CN108152672A - 基于间谐波阻抗的孤岛检测系统及检测方法 - Google Patents

基于间谐波阻抗的孤岛检测系统及检测方法 Download PDF

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张大海
于璐
赵景程
倪平浩
和敬涵
赵坤
张秋芳
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    • G01R31/088—Aspects of digital computing

Abstract

本发明提供一种基于间谐波阻抗的孤岛检测系统及检测方法，包括参考信号生成模块，根据公共耦合点处电压信号生成相应的间谐波参考信号；驱动模块，采用公共耦合点处电流信号对间谐波参考信号进行脉宽调制驱动逆变器工作；信号检测模块，实时检测电压信号和电流信号间谐波含量，得到设定间谐波次数的电压幅值和电流幅值；阻抗监测模块，根据电压幅值和电流幅值得到设定间谐波次数的间谐波阻抗；孤岛判断模块，判断实时测定的间谐波阻抗与并网时的间谐波阻抗的差值是否不小于设定值，若不小于设定值发生孤岛效应。所述系统及方法有效规避主动法对电网电能质量的不利影响，可保证较小的盲区，较高的测量精准度。

Description

基于间谐波阻抗的孤岛检测系统及检测方法
技术领域
本发明涉及电网稳定性分析技术领域，尤其涉及一种基于间谐波阻抗的 孤岛检测系统及检测方法。
背景技术
近年来，世界范围内能源短缺和环境污染问题的日益突出，可再生能源 的发展引起了广泛重视，分布式发电技术因其经济高效、清洁环保受到了全 球关注。然而，分布式电源(简称DG)并网也给电力系统带来了挑战。当电 网供电意外中断时，分布式电源与本地负荷形成非计划性孤岛。若不及时消 除孤岛，可能会对电力设备和电网工作人员造成严重的损害。因此，对孤岛 现象进行检测，并在检测出孤岛时及时将分布式电源断开，具有重要的意义。
图1是现有技术分布是电网并网系统的原理图，如图1所始，分布式电 源1通过逆变器2分别与负载3和大电网4连通，大电网4包括沿逆变器2 依次串联的变压器41、断路器42和电网电源43，当分布式电源并网运行时， 分布式电源1、大电网4以及负载3构成了一个并网发电系统，当大电网4停 止为负载3供电(断路器42断开)，分布式电源1独立为负荷供电，形成孤 岛。
图2是现有技术分布式电源接入电网的电路图，如图2所示，分布式电 源1通过逆变器2并入电网，并联的RLC代表负载3接入公共耦合点PCC， Zg代表电网的等值阻抗。
常用的孤岛检测方法可分为远程检测和本地检测。远程检测是在电网侧 对孤岛进行检测，然后通过某种通信信道将检测结果通知分布式电源侧。该 方法需要增加设备，成本高，操作复杂。本地检测可分为被动法(无源检测 法)和主动法(有源检测法)两种方法，其检测原理是通过检测本地电压和 频率等电气量的变化状况来判断孤岛状态是否发生，其中被动法不需要对电 网注入扰动，而主动法需要注入某种扰动。被动法较为简单，无需添加外部 硬件，但检测阈值难以确定，检测实时性差，存在十分明显的检测盲区；主 动法的盲区较小，精确度也较被动法高，但主动检测法注入了扰动，使电网 质量下降且应用于多逆变器的检测时会产生稀释效应。
发明内容
针对上述问题，提供一种有效规避主动法对电网电能质量的不利影响， 可保证较小的盲区，较高的测量精准度，经济性好的基于间谐波阻抗的孤岛 检测系统及检测方法。
根据本发明的一个方面，提供一种基于间谐波阻抗的孤岛检测系统，用 于分布式电源并网系统的孤岛检测，所述分布式电源并网系统包括分布式电 源和逆变器，所述孤岛检测系统包括参考信号生成模块、驱动模块、信号检 测模块、阻抗监测模块和孤岛判断模块，其中：所述参考信号生成模块，根 据分布式电源并网系统的公共耦合点处的电压信号生成相应的间谐波参考信 号；所述驱动模块，采用公共耦合点处的电流信号对参考信号生成模块生成 的间谐波参考信号进行脉宽调制，驱动逆变器工作；所述信号检测模块，实 时检测分布式电源并网系统的公共耦合点处的电压信号和电流信号中的间谐 波含量，得到设定间谐波次数的所述电压信号的电压幅值和所述电流信号的 电流幅值；所述阻抗监测模块，根据信号检测模块检测所述电压幅值和电流 幅值，得到公共耦合点的设定间谐波次数的间谐波阻抗；所述孤岛判断模块， 判断阻抗监测模块监测的所述设定间谐波次数的间谐波阻抗与并网时的间谐 波阻抗的差值是否超出设定值，如果所述差值超出设定值，发生孤岛效应。
根据本发明的另一个方面，提供一种基于间谐波阻抗的孤岛检测方法， 用于分布式电源并网系统的孤岛检测，所述分布式电源并网系统包括分布式 电源和逆变器，所述孤岛检测方法包括：根据分布式电源并网系统的公共耦 合点处的电压信号生成相应的间谐波参考信号；采用公共耦合点处的电流信 号对所述间谐波参考信号进行脉宽调制，驱动逆变器工作；实时检测分布式 电源并网系统的公共耦合点处的电压信号和电流信号中的间谐波含量，得到 设定间谐波次数的所述电压信号的电压幅值和所述电流信号的电流幅值；根 据设定间谐波次数的所述电压幅值和电流幅值，得到公共耦合点的设定间谐 波次数的间谐波阻抗；判断所述设定间谐波次数的间谐波阻抗与并网时的间 谐波阻抗的差值是否不小于设定值，如果所述差值不小于设定值，发生孤岛 效应。
上述基于间谐波阻抗的孤岛检测系统及检测方法具有以下有益效果
(1)实现方便，间谐波阻抗参数测量简单，能够准确有效地检测出孤岛， 满足孤岛检测的标准要求。
(2)对电能质量干扰小，由于系统的背景间谐波含量少，所需注入间谐 波电流也小，因此不会对系统电能质量干扰小。
(3)由于电网系统中大量的电力电子开关设备会产生的大量特征谐波， 而这些谐波通常为基波的整数倍，传统方法注入的谐波可能与电网系统本身 含有的谐波互相混叠，导致PCC点阻抗计算出现误差，而电网系统的背景间谐 波含量少，所以测量间谐波阻抗能够避免上述问题。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点 将会变得更加清楚和容易理解。
图1是现有技术分布是电网并网系统的原理图；
图2是现有技术分布式电源接入电网的电路图；
图3是本发明基于间谐波阻抗的孤岛检测系统的构成框图；
图4是本发明所述基于间谐波阻抗的孤岛检测方法的流程图；
图5是通过阻抗监测模块和孤岛判断模块判断是否产生孤岛效应的方法 的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可 以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式 或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性 的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按 比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
图3是本发明基于间谐波阻抗的孤岛检测系统的构成框图，如图3所示， 所述基于间谐波阻抗的孤岛检测系统100，用于分布式电源并网系统的孤岛检 测，所述分布式电源并网系统包括分布式电源1和逆变器2，所述孤岛检测系 统100包括参考信号生成模块110、驱动模块120、信号检测模块130、阻抗监 测模块140和孤岛判断模块150，其中：
所述参考信号生成模块110，根据分布式电源并网系统的公共耦合点处的 电压信号生成相应的间谐波参考信号；
所述驱动模块120，采用公共耦合点处的电流信号对参考信号生成模块 110生成的间谐波参考信号进行脉宽调制，驱动逆变器工作；
所述信号检测模块130，实时检测分布式电源并网系统的公共耦合点处的 电压信号和电流信号中的间谐波含量，得到设定间谐波次数的所述电压信号 的电压幅值和所述电流信号的电流幅值，所述间谐波次数用间谐波频率同基 波频率之比给出，为非整数倍，例如2.5倍、3.5倍等，优选地，所述信号检 测模块运用傅里叶算法实时提取所述电压信号和电流信号中的间谐波含量；
所述阻抗监测模块140，根据信号检测模块130检测所述电压幅值和电流 幅值，得到公共耦合点的设定间谐波次数的间谐波阻抗；
所述孤岛判断模块150，判断阻抗监测模块140监测的设定间谐波次数的 间谐波阻抗与并网时的间谐波阻抗的差值是否超出设定值，如果所述差值超 出设定值，发生孤岛效应，优选地，所述设定值为1Ω。
在本发明的一个实施例中，所述参考信号生成模块110包括锁相环111、 基波生成单元112、间谐波信号生成单元113和叠加单元114，其中：
所述锁相环111对分布式电源并网系统的公共耦合点处的电压信号进行 锁相控制，得到电压信号对应的相位信号；
所述基波生成单元112，根据锁相环111得到的相位信号生成与所述电压 信号同频同相的基波信号；
所述间谐波信号生成单元113，根据锁相环111得到的相位信号生成间谐 波注入信号；
所述叠加单元114，将基波生成单元112生成的基波信号和间谐波信号生 成单元113生成的间谐波注入信号进行叠加，生成间谐波参考信号。
在本发明的一个实施例中，所述驱动模块120包括电流控制环121和脉宽 调制信号发生器122，所述电流控制环121产生调制比，经过脉宽调制信号发 生器122产生双极性PWM信号，驱动逆变器工作。
在本发明的一个具体实施中，孤岛检测系统100包括：
沿一个信号传输方向依次连通的锁相环111、间谐波信号生成单元113、 基波生成单元112、叠加单元114、电流控制环121和脉宽调制信号发生器122， 所述间谐波信号生成单元113和基波生成单元112并联；
沿另一个信号传输方向依次连通的信号检测模块130、阻抗监测模块140 和孤岛判断模块150，
其中：
分布式电源并网系统的公共耦合点处的电压信号分别传输给锁相环111、 电流控制环121和信号检测模块130，分布式电源并网系统的公共耦合点处的 电流信号分别传输给电流控制环121和信号检测模块130；
所述锁相环121对公共耦合点处的电压信号进行锁相控制，得到的电压信 号分别传输给间谐波信号生成单元113和基波生成单元112，分别生成间谐波 注入信号和基波信号，经过叠加单元114叠加生成间谐波参考信号，所述间谐 波参考信号通过电流控制环121产生调制比，经过脉宽调制信号发生器122产 生全桥逆变器双极性PWM信号。
上述基于间谐波阻抗的孤岛检测系统采用间谐波阻抗法通过控制逆变 器，向电网注入间谐波电流，测量公共耦合点(PCC)处间谐波阻抗。当逆变 器正常运行的时候，流入电网的间谐波电流不会产生异常电压，一旦孤岛发 生，间谐波电流流入局部负载，则流入的谐波电流将会使得线性负载产生负 载电压，通过信号检测单元提取PCC点的间谐波电压、电流，并以此计算间谐 波阻抗的大小，孤岛就可以顺利地被检测出来。
图4是本发明所述基于间谐波阻抗的孤岛检测方法的流程图，如图4所示， 所述孤岛检测方法包括：
步骤S1，根据分布式电源并网系统的公共耦合点处的电压信号生成相应 的间谐波参考信号，所述公共耦合点是分布式电源通过逆变器并入电网时， 并联的负载接入的耦合点；
步骤S2，采用公共耦合点处的电流信号对所述间谐波参考信号进行脉宽 调制，驱动逆变器工作；
步骤S3，实时检测分布式电源并网系统的公共耦合点处的电压信号和电 流信号中的间谐波含量，得到设定间谐波次数的所述电压信号的电压幅值和 所述电流信号的电流幅值；
步骤S4，根据设定间谐波次数的所述电压幅值和电流幅值，得到公共耦 合点的设定间谐波次数的间谐波阻抗；
步骤S5，判断所述设定间谐波次数的间谐波阻抗与并网时的间谐波阻抗 的差值是否不小于设定值，如果所述差值不小于设定值，发生孤岛效应。
在步骤S2中，所述根据分布式电源并网系统的公共耦合点处的电压信号 生成相应的间谐波参考信号的方法包括：
对所述公共耦合点处的电压信号进行锁相控制得到电压信号对应的相位 信号；
根据所述相位信号，生成与所述电压信号同频同相的基波信号；
根据相位信号生成间谐波注入信号；
将基波信号和间谐波注入信号进行叠加生成间谐波参考信号。
在本发明的一个优选实施例中，所述孤岛检测方法包括：
对分布式电源并网系统的公共耦合点处的电压信号进行锁相控制得到电 压信号对应的相位信号；
根据所述相位信号，生成与所述电压信号同频同相的基波信号；
根据相位信号生成间谐波注入信号；
将基波信号和间谐波注入信号进行叠加生成间谐波参考信号；
对间谐波参考信号脉宽调制产生双极性PWM信号，驱动逆变器工作；
实时检测分布式电源并网系统的公共耦合点处的电压信号和电流信号中 的间谐波含量，得到设定间谐波次数的所述电压信号的电压幅值和所述电流 信号的电流幅值；
根据设定间谐波次数的所述电压幅值和电流幅值，得到公共耦合点的设 定间谐波次数的间谐波阻抗；
判断所述设定间谐波次数的的间谐波阻抗与并网时的间谐波阻抗的差值 否不小于设定值，如果所述差值不小于设定值，发生孤岛效应。
在本发明的一个具体实施例中，所述孤岛检测方法包括：通过对upcc进行 过零点检测，并进行锁相控制，得到相位信号θPLL，用以生成与upcc同频同相 的基波信号il。同时通过间谐波信号生成单元生成谐波注入电流ih，将其直接 叠加在基波信号上产生参考电流iref(间谐波参考信号的电流信号)。通过电 流控制环产生调制比M，经PWM信号发生器产生全桥逆变器双极性PWM信 号，驱动逆变器工作。在并网电流软启动结束后，信号检测模块130运用FFT， 实时计算电压信号upcc和电流信号ipcc所含间谐波含量，得到指定的设定间谐波次数的间谐波电压幅值upcc(h)和电流幅值ipcc(h)，再通过阻抗监测模块140 得到公共耦合点的设定间谐波次数的间谐波阻抗ZPCC(h)，其中，h为h次间谐 波。
并网时公共耦合点的设定间谐波次数的间谐波阻抗ZPCC0(h)根据下式计 算：
其中，Z1(h)为负载的间谐波阻抗，Zg(h)为电网的等效阻抗
因电网系统容量较大，故注入的间谐波电流对电网电压影响很小。由于 电网的等值阻抗Zg很小，所以此时ZPCC0(h)较低。
并联谐振RLC负载的间谐波阻抗为：
将负载品质因数负载谐振角频率代入可得：
其中，h为间谐波的次数，R为电阻阻抗，L为电感阻抗，C为电容阻抗。
如图5所示，通过阻抗监测模块140和孤岛判断模块150判断是否产生孤岛 效应的方法包括：
步骤51，采集公共耦合点PCC的电压和电流波形；
步骤52，利用傅里叶分解，分别对PCC电压和电流波形进行分析，提取设 定间谐波次数对应的间谐波电压信号幅值uPCC(h)和电流信号幅值iPCC(h)；
步骤53，利用间谐波阻抗计算公式：
计算PCC点处的间谐波阻抗ZPCC(h)；
步骤54，将ZPCC(h)与正常并网情况下的公共耦合点间谐波阻抗ZPCC0(h) 进行比较，若|ZPCC(h)|-|ZPCC0(h)|≥1，则判断主网断路器断开，孤岛产生， 反之，|ZPCC(h)|-|ZPCC0(h)|<1，未发生孤岛，继续采集信号进行检测，直 至检测出孤岛发生为止。
上述基于间谐波阻抗的孤岛检测方法是改进的主动检测法，基于间谐波 阻抗测量判断孤岛是否发生，通过控制逆变器向电网注入间谐波电流，测量 公共耦合点(PCC)处间谐波阻抗。由于注入的间谐波电流较小，可有效规避 主动法对电网电能质量的不利影响，同时可保证较小的盲区与较高的测量精 准度，经济性好。
上述各实施例的基于间谐波阻抗的孤岛检测系统及检测方法中，分布式 电源并网系统可以包括多个逆变器，在多逆变器系统中，可以向不同的逆变 器端注入不同频率的间谐波电流，避免了传统阻抗测量法在多逆变器并列时， 各逆变器引入的电流变化可能会因相互冲突而使总电流抵消减少、输出电压 变化无法被检测、非检测区(NDZ)增大的问题。因此该方法对存在多个逆变 器的电网场合具有更好的适用性。
本发明所述基于间谐波阻抗的孤岛检测系统及检测方法利用间谐波测量 阻抗，在不同逆变器端注入不同频率的间谐波，可以避免逆变器间的稀释效 应，即使在负载与逆变器输出功率匹配度较高的情况下，仍能够保障检测的 精确度。系统的背景间谐波含量小，相对于注入的间谐波来说干扰小，这能 提高检测的可靠性。且间谐波电流注入量也可设计为比较小，不会对电能质 量造成太大的影响。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域 的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、组合、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于间谐波阻抗的孤岛检测系统，用于分布式电源并网系统的孤岛检测，所述分布式电源并网系统包括分布式电源和逆变器，其特征在于，所述孤岛检测系统包括参考信号生成模块、驱动模块、信号检测模块、阻抗监测模块和孤岛判断模块，其中：
所述参考信号生成模块，根据分布式电源并网系统的公共耦合点处的电压信号生成相应的间谐波参考信号；
所述驱动模块，采用公共耦合点处的电流信号对参考信号生成模块生成的间谐波参考信号进行脉宽调制，驱动逆变器工作；
所述信号检测模块，实时检测分布式电源并网系统的公共耦合点处的电压信号和电流信号中的间谐波含量，得到设定间谐波次数的所述电压信号的电压幅值和所述电流信号的电流幅值；
所述阻抗监测模块，根据信号检测模块检测所述电压幅值和电流幅值，得到公共耦合点的设定间谐波次数的间谐波阻抗；
所述孤岛判断模块，判断阻抗监测模块监测的所述设定间谐波次数的间谐波阻抗与并网时的间谐波阻抗的差值是否超出设定值，如果所述差值超出设定值，发生孤岛效应。
2.根据权利要求1所述的孤岛检测系统，其特征在于，所述参考信号生成模块包括锁相环、基波生成单元、间谐波信号生成单元和叠加单元，其中：
所述锁相环对所述公共耦合点处的电压信号进行锁相控制，得到电压信号对应的相位信号；
所述基波生成单元，根据所述相位信号，生成与所述电压信号同频同相的基波信号；
所述间谐波信号生成单元，根据锁相环得到的相位信号生成间谐波注入信号；
所述叠加单元，将基波生成单元生成的基波信号和间谐波信号生成单元生成的间谐波注入信号进行叠加，生成间谐波参考信号。
3.根据权利要求1所述的孤岛检测系统，其特征在于，所述驱动模块包括电流控制环和脉宽调制信号发生器，所述电流控制环产生调制比，经过脉宽调制信号发生器产生双极性PWM信号，驱动逆变器工作。
4.根据权利要求1所述的孤岛检测系统，其特征在于，所述分布式电源并网系统包括多个逆变器，不同逆变器注入不同次数的间谐波电流。
5.根据权利要求1所述的孤岛检测系统，其特征在于，所述设定值为1Ω。
6.根据权利要求1所述的孤岛检测系统，其特征在于，所述参考信号生成模块包括锁相环、基波生成单元、间谐波信号生成单元和叠加单元，所述驱动模块包括电流控制环和脉宽调制信号发生器，分布式电源并网系统的公共耦合点处的电压信号分别传输给锁相环电流控制环和信号检测模块，分布式电源并网系统的公共耦合点处的电流信号分别传输给电流控制环和信号检测模块，沿一个信号传输方向所述锁相环分别与间谐波信号生成单元、基波生成单元、叠加单元、电流控制环和脉宽调制信号发生器电连接，所述间谐波信号生成单元和基波生成单元并联，沿另一个信号传输方向信号检测模块依次与阻抗监测模块和孤岛判断模块电连接，其中，所述锁相环对公共耦合点处的电压信号进行锁相控制，得到的电压信号分别传输给间谐波信号生成单元和基波生成单元，分别生成间谐波注入信号和基波信号，经过叠加单元叠加生成间谐波参考信号，所述间谐波参信号通过电流控制环产生调制比，经过脉宽调制信号发生器产生全桥逆变器双极性PWM信号。
7.一种基于间谐波阻抗的孤岛检测方法，用于分布式电源并网系统的孤岛检测，所述分布式电源并网系统包括分布式电源和逆变器，其特征在于，包括：
根据分布式电源并网系统的公共耦合点处的电压信号生成相应的间谐波参考信号；
采用公共耦合点处的电流信号对所述间谐波参考信号进行脉宽调制，驱动逆变器工作；
实时检测分布式电源并网系统的公共耦合点处的电压信号和电流信号中的间谐波含量，得到设定间谐波次数的所述电压信号的电压幅值和所述电流信号的电流幅值；
根据设定间谐波次数的所述电压幅值和电流幅值，得到公共耦合点的设定间谐波次数的间谐波阻抗；
判断所述设定间谐波次数的间谐波阻抗与并网时的间谐波阻抗的差值是否不小于设定值，如果所述差值不小于设定值，发生孤岛效应。
8.根据权利要求7所述的孤岛检测方法，其特征在于，所述根据分布式电源并网系统的公共耦合点处的电压信号生成相应的间谐波参考信号的方法包括：
对所述公共耦合点处的电压信号进行锁相控制得到电压信号对应的相位信号；
根据所述相位信号，生成与所述电压信号同频同相的基波信号；
根据相位信号生成间谐波注入信号；
将基波信号和间谐波注入信号进行叠加生成间谐波参考信号。
9.根据权利要求7所述的孤岛检测方法，其特征在于，包括：
对分布式电源并网系统的公共耦合点处的电压信号进行锁相控制得到电压信号对应的相位信号；
根据所述相位信号，生成与所述电压信号同频同相的基波信号；
根据相位信号生成间谐波注入信号；
将基波信号和间谐波注入信号进行叠加生成间谐波参考信号；
对间谐波参考信号脉宽调制产生双极性PWM信号，驱动逆变器工作；
实时检测信分布式电源并网系统的公共耦合点处的电压信号和电流信号中的间谐波含量，得到设定间谐波次数的所述电压信号的电压幅值和所述电流信号的电流幅值；
根据设定间谐波次数的所述电压幅值和电流幅值，得到公共耦合点的设定间谐波次数的间谐波阻抗；
判断所述设定间谐波次数的间谐波阻抗与并网时的间谐波阻抗的差值否不小于设定值，如果所述差值不小于设定值，发生孤岛效应。
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