹⁾为4次谐波的正序阻抗的变化量；

ΔZ₄ ⁽²⁾为4次谐波的负序阻抗的变化量；

Z_set1为2次谐波的正序阻抗的整定值；

Z_set2为2次谐波的负序阻抗的整定值；

Z_set3为4次谐波的正序阻抗的整定值；

Z_set4为4次谐波的负序阻抗的整定值。