CN107658898A - 一种光伏发电场站级防孤岛保护方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光伏发电场站级防孤岛保护方法及系统，所述方法包括在光伏发电场的并网点母线频率超过防孤岛保护范围时，断开光伏发电场内所有逆变器；在光伏发电场的并网点母线频率未超过预设的防孤岛保护范围时，通过比较相邻两个频率周期内并网点母线频率的变化量及其阈值，确定光伏发电场内形成孤岛的可能性；在确定存在形成孤岛的可能时，比较并网点母线频率与工频，并根据比较结果确定相应的预设控制策略对所有逆变器输出的无功功率进行调整，直至并网点母线频率超过防孤岛保护范围。与现有技术相比，本发明提供的一种光伏发电场站级防孤岛保护方法及系统，适用于包括多台逆变器的防孤岛保护，不存在监测盲区、可靠性高。

Description

一种光伏发电场站级防孤岛保护方法及系统
技术领域
本发明涉及主动式防孤岛技术领域，具体涉及一种光伏发电场站级防孤岛保护方法及系统。
背景技术
孤岛现象是指包含负荷和电源的部分电网，从主网脱离后继续孤立运行的状态。孤岛可分为非计划性孤岛和计划性孤岛。其中，计划孤岛运行可以有效发挥分布式电源的积极作用，减少因停电而带来的损失，提高供电质量和可靠性。非计划孤岛主要是因故障跳闸等偶然因素所形成的孤岛，非计划孤岛运行可能会对用户及设备造成严重的危害，因此必须能够在短时间内检测到孤岛运行状态，并在规定时间内将电源切除。
目前光伏电站的防孤岛保护方法主要是本地孤岛检测方法：并网逆变器通过检测出口电压和电流信号是否超过预定的阈值来判断电力系统是否发生孤岛，在判别出孤岛状态后就将并网逆变器退出运行。孤岛判别方法主要包括被动式防孤岛方法和主动式防孤岛方法，其中，
1、被动式防孤岛方法
动式防孤岛方法是通过检测公共点的电压或者频率异常来进行孤岛检测，主要包括基于有功功率不平衡的过/欠电压孤岛检测法、基于无功功率不平衡的过/欠频率孤岛检测法、基于相位跳变孤岛检测法和基于电压谐波孤岛检测法，但是在孤岛状态下若光伏发电和负荷功率失配量较小时，公共点参数变化小，动式防孤岛方法将失效，所以动式防孤岛方法存在检测盲区，必须结合其他检测方法。
2、主动式防孤岛方法
主动式孤岛检测方法是通过向电力系统注入扰动信号，破坏功率平衡，使得电网参数达到触发水平，以此实现孤岛检测。一般主要有电压幅值偏移到一定数值激发孤岛保护、频率偏移到一定数值激发孤岛保护和估计电网阻抗值间接判断孤岛状态，相应地，孤岛检测方法主要包括电压偏移法、频率偏移法、阻抗估算法。但是主动式孤岛检测方法会对电网电能质量和暂态响应产生不利影响。
同时，上述被动式防孤岛方法和主动式防孤岛方法仅适用于单台逆变器并网时进行孤岛检测，应用于包含多台逆变器的光伏发电场时检测效果明显下降，有可能不能正常检测出孤岛或者在正常情况下出现误动作。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种光伏发电场站级防孤岛保护方法及系统。
第一方面，本发明中一种光伏发电场站级防孤岛保护方法的技术方案是：
所述方法包括：
当光伏发电场的并网点母线频率超过防孤岛保护范围后，断开光伏发电场内所有逆变器；
在光伏发电场的并网点母线频率未超过预设的防孤岛保护范围时，通过比较相邻两个频率周期内所述并网点母线频率的变化量及其阈值，确定所述光伏发电场内形成孤岛的可能性；
在确定存在形成孤岛的可能时，比较并网点母线频率与工频，并根据比较结果确定相应的预设控制策略对所有逆变器输出的无功功率进行调整，直至并网点母线频率超过防孤岛保护范围。
第二方面，本发明中一种光伏发电场站级防孤岛保护系统的技术方案是：
所述系统包括：
控制模块，用于在光伏发电场的并网点母线频率超过防孤岛保护范围后，断开光伏发电场内所有逆变器；
确定模块，用于在光伏发电场的并网点母线频率未超过预设的防孤岛保护范围时，通过比较相邻两个频率周期内所述并网点母线频率的变化量及其阈值，确定所述光伏发电场内形成孤岛的可能性；
调整模块，用于在确定存在形成孤岛的可能时，比较并网点母线频率与工频，并根据比较结果确定相应的预设控制策略对所有逆变器输出的无功功率进行调整，直至并网点母线频率超过防孤岛保护范围。
与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种光伏发电场站级防孤岛保护方法，在并网点母线频率未超过防孤岛保护范围后，可以通过比较相邻两个频率周期内并网点母线频率的变化量及其阈值来判断光伏发电场内是否可能形成孤岛；在判断出可能形成孤岛后比较并网点母线频率与工频，依据比较结果采用不同的控制策略对所有逆变器输出的无功功率进行调整，各逆变器共同作用实现对光伏发电场的防孤岛保护；
2、本发明提供的一种光伏发电场站级防孤岛保护系统，确定模块可以在并网点母线频率未超过防孤岛保护范围后，通过比较相邻两个频率周期内并网点母线频率的变化量及其阈值来判断光伏发电场内是否可能形成孤岛；调整模块可以在判断出可能形成孤岛后比较并网点母线频率与工频，依据比较结果采用不同的控制策略对所有逆变器输出的无功功率进行调整，各逆变器共同作用实现对光伏发电场的防孤岛保护。
附图说明
图1：本发明实施例中一种光伏发电场站级防孤岛保护方法实施示意图；
图2：光伏发电系统结构示意图；
图3：孤岛情况下不同有功输出时的无功-频率变化曲线；
图4：逆变器无功控制策略原理图；
图5：本发明实施例中光伏发电系统结构及其与PLC控制器的接线示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图，对本发明实施例提供的一种光伏发电场站级防孤岛保护方法进行说明。
图1为本发明实施例中一种光伏发电场站级防孤岛保护方法实施示意图，图2为光伏发电系统结构示意图，如图所示，本实施例中光伏发电场站级防孤岛保护方法可以按照下述步骤实施，具体为：
步骤S101：判断光伏发电场的并网点母线频率是否超过防孤岛保护范围，当光伏发电场的并网点母线频率超过防孤岛保护范围后，断开光伏发电场内所有逆变器。
步骤S102：在光伏发电场的并网点母线频率未超过预设的防孤岛保护范围时，判断相邻两个频率周期内并网点母线频率的变化量是否超过其阈值，依据比较结果确定光伏发电场内形成孤岛的可能性。
步骤S103：在确定存在形成孤岛的可能时，比较并网点母线频率与工频，并根据比较结果确定相应的预设控制策略对所有逆变器输出的无功功率进行调整，直至并网点母线频率超过防孤岛保护范围。
图3为孤岛情况下不同有功输出时的无功-频率变化曲线，如图所示，孤岛情况下电网无功和频率呈正比关系，因此为了减少实现防孤岛保护的时间，可以在并网点母线频率大于工频时控制逆变器输出无功功率，在并网点母线频率小于工频时控制逆变器吸收无功功率。
本实施例中在并网点母线频率未超过防孤岛保护范围后，可以通过比较相邻两个频率周期内并网点母线频率的变化量及其阈值来判断光伏发电场内是否可能形成孤岛；在判断出可能形成孤岛后比较并网点母线频率与工频，依据比较结果采用不同的控制策略对所有逆变器输出的无功功率进行调整，各逆变器共同作用实现对光伏发电场的防孤岛保护。
进一步地，本实施例步骤S102中确定光伏发电场内形成孤岛的可能性可以按照下述步骤实施。具体为：当相邻两个频率周期内并网点母线频率的变化量未超过其阈值时，确定当前不存在光伏发电场内形成孤岛的可能性；当相邻两个频率周期内并网点母线频率的变化量超过其阈值时，确定当前存在光伏发电场内形成孤岛的可能性。进一步地，本实施例步骤S103可以按照下述步骤实施。具体为：若并网点母线频率大于工频，则对所有逆变器进行正反馈无功控制；若并网点母线频率小于工频，则对所有逆变器进行负反馈无功控制。
1、正反馈无功控制
本实施例中可以按照下述步骤对所有逆变器进行正反馈无功控制：
(1)修正逆变器无功控制策略的无功指令。
本实施例中修正后的无功指令包含的无功功率增加量如下式(1)所示：
Qi＝D％×N×Pi (1)
其中，Qi为第i个无功指令周期的无功功率增加量，Pi为第i个无功指令周期对应的有功功率值，N为无功指令的修正次数，D为预设的常数，D＞0，i≥2，N≥1。本实施例中D＝1。
(2)判断各逆变器按照所述修正后的无功指令运行一个无功指令周期后，并网点母线频率是否超过防孤岛保护范围：
(1)若超过则断开所有逆变器。
(2)若未超过且并网点母线频率减小，则继续监测并网点母线频率是否超过防孤岛保护范围。
(3)若未超过且并网点母线频率增大，则重新修正无功指令直至所述并网点母线频率超过防孤岛保护范围。
2、负反馈无功控制
本实施例中可以按照下述步骤对所有逆变器进行负反馈无功控制：
(1)修正逆变器无功控制策略的无功指令。
本实施例中修正后的无功指令包含的无功功率增加量如下式(2)所示：
Qj＝-D％×M×Pj (2)
其中，Qj为第j个无功指令周期的无功功率增加量，Pj为第j个无功指令周期对应的有功功率值，M为无功指令的修正次数，j≥2，M≥1。本实施例中D＝1。
(2)判断各逆变器按照修正后的无功指令运行一个无功指令周期后，所述并网点母线频率是否超过防孤岛保护范围：
(1)若超过则断开所有逆变器.
(2)若未超过且并网点母线频率增大，则继续监测并网点母线频率是否超过防孤岛保护范围。
(3)若未超过且并网点母线频率减小，则重新修正无功指令直至并网点母线频率超过防孤岛保护范围。
逆变器无功控制策略可以采用常规的无功控制策略，本实施例中逆变器无功控制策略采用基于功率外环和电流内环的正负反馈双闭环控制策略，下面对该控制策略进行简单说明。
图4为逆变器无功控制策略原理图，如图所示，无功功率增加量为功率外环控制的反馈值，该反馈值与功率外环控制的初始无功指令叠加作为新的无功指令，然后对这个新的无功指令进行PI调节，将PI调节后的信号反馈到电流内环控制中，最后形成SPWM控制信号对逆变器输出的无功功率进行控制。本实施例中基于逆变器已有的无功控制策略，不需要增加额外的无功发生设备，可以减少对电网电能质量的影响。
图5为本发明实施例中光伏发电系统结构及其与PLC控制器的接线示意图，光伏发电单元通过升压变压器汇集至光伏发电场的10kV母线，各光伏发电单元的容量为1MW且包括两台逆变器。光伏发电场的总容量为50MW，通过升压站后接入公共电网。
下面以该光伏发电系统为例对光伏发电场站级防孤岛保护方法步骤进行说明。其中，防孤岛保护范围为49.5～50.5Hz，相邻两个频率周期内并网点母线频率的变化量阈值为0.02Hz。
1、监测并网点母线频率，当其超出49.5～50.5Hz的范围，则断开所有逆变器。
2、当并网点母线频率处于49.5～50.5Hz的范围，且相邻两个频率周期内并网点母线频率的变化量小于0.02Hz，则返回步骤1继续监测并网点母线频率。
3、当并网点母线频率处于49.5～50.5Hz的范围，且相邻两个频率周期内并网点母线频率的变化量大于0.02Hz，则比较并网点母线频率和工频：
若并网点母线频率小于工频对逆变器进行正反馈无功控制，使其能够快速达到过频保护限值实现防孤岛保护，其中无功功率增加量为Qi＝1％×N×Pi，过频保护限值为50.5Hz。
若并网点母线频率大于工频对逆变器进行负反馈无功控制，使其能够快速达到欠频保护限值实现防孤岛保护，其中无功功率增加量为Qj＝-1％×M×Pj，欠频保护限值为49.5Hz。
4、控制各逆变器按照修正后无功指令输出无功功率，实现防孤岛保护。
本发明还提供了一种光伏发电场站级防孤岛保护系统，并给出了具体实施例。
本实施例中光伏发电场站级防孤岛保护系统包括控制模块、确定模块和调整模块。其中，
控制模块，用于在光伏发电场的并网点母线频率超过防孤岛保护范围后，断开光伏发电场内所有逆变器。
确定模块，用于在光伏发电场的并网点母线频率未超过预设的防孤岛保护范围时，通过比较相邻两个频率周期内所述并网点母线频率的变化量及其阈值，确定所述光伏发电场内形成孤岛的可能性。
调整模块，用于在确定存在形成孤岛的可能时，比较并网点母线频率与工频，并根据比较结果确定相应的预设控制策略对所有逆变器输出的无功功率进行调整，直至并网点母线频率超过防孤岛保护范围。
本实施例中确定模块可以在网点母线频率未超过防孤岛保护范围后，通过比较相邻两个频率周期内并网点母线频率的变化量及其阈值来判断光伏发电场内是否可能形成孤岛；调整模块可以在判断出可能形成孤岛后比较并网点母线频率与工频，依据比较结果采用不同的控制策略对所有逆变器输出的无功功率进行调整，各逆变器共同作用实现对光伏发电场的防孤岛保护。
进一步地，本实施例中确定模块还包括第一确定单元和第二确定单元，具体为：
第一确定单元用于在相邻两个频率周期内并网点母线频率的变化量未超过其阈值时，确定当前不存在光伏发电场内形成孤岛的可能性。
第二确定单元用于在相邻两个频率周期内并网点母线频率的变化量超过其阈值时，确定当前存在光伏发电场内形成孤岛的可能性。
进一步地，本实施例中调整模块还包括第一调整单元和第二调整单元，具体为：
1、第一调整单元
本实施例中第一调整单元用于在并网点母线频率大于工频时对所有逆变器进行正反馈无功控制。第一调整单元用于通过修正逆变器无功控制策略的无功指令对所有逆变器进行正反馈无功控制。其中，
修正后的无功指令包含的无功功率增加量，如下式(3)所示：
Qi＝D％×N×Pi (3)
其中，Qi为第i个无功指令周期的无功功率增加量，Pi为第i个无功指令周期对应的有功功率值，N为无功指令的修正次数，D为预设的常数，D＞0，i≥2，N≥1；
2、第二调整单元
本实施例中第二调整单元用于在并网点母线频率小于工频时对所有逆变器进行负反馈无功控制。第二调整单元用于通过修正逆变器无功控制策略的无功指令对所有逆变器进行负反馈无功控制。其中，
修正后的无功指令包含的无功功率增加量，如下式(4)所示：
Qj＝-D％×M×Pj (4)
其中，Qj为第j个无功指令周期的无功功率增加量，Pj为第j个无功指令周期对应的有功功率值，M为无功指令的修正次数j≥2，M≥1。
进一步地，本实施例中光伏发电场站级防孤岛保护系统还可以包括PLC控制器，控制模块、确定模块和调整模块均设置在该PLC控制器内。PLC控制器通过光伏发电场内已有的通信线路获取电网频率、各逆变器有功输出值等信息，并实现对各逆变器无功输出、关断控制，即对光伏发电场进行防孤岛保护。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种光伏发电场站级防孤岛保护方法，其特征在于，所述方法包括：
在光伏发电场的并网点母线频率超过防孤岛保护范围时，断开光伏发电场内所有逆变器；
在光伏发电场的并网点母线频率未超过预设的防孤岛保护范围时，通过比较相邻两个频率周期内所述并网点母线频率的变化量及其阈值，确定所述光伏发电场内形成孤岛的可能性；
在确定存在形成孤岛的可能时，比较并网点母线频率与工频，并根据比较结果确定相应的预设控制策略对所有逆变器输出的无功功率进行调整，直至并网点母线频率超过防孤岛保护范围。
2.如权利要求1所述的一种光伏发电场站级防孤岛保护方法，其特征在于，所述通过比较相邻两个频率周期内所述并网点母线频率的变化量及其阈值，确定所述光伏发电场内形成孤岛的可能性，包括：
相邻两个频率周期内所述并网点母线频率的变化量未超过其阈值时，确定当前不存在所述光伏发电场内形成孤岛的可能性；
相邻两个频率周期内所述并网点母线频率的变化量超过其阈值时，确定当前存在所述光伏发电场内形成孤岛的可能性。
3.如权利要求1所述的一种光伏发电场站级防孤岛保护方法，其特征在于，所述根据比较结果确定相应的预设控制策略对所有逆变器输出的无功功率进行调整，包括：
若所述并网点母线频率大于工频，则对所有逆变器进行正反馈无功控制；
若所述并网点母线频率小于工频，则对所有逆变器进行负反馈无功控制。
4.如权利要求3所述的一种光伏发电场站级防孤岛保护方法，其特征在于，所述对所有逆变器进行正反馈无功控制包括：修正逆变器无功控制策略的无功指令；修正后的无功指令包含的无功功率增加量如下式所示：
Qi＝D％×N×Pi
其中，Qi为第i个无功指令周期的无功功率增加量，Pi为第i个无功指令周期对应的有功功率值，N为无功指令的修正次数，D为预设的常数，D＞0，i≥2，N≥1。
5.如权利要求3所述的一种光伏发电场站级防孤岛保护方法，其特征在于，所述对所有逆变器进行负反馈无功控制包括：修正逆变器无功控制策略的无功指令；修正后的无功指令包含的无功功率增加量如下式所示：
Qj＝-D％×M×Pj
其中，Qj为第j个无功指令周期的无功功率增加量，Pj为第j个无功指令周期对应的有功功率值，M为无功指令的修正次数，D为预设的常数，D＞0，j≥2，M≥1。
6.如权利要求4或5所述的一种光伏发电场站级防孤岛保护方法，其特征在于，所述逆变器无功控制策略为基于功率外环和电流内环的正负反馈双闭环控制策略。
7.一种光伏发电场站级防孤岛保护系统，其特征在于，所述系统包括：
控制模块，用于在光伏发电场的并网点母线频率超过防孤岛保护范围时，断开光伏发电场内所有逆变器；
确定模块，用于在光伏发电场的并网点母线频率未超过预设的防孤岛保护范围时，通过比较相邻两个频率周期内所述并网点母线频率的变化量及其阈值，确定所述光伏发电场内形成孤岛的可能性；
调整模块，用于在确定存在形成孤岛的可能时，比较并网点母线频率与工频，并根据比较结果确定相应的预设控制策略对所有逆变器输出的无功功率进行调整，直至并网点母线频率超过防孤岛保护范围。
8.如权利要求7所述的一种光伏发电场站级防孤岛保护系统，其特征在于，所述确定模块包括第一确定单元和第二确定单元；
所述第一确定单元，用于在相邻两个频率周期内所述并网点母线频率的变化量未超过其阈值时，确定当前不存在所述光伏发电场内形成孤岛的可能性；
所述第二确定单元，用于在相邻两个频率周期内所述并网点母线频率的变化量超过其阈值时，确定当前存在所述光伏发电场内形成孤岛的可能性。
9.如权利要求7所述的一种光伏发电场站级防孤岛保护系统，其特征在于，所述调整模块包括第一调整单元和第二调整单元；
所述第一调整单元，用于在所述并网点母线频率大于工频时，对所有逆变器进行正反馈无功控制；
所述第二调整单元，用于在所述并网点母线频率小于工频时，对所有逆变器进行负反馈无功控制。
10.如权利要求9所述的一种光伏发电场站级防孤岛保护系统，其特征在于，
所述第一调整单元用于通过修正逆变器无功控制策略的无功指令对所有逆变器进行正反馈无功控制；修正后的无功指令包含的无功功率增加量如下式所示：
Qi＝D％×N×Pi
其中，Qi为第i个无功指令周期的无功功率增加量，Pi为第i个无功指令周期对应的有功功率值，N为无功指令的修正次数，D为预设的常数，D＞0，i≥2，N≥1；
所述第二调整单元用于通过修正逆变器无功控制策略的无功指令对所有逆变器进行负反馈无功控制；修正后的无功指令包含的无功功率增加量如下式所示：
Qj＝-D％×M×Pj
其中，Qj为第j个无功指令周期的无功功率增加量，Pj为第j个无功指令周期对应的有功功率值，M为无功指令的修正次数j≥2，M≥1。
11.如权利要求7所述的一种光伏发电场站级防孤岛保护系统，其特征在于，所述控制模块、确定模块和调整模块均设置在PLC控制器内；
所述PLC控制器通过所述光伏发电场内的通信线路对所述光伏发电场进行防孤岛保护。
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