CN108631353A - 一种微电网孤岛检测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微电网孤岛检测方法及系统。方法步骤如下：采集公共连接点电压，并获取相位和频率；判断是否有孤岛现象发生：如果有则结束，否则进入下一步；注入扰动电流，再次采集公共连接点电压，重新判断是否有孤岛现象发生：如果有则结束，如果没有则返回第一步。系统包括PWM驱动模块、采集模块和孤岛检测模块，其中采集模块获取公共连接点处的电压相位和频率，发送给孤岛检测模块比较电网频率和电压的大小，并将检测信号发送至PWM驱动模块，从而控制分布式发电系统的逆变器，产生逆变器输出相应的扰动电流波形。本发明能够快速实现微电网孤岛检测，在多个分布式能源装置下依然能够保证孤岛检测的有效性，同时减小了谐波干扰。

Description

一种微电网孤岛检测方法及系统
技术领域
本发明涉及电力系统微电网保护与控制技术领域，特别是一种微电网孤岛检测方法及系统。
背景技术
随着世界经济的发展，石油、煤炭等传统化石能源消耗日益加剧的同时造成了环境的污染，近些年来，以光伏和风力发电为代表的分布式发电技术得到了快速发展，由于分布式能源发电受到环境因素的影响很大，具有间歇性、波动性的特点，为了更好地组织和管理分布式能源，提出了微电网的概念。微电网是将微型电源负荷以及储能装置结合在一起的一种电网形式，既可以并入大电网中运行，也可以工作在孤岛模式下。
当大电网出现故障等因素与微电网系统连接的开关断开时，微电网系统独自运行为系统内的负荷供电，该种状态称之为孤岛效应。孤岛现象一旦发生必须得及时有效的检测出来，否则将对系统内电气设备等造成严重损害。在微电网系统中，孤岛现象分为计划性孤岛现象和非计划性孤岛现象。在孤岛现象来临前提前做好了对应的控制策略称之为计划性孤岛现象；当微电网系统在没有做出任何准备的情况下突然的进入发生孤岛状态，对于这种情况是我们是应当深入研究并做出防范措施。孤岛现象的检测方法根据技术特点，可以分为三大类：被动检测方法、主动检测方法和开关状态监测方法。其中，被动检测法的基本工作原理是由于电网侧故障导致与系统连接处PCC开关断开，所以直接检测微电网侧系统输出功率的变化、PCC处电压和频率大小的变化、逆变器谐波的变化来判断是否发生孤岛现象。主动孤岛检测是通过在逆变器的控制信号中对输出电压、电流或者相位加入微小扰动，当这些参数超过预先设定的阙值时则认为孤岛发生。通常情况下在并网运行时由于大电网的钳位作用，加入的这些微小扰动基本上不起作用；当转换到孤岛运行时，这些小扰动会引起PCC处的电压、电流或相位发生较大的变化，从而检测出孤岛的发生。目前常见的主动孤岛检测方法包括阻抗量测法、Sandia电压偏移法、主动频率偏移法、电压前馈正反馈检测法等方法。在主动频率偏移法(AFD)与被动检测法(VFD)中，检测盲区与AFD给电网带来的谐波干扰在某种程度上来说是一对矛盾体，VFD法监测原理简单，容易实现且对电网不会带来附加的谐波干扰，但是该方法缺点在于存在较大的检测盲区。与此同时AFD因为携带自身的扰动因素所以具有较小的检测盲区，但是对电能质量会产生部分的干扰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减小检测盲区的同时尽量减少外来谐波对电能质量影响的微电网孤岛检测方法及系统，将改进的AFD法与VFD法各自的优点相结合，从而快速实现孤岛检测的同时保持了电能质量。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种微电网孤岛检测方法，具体步骤如下：
步骤1，采集公共连接点电压Upcc，并获取该电压的相位wt和频率f；
步骤2，根据采集公共连接点电压Upcc和频率f，判断是否有孤岛现象发生：如果有则结束，如果没有则进入下一步；
步骤3，在微电网逆变器中注入扰动电流；
步骤4，再次采集公共连接点电压Upcc，并获取该电压的频率f，重新判断是否有孤岛现象发生：如果有则结束，如果没有则返回步骤1。
进一步地，步骤2所述判断是否有孤岛现象发生，具体如下：
将采集到的公共连接点电压Upcc和频率f分别进行如下比较：
设Un为系统额定电压，若Upcc/Un＜88％或Upcc/Un＞110％，则Upcc超出电压阈值；
或者，电压Upcc的频率f＜49.5Hz或f＞50.5Hz，则f超出阈值；
以上任意条件成立，则说明孤岛现象发生。
进一步地，步骤3所述在微电网逆变器中注入扰动电流iAFD，公式如下：
其中wt是相位，I是电流。
进一步地，步骤4所述重新判断是否有孤岛现象发生，具体如下：
再次采集公共连接点电压Upcc，并获取该电压的频率f，将再次采集的公共连接点电压Upcc和频率f进行比较：
设Un为系统额定电压，若Upcc/Un＜88％或Upcc/Un＞110％，则Upcc超出电压阈值；
或者，电压Upcc的频率f＜49.5Hz或f＞50.5Hz，则f超出阈值；
以上任意条件成立，则说明孤岛现象发生。
一种微电网孤岛检测系统，包括PWM驱动模块、采集模块和孤岛检测模块，其中：
采集模块，对采集的公共连接点电压Upcc进行处理，通过锁相环电路获取公共连接点处的电压相位wt和频率f，将所得信号发送给孤岛检测模块；
孤岛检测模块，比较电路中电网频率f和电网电压V的大小，来设置两种检测方法相互交替配合检测的信号周期，该两种检测方法为过/欠电压、过/欠频率检测和改进波形AFD检测，该并将检测信号发送至PWM驱动模块；
PWM驱动模块，根据所接收来自孤岛检测模块的信号，从而控制分布式发电系统的逆变器，产生逆变器输出相应的扰动电流波形。
进一步地，所述过/欠电压、过/欠频率检测和改进波形AFD检测，分别如下：
(1)过/欠电压、过/欠频率检测
将采集到的公共连接点电压Upcc和频率f分别进行如下比较：
设Un为系统额定电压，若Upcc/Un＜88％或Upcc/Un＞110％，则Upcc超出电压阈值；
或者，电压Upcc的频率f＜49.5Hz或f＞50.5Hz，则f超出阈值；
以上任意条件成立，则说明孤岛现象发生；
(2)改进波形AFD检测
在微电网逆变器中注入扰动电流iAFD，公式如下：
其中wt是相位，I是电流；
再次采集公共连接点电压Upcc，并获取该电压的频率f，将再次采集的公共连接点电压Upcc和频率f进行比较：
设Un为系统额定电压，若Upcc/Un＜88％或Upcc/Un＞110％，则Upcc超出电压阈值；
或者，电压Upcc的频率f＜49.5Hz或f＞50.5Hz，则f超出阈值；
以上任意条件成立，则说明孤岛现象发生。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)将改进的AFD法与VFD法各自的优点相结合，从而快速实现孤岛检测的同时减小对电网的谐波干扰保证了电能质量；(2)减小了对电网的谐波污染；(3)减小了检测盲区，提高了检测成功率。
附图说明
图1是VFD法与改进的AFD法相结合的总控制策略流程图。
图2是微电网孤岛现象基本原理结构图。
图3是传统主动频率偏移法孤岛检测波形图。
图4是改进AFD法控制策略的孤岛波形图。
图5是传统的AFD流程图。
图6是孤岛检测系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附1～6和具体实施对本发明的技术方案进行说明。
结合图5，本发明微电网孤岛检测方法，具体步骤如下：
步骤1，采集公共连接点电压Upcc，并获取该电压的相位wt和频率f；
步骤2，根据采集公共连接点电压Upcc和频率f，判断是否有孤岛现象发生：如果有则结束，如果没有则进入下一步；
所述判断是否有孤岛现象发生，具体如下：
将采集到的公共连接点电压Upcc和频率f分别进行如下比较：
设Un为系统额定电压，若Upcc/Un＜88％或Upcc/Un＞110％，则Upcc超出电压阈值；
或者，电压Upcc的频率f＜49.5Hz或f＞50.5Hz，则f超出阈值；
以上任意条件成立，则说明孤岛现象发生。
步骤3，在微电网逆变器中注入扰动电流；
所述在微电网逆变器中注入扰动电流iAFD，公式如下：
其中wt是相位，I是电流。
步骤4，再次采集公共连接点电压Upcc，并获取该电压的频率f，重新判断是否有孤岛现象发生：如果有则结束，如果没有则返回步骤1；
所述重新判断是否有孤岛现象发生，具体如下：
再次采集公共连接点电压Upcc，并获取该电压的频率f，将再次采集的公共连接点电压Upcc和频率f进行比较：
设Un为系统额定电压，若Upcc/Un＜88％或Upcc/Un＞110％，则Upcc超出电压阈值；
或者，电压Upcc的频率f＜49.5Hz或f＞50.5Hz，则f超出阈值；
以上任意条件成立，则说明孤岛现象发生。
作为进一步优选，还包括步骤5、并网断路器断开，逆变器停止向负载供电。
结合图6，本发明微电网孤岛检测系统，包括PWM驱动模块、采集模块和孤岛检测模块，其中：
采集模块，对采集的公共连接点电压Upcc进行处理，通过锁相环电路获取公共连接点处的电压相位wt和频率f，将所得信号发送给孤岛检测模块；
孤岛检测模块，比较电路中电网频率f和电网电压V的大小，来设置两种检测方法相互交替配合检测的信号周期，该两种检测方法为过/欠电压、过/欠频率检测和改进波形AFD检测，该并将检测信号发送至PWM驱动模块；
PWM驱动模块，根据所接收来自孤岛检测模块的信号，从而控制分布式发电系统的逆变器，产生逆变器输出相应的扰动电流波形。
所述过/欠电压、过/欠频率检测和改进波形AFD检测，分别如下：
(1)过/欠电压、过/欠频率检测
将采集到的公共连接点电压Upcc和频率f分别进行如下比较：
设Un为系统额定电压，若Upcc/Un＜88％或Upcc/Un＞110％，则Upcc超出电压阈值；
或者，电压Upcc的频率f＜49.5Hz或f＞50.5Hz，则f超出阈值；
以上任意条件成立，则说明孤岛现象发生；
(2)改进波形AFD检测
在微电网逆变器中注入扰动电流iAFD，公式如下：
其中wt是相位，I是电流；
再次采集公共连接点电压Upcc，并获取该电压的频率f，将再次采集的公共连接点电压Upcc和频率f进行比较：
设Un为系统额定电压，若Upcc/Un＜88％或Upcc/Un＞110％，则Upcc超出电压阈值；
或者，电压Upcc的频率f＜49.5Hz或f＞50.5Hz，则f超出阈值；
以上任意条件成立，则说明孤岛现象发生。
实施例1
图1所示为传统AFD法的检测实施流程图。
本发明通过改进的AFD法控制策略，相比传统的AFD不但减小了检测盲区，而且改善了扰动电流波形对微电网电能质量的影响。提高了非计划孤岛现象发生时的安全性和可靠性。
本发明采用了改进的主动频率偏移法和被动法相结合的检测方法进行并网逆变器的孤岛检测。通过控制逆变器的输出电流，引入一个小的突变量扰动，使基波分量产生必要的相角偏移。逆变器并网时，公共连接处的电压由电网电压所包容，所以当电流的扰动无法影响连接点的电压，逆变器输出频率与电网频率相同，输出电流和电网电压保持同相位。当电网发生故障时，微电网系统与大电网断开，则外加的电流扰动会促进公共连接点处的电压与输出电流频率发生变化，当电压或者频率超出设定的阈值时，触发过/欠电压或过/欠频率孤岛检测被动检测法，孤岛现象被检测出来。
本发明适用于各种分布式电源，现已光伏电源为例来说明本发明。
分布式电源与逆变器孤岛检测系统主电路结构示意图为图2。本发明基于一种改进的AFD孤岛检测控制策略，主要包括：
对分布式电源与大电网公共连接点的电压进行采集，提取相位、频率信息。对逆变器的输出信号进行滤波处理后接入电网及本地负载。
根据公共连接点电压的频率f和相位信息wt，采用函数的构建方法，获取改进的AFD法扰动波形。孤岛检测是实时连续不断的过程，实际系统既有输入信号作用，又存在扰动信号。连续不断的检测受扰动的电压信号和该信号的相位和频率。循环反复此类步骤。
将采集公共连接点电压Upcc和频率f进行比较，若Upcc/Un＜88％或
Upcc/Un＞110％，则Upcc超出电压阈值；或者，电压Upcc的频率f＜49.3Hz或f＞50.5Hz，则f超出阈值；说明孤岛现象发生，模块输出控制信号，使逆变系统停止工作，切断断路器实现孤岛保护；其中，Un为系统额定电压。
设定的公共连接点电压的阈值为[0.88Un,1.10Un]，频率阈值为[49.5Hz,50.5Hz]。如图3所示，对传统的AFD孤岛检测进行改进，对输出电流的波形频率进行改变，改进后的AFD孤岛检测波形如图4所示。
改进的AFD扰动电流的数学表达式为：
式中wt是相位，I是电流；
在正反馈扰动的作用下，频率、电压发生快速变化，直至触发过/欠频或过/欠压保护。其中，电网电压频率fgrid，标准情况下为50Hz；
作为进一步优选，频率值的设定可以参考由从出现孤岛现象到断路器关断的时间确定。
作为进一步优选，还包括步骤五、并网断路器断开，逆变器停止向负载供电。
本发明是一种基于改进的AFD的微电网孤岛检测方法的总体框图，如图5所示，呈现了孤岛现象发生后孤岛检测的全过程。
图6为改进的主动频率偏移的微网孤岛检测系统，其中包括了采集模块，孤岛检测和PWM驱动模块等。
PWM驱动模块，向分布式发电系统的逆变器发送权利要求1所述的扰动电流波形，从而使逆变器输出相应的扰动电流；
采集模块，调理电路对采集的公共连接点电压Upcc进行处理，通过锁相环电路获取公共连接点出的电压相位wt和频率f；
孤岛检测模块，进行过/欠电压，过/欠频率检测和改进AFD孤岛检测；
采集模块将信号发送给孤岛检测模块，PWM驱动模块接收孤岛检测模块的信号。
作为进一步优选，所述的锁相环电路包括DSP芯片。
进行孤岛检测时，设定频率阈值和电压阈值，将公共连接点电压与电压阈值进行比较，如果超出阈值；则判定为孤岛现象发生，本轮孤岛检测结束，或者对于频率检测亦是如此。
综上所述，本发明针对VFD法监测原理简单且检测盲区，AFD法因为携带自身的扰动因素所以具有较小的检测盲区，但是对电能质量会产生部分的干扰，所以提出了AFD与VFD相互结合配合检测的方法，该方法不但对电能质量影响程度较小而且相对于VFD也减小了较多的检测盲区，所以说该种方法具有更好的实践研究意义，本发明能够快速实现微电网孤岛检测，在多个分布式能源装置下依然能够保证孤岛检测的有效性，同时减小了谐波干扰，提高了电能质量。

Claims (6)

1.一种微电网孤岛检测方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，采集公共连接点电压Upcc，并获取该电压的相位wt和频率f；
步骤2，根据采集公共连接点电压Upcc和频率f，判断是否有孤岛现象发生：如果有则结束，如果没有则进入下一步；
步骤3，在微电网逆变器中注入扰动电流；
步骤4，再次采集公共连接点电压Upcc，并获取该电压的频率f，重新判断是否有孤岛现象发生：如果有则结束，如果没有则返回步骤1。
2.根据权利要求1所述的微电网孤岛检测方法，其特征在于，步骤2所述判断是否有孤岛现象发生，具体如下：
将采集到的公共连接点电压Upcc和频率f分别进行如下比较：
设Un为系统额定电压，若Upcc/Un＜88％或Upcc/Un＞110％，则Upcc超出电压阈值；
或者，电压Upcc的频率f＜49.5Hz或f＞50.5Hz，则f超出阈值；
以上任意条件成立，则说明孤岛现象发生。
3.根据权利要求1所述的微电网孤岛检测方法，其特征在于，步骤3所述在微电网逆变器中注入扰动电流iAFD，公式如下：
其中wt是相位，I是电流。
4.根据权利要求1所述的微电网孤岛检测方法，其特征在于，步骤4所述重新判断是否有孤岛现象发生，具体如下：
再次采集公共连接点电压Upcc，并获取该电压的频率f，将再次采集的公共连接点电压Upcc和频率f进行比较：
设Un为系统额定电压，若Upcc/Un＜88％或Upcc/Un＞110％，则Upcc超出电压阈值；
或者，电压Upcc的频率f＜49.5Hz或f＞50.5Hz，则f超出阈值；
以上任意条件成立，则说明孤岛现象发生。
5.一种微电网孤岛检测系统，其特征在于，包括PWM驱动模块、采集模块和孤岛检测模块，其中：
采集模块，对采集的公共连接点电压Upcc进行处理，通过锁相环电路获取公共连接点处的电压相位wt和频率f，将所得信号发送给孤岛检测模块；
孤岛检测模块，比较电路中电网频率f和电网电压V的大小，来设置两种检测方法相互交替配合检测的信号周期，该两种检测方法为过/欠电压、过/欠频率检测和改进波形AFD检测，该并将检测信号发送至PWM驱动模块；
PWM驱动模块，根据所接收来自孤岛检测模块的信号，从而控制分布式发电系统的逆变器，产生逆变器输出相应的扰动电流波形。
6.根据权利要求5所述的微电网孤岛检测系统，其特征在于，所述过/欠电压、过/欠频率检测和改进波形AFD检测，分别如下：
(1)过/欠电压、过/欠频率检测
将采集到的公共连接点电压Upcc和频率f分别进行如下比较：
设Un为系统额定电压，若Upcc/Un＜88％或Upcc/Un＞110％，则Upcc超出电压阈值；
或者，电压Upcc的频率f＜49.5Hz或f＞50.5Hz，则f超出阈值；
以上任意条件成立，则说明孤岛现象发生；
(2)改进波形AFD检测
在微电网逆变器中注入扰动电流iAFD，公式如下：
其中wt是相位，I是电流；
再次采集公共连接点电压Upcc，并获取该电压的频率f，将再次采集的公共连接点电压Upcc和频率f进行比较：
设Un为系统额定电压，若Upcc/Un＜88％或Upcc/Un＞110％，则Upcc超出电压阈值；
或者，电压Upcc的频率f＜49.5Hz或f＞50.5Hz，则f超出阈值；
以上任意条件成立，则说明孤岛现象发生。
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