CN110165700B - 基于母线电压扰动的直流孤岛检测方法 - Google Patents

基于母线电压扰动的直流孤岛检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流孤岛检测方法，主要由三个部分组成：直流母线电压扰动环节、扰动分量提取环节、直流孤岛判断环节；直流电网电压管理单元通过母线电压扰动环节向母线电压注入小扰动信号作为并网模式表征信号；直流电网功率管理单元通过扰动分量提取环节获取母线电压的扰动分量作为直流孤岛判断依据；直流孤岛判断环节根据一段时间内扰动分量出现的次数判断直流系统是否发生孤岛；该方法能够及时检测出直流系统孤岛的发生，检测精度不受系统运行状态或架构的影响，且不存在检测盲区。

Description

基于母线电压扰动的直流孤岛检测方法
技术领域
本发明属于分布式发电、直流电网、交直流混合电网领域，尤其是涉及一种基于母线电压扰动的直流孤岛检测方法。
背景技术
随着新能源发电的快速发展和直流属性负荷的不断增多，直流输配电将在电网中占比越来越大，直流系统中孤岛效应的问题日趋严重。
孤岛效应起源于交流电网，指由于主电网中出现故障或停电维修造成区域电网与主电网之间断开连接，区域电网中的分布式电源未能检测出主电网停电的状态，继续向负载供电，进而形成了一个自供电的孤岛。孤岛发生后，意味着区域电网的电压和频率失去了主电网的支撑，当分布式电源的出力发生变化或负载突变时，系统电压和频率会发生偏移，损坏用电设备。同时分布式电源继续向电网中注入电能会危及输电线路上维修人员的生命安全，因此及时检测出系统处于孤岛运行的状态是十分必要的。
直流孤岛现象指直流系统中的电压管理单元由于故障或者检修与直流系统失去连接，而系统中的分布式发电单元继续向负荷供电，形成了一个自供电的直流孤岛。直流电网等效模型如图1所示，其中交流电网或直流电网与并网变流器共同等效为电压源，管理系统母线电压，分布式发电单元等效为功率管理单元，两者共同向负荷供电。当电压源由于上述原因与直流母线失去连接时，分布式电源与负载形成自供电孤岛。若孤岛发生时，分布式电源的发电量与负荷的用电量一致时，直流母线电压将基本无波动，此时基于电压偏移的无源检测方法将出现检测盲区，无法及时探测出系统处于孤岛模式。这种无意识的孤岛是一个不可控的状态，一旦出现功率不均衡将会恶化供电质量，损坏供电设备。因此接入直流系统中的分布式电源必须具备直流孤岛检测功能，当孤岛发生后及时切换至孤岛运行模式，保障系统的安全稳定运行。
交流系统的孤岛检测技术主要利用了交流系统的特征量，如频率、无功、谐波等。而直流系统中不存在这些特征，因此需要一种基于直流系统特征的孤岛检测方法，以提高直流系统孤岛的穿越能力。
发明内容
为了在无源检测方法出现检测盲区时有效地检测出直流孤岛的发生，提高孤岛检测的精度，本发明提供一种基于母线电压扰动的直流孤岛检测方法，及时检测出直流系统孤岛的发生，提高直流系统孤岛的穿越能力。
本发明提出的一种基于母线电压扰动的直流孤岛检测方法，包括直流母线电压扰动环节、扰动提取环节和直流孤岛判断环节。
步骤一，直流母线电压扰动环节：母线电压扰动分量指令值与母线电压实测值的差值送入谐振环节，谐振环节的输出作为电流扰动分量叠加至电流指令中或作为占空比扰动分量叠加至占空比的指令值中，实现扰动分量的闭环控制。
直流母线电压管理单元基本拓扑如图2、图3、图4所示，这些变流器充当电压管理单元时的共同特征是控制环路中均含有电压控制环。如图5所示，其中V*为直流母线电压的指令值，d为变流器中电力电子开关控制信号，Vo为直流母线电压实测值；控制环路的前向通道由控制器与变流器的小信号模型构成，反馈通道由采样电路和带通滤波环节构成。
步骤二，扰动提取环节：功率管理单元实时检测直流母线电压实际值，并通过适当的带通滤波环节提取直流母线电压中的扰动分量，传递给直流孤岛判断环节；针对母线电压上特定频率的扰动分量，可以通过带通滤波环节进行提取与放大。
步骤三，直流孤岛判断环节：当步骤二中获得的直流母线电压扰动分量超过设定的阈值时，扰动计数器加一；设定时间内扰动计数器数值大于零，表征系统存在直流母线电压扰动环节，判断系统处于并网运行模式；设定时间内扰动计数器的计数值为零，表征系统失去直流母线电压扰动环节，判断系统处于孤岛模式，执行孤岛切换程序。
优选的，所述扰动分量Vr *选取正弦分量。
优选的，所述正弦分量的幅值选取母线额定电压的1％，频率选取为电流指令至输出电压传递函数幅值增益最大对应的频率。
进一步地，直流系统并网运行时，电压管理单元周期性的对直流母线电压进行扰动。
进一步地，孤岛判断环节的控制算法中包含主函数、计时中断1、计时中断2；计时中断1用于判断第一中断时间内系统检测扰动分量的次数是否等于零，计时中断2用于得到第二中断时间内检测到扰动分量的次数。
优选的，所述第一中断时间选取0.1s。
优选的，所述第二中断时间选取0.001s。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过对直流母线电压产生一定小的扰动，作为系统中孤岛检测信号，用以表征系统是否处于孤岛运行模式。
2、本发明通过引入闭环控制，精确控制系统中扰动分量的大小。避免了直流系统结构或运行工况的改变而造成扰动分量的波动，进而在保障供电质量的同时，实现孤岛检测。
3、本发明提出的孤岛检测方法，能够在无源检测方法出现检测盲区时有效地检测出直流孤岛的发生，提高孤岛检测的精度。
4、本发明提出的孤岛检测方法适合于含有多个分布式电源的多机系统。
附图说明
图1是本发明实施例中直流孤岛检测方法示意图；
图2是本发明实施例中直流孤岛检测研究等效模型图；
图3是本发明实施例中交流电网-直流电网并网接口变流器示意图；
图4是本发明实施例中交流电网-直流电网多级变换并网接口变流器示意图；
图5是本发明实施例中直流电网-直流电网并网接口变流器示意图；
图6是本发明实施例中并网接口变流器电压控制环路示意图；
图7是本发明实施例中电压扰动分量闭环控制示意图；
图8是本发明实施例中直流孤岛判断环节流程示意图；
图9是本发明实施例中电压管理单元母线电压扰动分量指令值与实际值；
图10是本发明实施例中功率管理单元母线电压实测值与带通滤波器输出值。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。
直流电网孤岛检测模型如图2所示，包含有分布式电源、并网接口变流器、负荷。分布式电源如光伏发电，风力发电，为了最大限度的获取清洁能源，工作在最大功率点跟踪模式，因此在直流系统中分布式发电单元一般充当功率管理单元。并网接口变流器的结构如图3、图4、图5所示，由于主电网容量远远大于分布式发电系统，并网接口变流器常充当电压管理单元，维持系统母线电压的稳定，进而实现直流系统中发电量与用电量的平衡，其电压控制环路如图6所示。当并网开关闭合时，系统运行于并网模式，电压管理单元和功率管理单元共同向负载供电，母线电压受到电压管理单元稳定控制。当并网开关断开时，系统运行于孤岛模式，只存在功率管理单元向负载供电，母线电压处于一个不可控的状态。
本发明包括三个环节，如图1所示，直流母线电压扰动环节、扰动提取环节和直流孤岛判断环节。通过电压管理单元对直流母线电压进行扰动，其扰动分量作为表征系统并网运行的信号。系统中功率管理单元通过检测母线电压是否存在扰动分量来判断系统的运行状态，以便及时检测出系统处于孤岛运行模式。
在电压管理单元的控制环路中加入直流母线电压扰动环节实现对母线电压扰动分量的注入，如图7所示。扰动分量指令值Vr *选取正弦分量，其幅值选取母线额定电压的1％，频率选取为电流指令至输出电压传递函数幅值增益最大对应的频率。谐振环节传递函数如下所示：
Figure BDA0002047561550000041
其中ωo为扰动分量指令值的频率，ωi用以防止系统中的噪声被放大，限制谐振环节的增益，Kr为谐振系数，可以根据实际系统参数进行设计。如图9所示，扰动分量能快速跟踪上指令值。
功率管理单元中引入扰动提取环节，将功率管理单元端口电压通过带通滤波器后，可以获取直流母线电压中的扰动分量。如图10所示，0.25s时使能电压管理单元扰动环节，带通滤波器输出随即出现特定频率扰动，1s时直流孤岛发生，带通滤波器输出扰动随即消失。将此扰动信号作为系统运行模态表征信号，送入直流孤岛判断环节。
功率管理单元控制算法中加入直流孤岛判断环节，如图8所示，包含主函数、计时中断1、计时中断2。主函数功能为判断孤岛标志位是否置位，若孤岛标志位置位，表征系统已经处于孤岛运行模式，并及时执行孤岛切换程序。计时中断1功能为判断一段时间内系统检测扰动分量的次数是否等于零，若为零则表征系统中的并网信号消失，相应的将孤岛标志置位，中断时间取决于扰动分量的频率和孤岛检测时间的折中，本例中选取0.1s。计时中断2功能主要为计量检测到扰动分量的次数，用以评估系统的状态，中断时间取决于扰动分量的频率，本例中选取0.001s。
直流系统并网运行时，电压管理单元周期性的对直流母线电压进行扰动，如图10所示。扰动提取环节能够提取出电压中特定频率的扰动，并将其送入直流孤岛判断环节，直流孤岛判断环节依据扰动的数目判断系统运行状态。当直流系统孤岛运行时，系统失去了电压管理单元的扰动，扰动提取环节的扰动输出量为零，则设定时间内直流孤岛判断环节扰动计数为零，将判定系统处于孤岛运行模式。
本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种基于母线电压扰动的直流孤岛检测方法，其特征在于，包括直流母线电压扰动环节、扰动提取环节和直流孤岛判断环节；
步骤一，直流母线电压扰动环节：向谐振环节输入扰动分量Vr*，谐振环节的输出作为电流扰动分量叠加至电压控制环路的电流指令中或作为占空比扰动分量叠加至电压控制环路的占空比指令值中；所述的扰动分量Vr *选取正弦分量；
步骤二，扰动提取环节：功率管理单元实时检测直流母线电压，并通过带通滤波器提取直流母线电压中的扰动分量，传递给直流孤岛判断环节；
步骤三，直流孤岛判断环节：当步骤二中获得的直流母线电压扰动分量超过设定的阈值时，扰动计数器加一；设定时间内扰动计数器数值大于零，表征系统存在直流母线电压扰动环节，判断系统处于并网运行模式；设定时间内扰动计数器的计数值为零，表征系统失去直流母线电压扰动环节，判断系统处于孤岛模式，执行孤岛切换程序。
2.根据权利要求1所述的一种基于母线电压扰动的直流孤岛检测方法，其特征在于，所述正弦分量的幅值选取母线额定电压的1％，频率选取为电流指令至输出电压传递函数幅值增益最大对应的频率。
3.根据权利要求1所述的一种基于母线电压扰动的直流孤岛检测方法，其特征在于，直流系统并网运行时，电压管理单元周期性的对直流母线电压进行扰动。
4.根据权利要求1所述的一种基于母线电压扰动的直流孤岛检测方法，其特征在于，孤岛判断环节的控制算法中包含主函数、计时中断1、计时中断2；计时中断1用于判断第一中断时间内系统检测扰动分量的次数是否等于零，计时中断2用于得到第二中断时间内检测到扰动分量的次数。
5.根据权利要求4所述的一种基于母线电压扰动的直流孤岛检测方法，其特征在于，所述第一中断时间选取0.1s。
6.根据权利要求4所述的一种基于母线电压扰动的直流孤岛检测方法，其特征在于，所述第二中断时间选取0.001s。
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