CN107612026B - 一种基于多频段谐波电压与频率的孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多频段谐波电压与频率的孤岛检测方法，属于光伏发电系统技术领域。本发明在孤岛后谐波电压升高和频率发生一定的偏移二者均满足动作条件时判出孤岛。本发明能够避免误判，而且因结合了谐波电压，频率判据不易误判，可以设定相对较小的频率动作阈值，从而提升灵敏度，缩小检测盲区，避免了过\欠频检测及谐波类检测方法单独使用时存在的问题。

Description

一种基于多频段谐波电压与频率的孤岛检测方法

技术领域

本发明属于光伏发电系统技术领域，更准确地说本发明涉及一种基于多频段谐波电压与频率的孤岛检测方法。

背景技术

孤岛效应是指并网运行的光伏发电系统因电网故障或检修而与电网断开，形成一个光伏发电系统自给向负载供电的孤岛，如图1所示。孤岛的发生会带来一系列危害，若孤岛系统没有电压和频率的调节能力，孤岛系统中的电压和频率可能会发生较大的波动，对设备造成损坏；孤岛系统重新接入电网时，光伏发电系统的发电装置可能与电网不同步，可能产生很高的冲击电流，损害断路器和发电装置，甚至导致电网重新跳闸；孤岛发生后，备自投不能正确动作，可能导致小面积停电事故，影响部分地区供电可靠性和安全性；孤岛效应使得一些被认为与所有电源断开的线路带电，这给相关人员带来触电的危险。因此光伏发电系统应具备良好的孤岛检测能力，以安全可靠地输送高质量的电能。

常见的孤岛检测方法中，过\欠频、过\欠压孤岛检测方法检测盲区较大，无法及时有效地检测出孤岛，当主电网跳闸时，光伏发电系统的非计划运行可能会对用户以及配电设备造成严重损害，此外，系统低频时，防孤岛过\欠频判据容易误动切除光伏，此时电网最需要电源的功率支撑，大量采用此种判据的防孤岛装置误动使电网雪上加霜，甚至导致大面积停电事故；谐波类孤岛检测方法检测盲区小，但随着电力电子设备在电力系统中的应用越来越广泛，以及电网中的非线性负荷，导致电网中谐波污染较大，不能忽视电网背景谐波的存在，这会使谐波类孤岛检测方法误动，随着光伏并网容量的大规模增加，并网光伏发电系统脱网问题对电网的安全稳定运行产生较大威胁，应尽量避免孤岛检测方法误动切除光伏发电系统。

发明内容

本发明的目的是针对上述背景技术中所提到的孤岛效应的危害和过\欠频孤岛检测方法以及谐波类孤岛检测方法存在的问题，提出一种基于多频段谐波电压与频率的孤岛检测方法。

具体地说，本发明具体采用以下技术方案，包括以下步骤：

1)设逆变器开关频率为f_C，调制频率f_S为50Hz，采集计算并网点5、7、11、13次谐波电压及f_C±2f_S特定频率处谐波电压和电网频率f的值，其中谐波的测量采用17920-38400Hz高速变频跟踪采样；

2)按以下公式计算谐波电压的变化率：

其中，集合

其元素分别对应并网点5、7、11、13次谐波及f_C-2f_S和f_C+2f_S特定频率处谐波，i为集合A中的第i个元素的序号，U_i为当前时刻第i个特定次数谐波电压或特定频率处谐波电压，U_{i_t秒前}为t秒前第i个特定次数谐波电压或特定频率处谐波电压，若任一dU_i/dt大于设定的阈值，且持续时间大于T_qd，则谐波突变启动；

3)谐波突变启动后，计算A中所有元素对应的特定次数谐波电压或特定频率处谐波电压在谐波突变启动前后的变化倍数：

其中，U_{i_qd前}为谐波突变启动前第i个特定次数或特定频率的谐波电压，U₁为谐波突变启动前基波电压，ε为谐波电压含有率的测量精度；K_i为第i个特定次数谐波电压或特定频率处谐波电压在谐波突变启动前后的变化倍数；

判断算得的各K_i是否超出变化倍数的设定阈值，并将超出的个数记为N：

N＝card{K_i|K_i≥K_i__set,i∈A}

其中，K_{i_set}为第i个特定次数谐波或特定频率处谐波电压的变化倍数的设定阈值；

如N为0，则结束孤岛判断，否则根据N选择相应的频率偏移阈值Δf：

其中，Δf₁＜Δf₂＜Δf₃；

4)如频率偏移量|f-50|大于选取的阈值Δf，即|f-50|＞Δf，且满足持续时间T_dz，则判断孤岛发生。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤1)中，若谐波含量小于某一设定值，采用过零点算法测频，大于此设定值则采用傅里叶算法测频。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤3)中，谐波电压含有率的测量精度ε为0.2％。

上述技术方案的进一步特征在于，t的取值为0.06秒至0.2秒，T_qd为0.06秒至0.1秒，T_dz为0.5秒至1秒。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明方法属于被动式孤岛检测方法，没有在光伏发电系统中加入扰动信号，从而不影响光伏发电系统的电能质量，不具有破坏性；

(2)本发明谐波测量采用高速变频跟踪采用，保障了测量的速度和精度，频率的测量在谐波含量较低时采用受电压波动影响小的过零点算法，谐波含量大时采用受谐波影响小的傅里叶算法，保障测频的精度。

(3)本发明结合多频段特定次谐波电压和频率的变化，不易误判，且因结合了谐波电压，频率判据不易误判，可以设定相对较小的频率动作阈值，从而提升灵敏度，缩小检测盲区。

(4)本发明原理简单，不破坏电能质量，检测盲区较小，且不易误判，具有良好的工程实用性。

附图说明

图1为光伏发电系统孤岛效应示意图；

图2为孤岛效应保护逻辑图；

图3为孤岛前后并网点5次谐波电压波形图；

图4为孤岛前后并网点7次谐波电压波形图；

图5为孤岛前后频率波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

本实施例结合谐波电压与频率在孤岛前后的变化构成孤岛检测方法，其孤岛保护的实现逻辑如图2所示，即孤岛后谐波电压升高和频率发生一定的偏移二者均满足动作条件时判出孤岛。由于电网背景谐波较大时频率并未改变，从而避免误判。而且因结合了谐波电压，频率判据不易误判，可以设定相对较小的频率动作阈值，从而提升灵敏度，缩小检测盲区，避免了过\欠频检测及谐波类检测方法单独使用时存在的问题。具体步骤如下：

步骤1：设逆变器开关频率为f_C，调制频率f_S为50Hz，采集计算并网点5、7、11、13次谐波电压及f_C±2f_S特定频率处谐波电压和电网频率f的值，谐波的测量采用17920-38400Hz高速变频跟踪采样，保障测量的速度和精度，若谐波含量较小时(如谐波含量小于20％)可采用受电压波动影响小的过零点算法测频，较大时(如谐波含量不小于20％)可采用受谐波影响小的傅里叶算法测频，保障测频的精度。

步骤2：分别计算谐波电压的变化率：

其中，集合

其元素分别对应并网点5、7、11、13次谐波及f_C-2f_S和f_C+2f_S特定频率处谐波，i为集合A中的第i个元素的序号，U_i为当前时刻第i个特定次数谐波电压或特定频率处谐波电压，U_{i_t秒前}为t秒前第i个特定次数谐波电压或特定频率处谐波电压，t的取值为0.06秒至0.2秒，若任一dU_i/dt大于设定的阈值，且持续时间大于T_qd，则谐波突变启动；该设定的阈值表明谐波电压的变化快慢的关注程度，具体可根据工程实际情况进行整定；T_qd一般为3至5个周波，即0.06秒至0.1秒，如可取0.06秒。

步骤3：谐波突变启动后，计算A中所有元素对应的特定次数谐波电压或特定频率处谐波电压在谐波突变启动前后的变化倍数：

其中，U_{i_qd前}为谐波突变启动前第i个特定次数或特定频率的谐波电压，U₁为谐波突变启动前基波电压，ε为谐波电压含有率的测量精度，可取0.2％；K_i为第i个特定次数谐波电压或特定频率处谐波电压在谐波突变启动前后的变化倍数；

判断算得的各K_i是否超出变化倍数的设定阈值，并将超出的个数记为N，即：

N＝card{K_i|K_i≥K_{i_set},i∈A}

其中，K_{i_set}为第i个特定次数谐波或特定频率处谐波电压的变化倍数的设定阈值；

如N为0，则结束孤岛判断，否则根据N选择相应的频率偏移阈值Δf：

其中，Δf₁＜Δf₂＜Δf₃，表明对频率偏移的容忍程度，具体可根据工程实际情况进行整定。通过上述选择，使得谐波电压变化倍数达到动作条件的数量多时，相应的频率偏移阈值较小，在满足检测速度的同时避免误判。

步骤4：如频率偏移量|f-50|大于选取的阈值Δf，即|f-50|＞Δf，且满足持续时间T_dz，则判断孤岛发生。T_dz一般为0.5秒至1秒，如可取0.5秒。

下面给出一个具体的仿真示例，仿真示例中采用的数值仅为举例。在PSCAD中搭建光伏并网仿真模型，逆变模块选取IGBT三相全桥逆变电路，输出电压为315V，实际输出功率为36MW，经升压变压器将电压等级升至35kV馈送至电网，本地负载采用三角形接法的RLC并联电路，在逆变器输出功率和本地负载容量平衡时发生孤岛。

孤岛在1秒时刻发生，孤岛发生时电网与光伏发电系统交换的功率很小，图3为孤岛前后并网点5次谐波电压波形图，图4为孤岛前后并网点7次谐波电压波形图，由图可知，谐波电压上升很快，谐波电压变化率足以超出阈值，且满足持续时间0.06秒，孤岛检测判据启动，5、7次谐波电压的变化倍数超过2倍。同时，图5中频率超过50.1赫兹，且满足持续时间0.5秒，成功检测出孤岛。

图3、图4、图5表明本实施例能不破坏电能质量的前提下，可快速有效的检测出孤岛，结合谐波电压和频率两种变化，不易误判，具有良好的工程实用性。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (4)

1.一种基于多频段谐波电压与频率的孤岛检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设逆变器开关频率为f_C，调制频率f_S为50Hz，采集计算并网点5、7、11、13次谐波电压及f_C±2f_S特定频率处谐波电压和电网频率f的值，其中谐波的测量采用17920-38400Hz高速变频跟踪采样；

2)按以下公式计算谐波电压的变化率：

其中，集合

其元素分别对应并网点5、7、11、13次谐波及f_C-2f_S和f_C+2f_S特定频率处谐波，i为集合A中的第i个元素的序号，U_i为当前时刻第i个特定次数谐波电压或特定频率处谐波电压，U_{i_t秒前}为t秒前第i个特定次数谐波电压或特定频率处谐波电压，若任一dU_i/dt大于设定的阈值，且持续时间大于T_qd，则谐波突变启动；

3)谐波突变启动后，计算A中所有元素对应的特定次数谐波电压或特定频率处谐波电压在谐波突变启动前后的变化倍数：

其中，U_{i_qd前}为谐波突变启动前第i个特定次数或特定频率的谐波电压，U₁为谐波突变启动前基波电压，ε为谐波电压含有率的测量精度；K_i为第i个特定次数谐波电压或特定频率处谐波电压在谐波突变启动前后的变化倍数；

判断算得的各K_i是否超出变化倍数的设定阈值，并将超出的个数记为N：

N＝card{K_i|K_i≥K_{i_set},i∈A}

其中，K_{i_set}为第i个特定次数谐波或特定频率处谐波电压的变化倍数的设定阈值；

如N为0，则结束孤岛判断，否则根据N选择相应的频率偏移阈值Δf：

其中，Δf₁＜Δf₂＜Δf₃；

4)如频率偏移量|f-50|大于选取的阈值Δf，即|f-50|＞Δf，且满足持续时间T_dz，则判断孤岛发生。

2.根据权利要求1所述的基于多频段谐波电压与频率的孤岛检测方法，其特征在于，所述步骤1)中，若谐波含量小于某一设定值，采用过零点算法测频，大于此设定值则采用傅里叶算法测频。

3.根据权利要求1所述的基于多频段谐波电压与频率的孤岛检测方法，其特征在于，所述步骤3)中，谐波电压含有率的测量精度ε为0.2％。

4.根据权利要求1所述的基于多频段谐波电压与频率的孤岛检测方法，其特征在于，t的取值为0.06秒至0.2秒，T_qd为0.06秒至0.1秒，T_dz为0.5秒至1秒。

Images