CN109490638A - 多光伏电源并网的直流电力系统的阻抗测量式孤岛检测法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统分析技术领域，尤其涉及一种适用于多光伏电源并网的直流电力系统的谐波阻抗测量式孤岛检测法，包括：通过间歇性闭锁DC/DC变换器子模块，以固定的时间间隔向直流系统内注入特定频率的高频谐波扰动；在谐波注入时间段内采集PCC点电压、电流信号，利用傅里叶算法提取注入频率的信息，计算测量谐波电抗；根据测量电抗幅值的变化判断孤岛。本发明选取高频电抗作为特征量，放大孤岛前后特征差异的同时降低了直流负载变化对保护动作阈值的影响；使用小占空比间歇式注入减小了对电能质量的影响；适用于单机或多机光伏电源接入的直流电力系统，无需外加注入设备，对电能质量影响较小，可快速高精度的检测出孤岛运行现象的发生。

Description

多光伏电源并网的直流电力系统的阻抗测量式孤岛检测法

技术领域

本发明属于电力系统分析技术领域，尤其涉及一种适用于多光伏电源并网的直流电力系统的谐波阻抗测量式孤岛检测法。

背景技术

近年来分布式光伏发电迅速发展，2017年新增分布式光伏发电机组容量约为19.4GW，同比增长462％。随着家用电器、不间断电源、充电式车辆、直流电动机等直流负载的日益增多，将光伏电源输出的能量直接配给直流负载，可以避免交-直流转换环节的电能损耗，提升电能利用的效率，因此直流电力系统已成为国内外研究的新热点。在光伏直流电网中，非计划的孤岛运行会给供电设备和作业人员带来潜在威胁，成为孤岛保护研究的新问题。

交流系统内的孤岛检测方法已获较完备发展，但这些方法在直流系统内的直接应用存在诸多阻碍。交流孤岛检测方法主要可分为通信式和本地式检测方法两大类。通信式孤岛检测法要求使用额外的检测设备，高昂的费用限制了该类方法在直流系统内的推广。本地式方法可分为被动法和主动法两类。被动法量测孤岛状态下光伏电源与本地负荷间功率不匹配导致的电气量的变化，在交流系统中主要依据电压、频率、相位等。而直流信号中不包含频率和相位信息，对应的被动式方法在直流系统内无法应用，仅基于电压幅值或其变化率的被动法在功率匹配度较高时又存在无法克服的检测死区，因此直流系统内被动法的检测精度难以得到保障。主动式方法向系统中注入扰动信号并量测系统的响应以检测孤岛，交流系统中常见的方法有Sandia移频法、滑膜移频法、阻抗测量法、有/无功功率扰动法等。同样，由于频率和无功功率电气量的缺失，各类移频法及无功扰动类方法均无法在直流系统中使用。

目前针对直流系统的反孤岛策略的研究较少，主要集中于使用DC/DC变换器注入有功扰动的基于电压正反馈的检测方法。为使孤岛后直流电压能快速越限，该类方法要求各光伏电源处的DC/DC变换器同步注入扰动以确保扰动强度。但在多机并网的直流电网中，受电气参数差异的限制，不同DC/DC变换器注入扰动的同步性难以保证，分散的低强度扰动将减缓检测速度，甚至致使检测失败。因此，需要研究适用于多机接入的直流电力系统的孤岛检测技术。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种适用于多光伏电源并网的直流电力系统的阻抗测量式孤岛检测法，包括：

步骤1：通过间歇性闭锁DC/DC变换器子模块，以固定的时间间隔向直流系统内注入特定频率的谐波扰动；

步骤2：在谐波注入时间段内采集PCC点电压、电流信号，利用傅里叶算法提取注入频率的信息，计算测量电抗；

步骤3：根据测量谐波电抗幅值的变化判断孤岛；

所述步骤1中选择含有直流分量及幅值与频次成反比的奇数次谐波的方波作为注入的谐波扰动进行测量阻抗的计算。

所述步骤2采用傅里叶算法提取注入频率的谐波电压、谐波电流，并据此计算出该频率下的高频测量阻抗，选用测量阻抗中的电抗值作为鉴别系统孤岛运行的特征量以扩大系统孤岛前后的差异。

所述步骤3具体包括：当DC/DC升压变换器为谐波注入源时，孤岛运行状态下，PCC处的测量阻抗为本地负载阻抗与不作为注入源的各PV系统等效阻抗的并联；并网运行状态下，PCC处的测量阻抗为孤岛状态下测量阻抗与系统MMC侧等效阻抗的并联，据此检测孤岛。

所述高频谐波扰动的载波周期内闭锁时长定为5％，即闭锁的占空比为0.05；同时系统正常运行状态下，每0.5s中选取0.1s进行谐波注入，其余时间系统正常运行。

通过采用本发明的适用于多光伏电源并网的直流电力系统的阻抗测量式孤岛检测法，能够获得有益效果如下：

(1)该方法使用阻抗测量法检测孤岛，测量电抗在孤岛后将立即产生变化，与注入扰动的强度无关，因此无需多变换器同步进行扰动，能够适用于单机或多机接入的直流网络；

(2)该方法采用小占空比间歇性注入，注入强度较低、时长较短，对系统电能质量的影响较小；

(3)该方法使用光伏电源直流并网的DC/DC升压变换器进行谐波注入，不依赖外加注入设备；

(4)测量电抗直接反映系统结构变化，在系统进入孤岛运行状态前后PCC点的测量电抗必然会发生变化，依据测量电抗可以快速而精确的检测出孤岛运行现象的发生；

(5)该方法使用测量电抗作为判别孤岛运行的特征量，高频下测量电抗具有较高数值，扩大了孤岛前后系统的差异，同时不受本地负载变化的影响。

附图说明

图1为多机并联光伏发电系统接入直流负荷结构图。

图2为DC/DC变换器子模块IPOS运行示意图。

图3为单机运行测量电抗与理论值对比曲线。

图4为两机并联运行测量电抗与理论值对比曲线。

图5为六端柔性直流电力系统结构图。

图6为六端直流系统中测量电抗与理论值对比曲线。

图7为扰动注入前后系统谐波含量对比曲线。

图8为适用于多光伏电源并网的直流电力系统的阻抗测量式孤岛检测法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

多机并联光伏发电系统接入直流负荷结构如图1所示。图中光伏电源经直流升压变换器接入本地直流负荷构成直流电力系统，并通过直交变换MMC与电网相连。当系统出现故障或较大扰动时，断路器K_MMC跳开，使光伏发电系统与电网脱离，与直流负荷形成直流孤岛。

阻抗测量法依据PCC点的测量阻抗在孤岛前后的差异进行孤岛检测。测量阻抗的量测通常需要主动注入扰动，本发明利用直流升压DC/DC变换器注入扰动信号，并根据系统对扰动信号的响应进行测量阻抗的计算。

当PV系统1处的DC/DC升压变换器为谐波注入源时，孤岛运行状态下，PCC处的测量阻抗为本地负载阻抗Z_load与其他PV系统等效阻抗Z_PV的并联：

并网运行状态下，PCC处的测量阻抗为孤岛测量阻抗与系统MMC侧等效阻抗Z_MMC的并联：

MMC侧等效阻抗较小，所以并网状态下的测量阻抗与孤岛状态下的测量阻抗将呈现出较大差异。阻抗测量法通过检测孤岛前后的这一阻抗差异识别孤岛运行状态。

全桥DC/DC变换器模由多个子模块IPOS运行，以提高光伏发电系统的输出电压。子模块结构及IPOS运行的连接方式结构见图2。子模块中高频变压器高压侧为单相桥式整流器，其输出的直流电压中特征谐波频率为DC/DC变换器载波频率的偶数倍。以载波频率fs＝1/Ts、占空比k＝τ/T周期性闭锁一个子模块PV侧的全桥逆变电路，可以等效为在DC/DC变换器高压侧注入一列周期为Ts、占空比为k、幅值A为单个子模块输出直流电压的方波。对该方波进行傅里叶分解，由于该波形为偶函数，傅里叶展开中不含正弦项：

式中A₀为方波的直流分量，可表示为

a_n为n次余弦分量的振幅，可表示为

联立公式(3)、(4)、(5)可得：

由式(6)可知，该方波中含有幅值与占空比k成正比的直流分量及幅值与频次成反比的奇数次谐波，不含偶数次谐波。奇数次谐波中载波频率次谐波幅值最高，且与变换器特征谐波不重叠，因此选择它作为注入的谐波扰动进行测量阻抗的计算。为避免多个扰动源间相互干扰，只在其中一台DC/DC变换器处进行谐波注入。

为了降低扰动信号对系统的电能质量的干扰，所述方法采用小占空比间歇注入。系统正常运行状态下，每0.5s中选取0.1s进行谐波注入，注入段内每载波周期中闭锁全桥逆变电路的时长为Ts×5％，即等效方波扰动信号的占空比为k＝0.05。使用加窗傅里叶算法在0.1s的注入期间提取PCC点的载波频率电压和电流数据进行测量阻抗的计算。系统进入孤岛运行状态时，测量阻抗的计算值将存在最长0.5s的延后，即算法可以在0.5s内检出孤岛，符合相关标准对孤岛检测时间的要求。同时，考虑到高频下可利用X＝ωL放大孤岛前后的特征量差异，选用测量阻抗中的电抗值作为鉴别系统孤岛运行的特征量，从而扩大孤岛前后系统的差异，在不对电能质量造成额外影响的情况下获得更精确的检测结果。

图8为适用于多光伏电源并网的直流电力系统的阻抗测量式孤岛检测法的流程图。下面结合具体示例来说明本发明提出的适用于多光伏电源并网的直流电力系统的阻抗测量式孤岛检测法的技术效果。

首先在结构如图1所示的单机运行及两机并联运行的系统中检测所述方法的有效性。系统额定电压为±750V(1.5kV)，DC/DC变换器载波频率1000Hz，在其出口设置3mH平波电抗，本地直流负载消耗的功率与光伏电源的有功输出完全匹配。在单机运行状态及两台机并联运行的系统中下，分别绘制了测量电抗随时间变化的图像如图3、图4所示。图中系统均在5s时由并网进入孤岛运行状态，且0-1s的系统启动阶段没有画出。由图3、4中测量电抗理论值与测量值的对比可以看出，测量电抗幅值在进入孤岛运行状态后呈现出快速而显著的变化。两机并联运行时，孤岛状态下系统内仍然存在一条DC/DC变换器等效阻抗的并联支路，这导致图4中测量阻抗幅值在孤岛前后的大小关系与图3相反。在两系统内使用所述方法注入高频谐波得到的测量电抗测量值均具有较高的准确度，可以对孤岛运行状态进行及时而准确的检测。

为进一步说明本方法在复杂直流电力系统中的表现，搭建了如图5所示的六端柔性直流电力系统，直流母线3-6上挂载的直流负载分别为1、0.5、1、2倍对应光伏电源额定有功出力，各DC/DC变换器出口设置3mH的平波电抗。分别对开关K3、K6、31和45、43和62、54和62、43和56断开形成的六种不同孤岛运行工况进行检测，测量阻抗的计算值与理论值对比如图6所示。使用高频测量电抗作为判断孤岛的特征量，能够扩大孤岛运行前后系统的差异，所述方法在该环状直流电力系统中保持足够的精度，可以分辨出孤岛前后最小约3欧姆(图6.b)的测量阻抗差值，准确检出孤岛现象的发生。

最后，在如图1所示结构的单机并网系统中对谐波注入前后系统各频次谐波分量进行计算，绘制如图7所示的扰动注入前后各频次谐波含量对比图。图中红色虚线为无注入时PCC点测得的各次谐波含量，蓝色实线为注入后的各次谐波含量。为方便对比，图中已将直流(0Hz)分量剔除。如图所示，在不进行谐波注入时，系统中的谐波主要为DC/DC变换器的特征谐波频率(2000Hz、4000Hz等)。方法注入的谐波为DC/DC变换器载波频率的奇数倍(1000Hz、3000Hz等)，注入后观察到对应频率的谐波幅值显著增加，但幅值仅为2000Hz的变换器特征谐波的约四分之一。图中谐波幅值以标幺值形式给出，可以明确看出，采用所述注入方式不会对直流侧的电能质量产生明显影响。

因此，本方法应用于多机并网的直流电力系统中时，注入高频谐波并对比孤岛前后的测量阻抗差异可以精确地检测出孤岛，测量阻抗变化直接反应系统结构变化，与扰动无关，对扰动信号的强度要求较低。通过单台DC/DC变换器集中注入高频谐波进行测量阻抗的计算，无需多变换器同步扰动，能够适用于多机接入的直流网络；选取高频电抗作为特征量，放大了孤岛前后系统特征差异的同时降低了直流负载变化对保护动作阈值的影响；使用小占空比间歇式注入，减小了对电能质量的影响。仿真结果表明所述方法具有足够的检测精度和检测速度，能够在复杂的多机直流电力系统中准确而快速的检出孤岛运行的发生。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种适用于多光伏电源并网的直流电力系统的谐波阻抗测量式孤岛检测法，其特征在于，包括：

步骤1：通过间歇性闭锁DC/DC变换器子模块，以固定的时间间隔向直流系统内注入特定频率的谐波扰动；

步骤2：在谐波注入时间段内采集PCC点电压、电流信号，利用傅里叶算法提取注入频率的信息，计算测量电抗；

步骤3：根据测量谐波电抗幅值的变化判断孤岛。

2.根据权利要求1所述孤岛检测法，其特征在于，所述步骤1中选择含有直流分量及幅值与频次成反比的奇数次谐波的方波作为注入的谐波扰动进行测量阻抗的计算。

3.根据权利要求1所述孤岛检测法，其特征在于，所述步骤2采用傅里叶算法提取注入频率的谐波电压、谐波电流，并据此计算出该频率下的高频测量阻抗，选用测量阻抗中的电抗值作为鉴别系统孤岛运行的特征量以扩大系统孤岛前后的差异。

4.根据权利要求1所述孤岛检测法，其特征在于，所述步骤3具体包括：当DC/DC升压变换器为谐波注入源时，孤岛运行状态下，PCC处的测量阻抗为本地负载阻抗与不作为注入源的各PV系统等效阻抗的并联；并网运行状态下，PCC处的测量阻抗为孤岛状态下测量阻抗与系统MMC侧等效阻抗的并联，据此检测孤岛。

5.根据权利要求1所述孤岛检测法，其特征在于，所述高频谐波扰动的载波周期内闭锁时长定为5％，即闭锁的占空比为0.05；同时系统正常运行状态下，每0.5s中选取0.1s进行谐波注入，其余时间系统正常运行。