CN111130134A

CN111130134A - 一种基于系统仿真的孤岛检测方法

Info

Publication number: CN111130134A
Application number: CN201910994007.2A
Authority: CN
Inventors: 庞博; 尹兆磊; 袁绍军; 孙文宇; 刘驰; 白明辉; 苗宏佳; 席海阔; 冯浩
Original assignee: Chengde Power Supply Co of State Grid Jibei Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Chengde Power Supply Co of State Grid Jibei Electric Power Co Ltd
Priority date: 2019-10-18
Filing date: 2019-10-18
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2039-10-18
Also published as: CN111130134B

Abstract

一种基于系统仿真的孤岛检测方法，属于电力系统保护控制领域，尤其涉及通过仿真对光伏并网系统运行状态进行检测的方法，包括以下步骤：获取光伏并网系统内部的网络拓扑图，以实际负载参数建立仿真模型；进行仿真，计算得到仿真的电压谐波含量；获取光伏并网点PCC的电压谐波含量；比对仿真得到的电压谐波含量与实际获取的电压谐波含量，判断光伏并网系统的运行状态。本发明以谐波检测和系统仿真相结合的检测方式，不只单纯判断谐波含量，而是比对实际的谐波含量与实时仿真结果，极大的缩小了检测盲区。

Description

一种基于系统仿真的孤岛检测方法

技术领域

本发明属于电力系统保护控制领域，尤其涉及通过仿真对光伏并网系统运行状态进行检测的方法。

背景技术

随着并网的光伏电站不断增加，给电网的运行保护及控制带来一系列问题，而孤岛效应为最严重的问题之一。作为一种特殊的故障状态，孤岛效应定义为：公共电网因故障、检修或其他原因停止供电后，光伏并网系统未能及时获知系统的断电状态，仍向区域负载输出电能，最终形成一个不受电网控制的带本地负载运行的孤岛。公共电网因偶然因素如停电检修、误操作而动作跳闸，光伏电站与外部负载构成孤岛独立运行，此时可能导致孤岛系统内电压、频率偏离标准，对电力维修人员的生命安全造成威胁，严重损害用电设施。

目前，孤岛检测方法主要分为远程检测和本地检测两种：远程检测主要手段为在电网侧配置远程监测设备，将电网的状态通过通讯技术传输到光伏电站侧，这种方法不仅配置成本高，通信上容易受信号干扰，而且多数情况下还需要向上级电网公司申请报备，较为繁琐。本地检测方式又分为被动检测和主动检测两种，被动检测法主要是在DG输出端，检测孤岛发生前后，发电系统与电网的公共耦合点处的电压、频率、相位等参数的变化来判断是否发生孤岛。但是当本地负载负荷与DG输出功率相匹配时，耦合点处的电压、频率、相位等在孤岛发生不会出现较大的变化，此时被动法将会出现一定的盲区。主动检测法则是周期性加入很小的电压、电流、频率或者相位等干扰量。主动检测时间长、对电能质量有影响。

发明内容

本发明的目的是提出一种新的检测手段，减小被动检测的盲区，降低主动检测的干扰，缩短检测时间。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于系统仿真的孤岛检测方法，包括以下步骤：

步骤1、获取光伏并网系统内部的网络拓扑图，以实际负载参数建立仿真模型；

步骤2、进行仿真，计算得到仿真的电压谐波含量；

步骤3、获取光伏并网点PCC的电压谐波含量；

步骤4、比对仿真得到的电压谐波含量与实际获取的电压谐波含量，若两者接近，进入步骤5；

步骤5、判断系统进入孤岛状态。

进一步地：

步骤5、判断仿真得到的电压谐波含量是否大于4%，若大于则系统处于孤岛状态，否则执行步骤6；

步骤6、在逆变器侧注入0.5%~2%的谐波，获取光伏并网点PCC的电压谐波含量；同时，仿真模型中，在逆变器侧注入等量的谐波进行仿真，得到电压谐波含量；比对仿真得到的电压谐波含量与实际获取的电压谐波含量，若两者接近，则系统进入孤岛状态。

根据国家标准，电网中谐波（3-9次）含量不得高于4%，因此电网都配有谐波处理装置，当有谐波注入电网时会被抵消掉一部分谐波，检测到的谐波含量与注入的谐波含量往往不相等。正常情况下，电网中含有一定量的谐波，光伏并网系统中在非线性阻抗少或L、C谐波源相互抵消的情况下，孤岛运行时电压波形会优于电网内电压波形，所以在单独使用谐波检测时会因此产生检测盲区。

针对上述问题，本发明提供一种新型的孤岛检测方法，通过读取光伏并网点PCC的电压数据，获得电网中谐波含量，同时利用仿真系统及光伏并网拓扑图，对光伏并网系统内的负载进行实时仿真，得出在该负载情况下的谐波含量。通过电网中实时谐波含量与仿真实时谐波含量对比，若一致说明可能存在孤岛情况，再进一步的通过对系统内注入小量谐波的方式，进一步对比判断。

本发明以谐波检测和系统仿真相结合的检测方式，不只单纯判断谐波含量，而是比对实际的谐波含量与实时仿真结果，极大的缩小了检测盲区；在被动检测不能确定运行状态时，又通过谐波注入检测方式，增加检测结果的可信度，实现了理想情况下无检测盲区的孤岛检测技术的重大突破，且本发明可广泛应用于各种需要进行孤岛检测的系统，具有极高的推广价值。

附图说明

图1是光伏并网系统仿真配置图，

图2是本发明的流程图，

图3 是光伏并网系统中某时刻PCC点某相电压原始波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

步骤1、获取光伏并网系统内部的网络拓扑图，以实际负载参数建立仿真模型。

为了保证仿真结果最接近实际情况，建立仿真模型是以光伏并网系统的实际负载参数作为模型参数。以上参数可以从光伏并网系统内部的网络拓扑图获得。仿真系统可以使用simulink、PSASP、PSS/E、PSD-BPA、EMPT/APT其他电力系统仿真软件或硬件设备。本实施例中，选用simulink，原因是simulink软件可移植型强，易于转换为C语言等语言，应用于保护设备上，对硬件要求较低。

影响谐波的主要因素是谐波源，谐波源是指向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备，如发电机、电动机、UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。产生谐波的仪器设备都称之为谐波源设备。本发明只关注对谐波产生影响的设备，为了进一步简化系统，在建立仿真模型时，以实际谐波源设备的参数建立仿真模型。

建立的仿真模型配置如图1所示。

图1中，“系统控制模块”为仿真系统的控制模块，结合实际情况可选择P/Q控制，V/f控制等，该模块与其他模块有内部连接（图中未标明）；“分布式电源模块”根据分布式电源的实际参数进行设置更改，用于仿真时的电能输出，可根据实际情况并联配置多个模块；三个“波形显示器”，显示电流电压的实时波形和谐波含量；“谐波检测模块”three-PhaseSinusoidal Measuremengt（PLL），可输出各相电压中包含的谐波含量；“故障产生模块”Three-Phase Fault，可以根据需要，由“故障产生模块控制器”控制，模拟短路故障及谐波注入等；“负载模型”为实际参数的谐波源模型，可模拟实际负载产生谐波；“三相转接模型”相当于一个采样装置，把线路中ABC三相的电压电流信息传给波形显示器，便于观察该处的波形信息。

步骤2、进行仿真，计算得到仿真的电压谐波含量。

运行仿真模型，获取光伏并网系统处于孤岛状态下的电压谐波，存储运行结果以备使用。

如果光伏并网系统中的谐波源没有发生变化，仿真结果是一致的。

本实施例中，通过与本地主控系统通讯，获取光伏并网系统拓扑图情况。当系统拓扑图内谐波源发生变化时，即接入的非阻抗性负载发生投/退时，进行一次仿真。无需每次判断都进行仿真，可节省检测时间，以及缓解相关的软、硬件压力。

仿真模型中谐波源负载在孤岛模式下进行，更加接近真实情景，有利于提高孤岛检测的正确性。

步骤3、获取光伏并网点PCC的电压谐波含量。

本实施例中，获取3次谐波和5次谐波的含量进行比对。

对PCC点一个周期的电波形为采样数据，使用极点滤波算法，对进行谐波含量分析，计算出PCC点电压中三次谐波与五次谐波的含量。

具体的极点滤波算法如下：

1）在时域下滤波函数为：

（式-1）

式中：

为需要滤去的K次谐波的角频率，

为采样频率的倒数。

2）将式-1化简得：

（式-2）

3）将式-2经拉普拉斯变换得：

（式-3）

4）由于滤波时会使得相应位置的采样点随之发生变化，因此需要对其他次谐波进行补偿，设补偿半径为r，则补偿相关系数为：

（式-4）

滤三次谐波时r=0.749，滤五次谐波时r=0.159。

5）

，解得

即为k 次谐波有效值，k次谐波有效值比基波有效值乘100%，即为谐波含量。

以图3 中一个周期的电波形为采样数据，使用极点的计算结果为：本次采样中三次谐波含量为1.5%，五次谐波含量为0.8%。

步骤4、比对仿真得到的电压谐波含量与实际获取的电压谐波含量，若两者接近，进入步骤5。

两者接近是指仿真得到的电压谐波含量与实际获取的电压谐波含量之差的绝对值小于0.01%。如仿真得到的电压谐波含量为0.50%，实际获取的电压谐波含量在0.49%和0.51%之间，都视为接近。

步骤5、判断系统进入孤岛状态。

以上过程可以判断出光伏并网系统所处的状态。但还有些例外情况没有考虑到。

如果仿真结果中的谐波含量和实测得到的谐波含量接近，但由于在电网中存在谐波，光伏并网系统中也存在谐波，如果光伏系统本身产生的谐波刚好与电网中的谐波含量一致，那么此时，实际检测结果有可能与仿真结果一致。如果单独用两者含量相近进行判断，会出现误判的情况。

如果仿真结果中的谐波含量和是测得的谐波含量接近，且都大于国家标准的4%，判断光伏并网系统处于孤岛状态没有问题。如果小于4%，本发明采用进一步判断的方式来验证。

另外，如果仿真结果中的谐波含量和实测得的谐波含量相差很大，但PCC点上的电压谐波含量超过国家标准的4%，但谐波含量较大，容易对设备造成影响。

本实施例中采用以下技术手段解决上述问题。

步骤4、比对仿真得到的电压谐波含量与实际获取的电压谐波含量，若两者接近，进入步骤5，否则，进入步骤7。

两者接近时：

步骤5、判断仿真得到的电压谐波含量是否大于4%，若大于则系统处于孤岛状态，否则执行步骤6。

步骤6、此时还不确定光伏并网系统的运行状态，这里进行主动测试：在逆变器侧注入0.5%~2%的谐波，获取光伏并网点PCC的电压谐波含量；同时，仿真模型中，在逆变器侧注入等量的谐波进行仿真，得到电压谐波含量；比对仿真得到的电压谐波含量与实际获取的电压谐波含量，若两者接近，则系统进入孤岛状态。

增加4%的判断条件，免去主动检测的步骤，可以在保证检测准确率的前提下，提高检测速度。

如果两者不接近：

步骤7、判断实际获取的电压谐波含量是否大于4%，若大于则说明供电质量异常，需对行光伏并网系统进行保护动作。

这里不进行孤岛判断。实际电压谐波含量与仿真结果不符合，说明系统处于非孤岛状态，因此默认光伏并网系统为并网状态。

此时，由于谐波含量较大，容易对设备造成影响，因此需要进行保护动作。

本步骤中，在判断光伏并网系统状态的同时，也根据谐波含量的变化，给出保护的建议。

本实施例中，用仿真结果与实测结果对比，判断光伏并网系统的状态，对非确定情况通过主动测试方法进一步确认，并且通过判断实测的谐波含量来决定是否需要对光伏并网系统进行保护。以上过程如图2所示。

目前的电压谐波检测法原理是检测PCC点总谐波含量，以判断是否发生孤岛。当光伏并网系统的谐波电流流入局部负荷，本地负载的阻抗远远大于电网阻抗，所以PCC点的谐波将有显著的变化，如果谐波变化量超过设定值，就可判定已经形成孤岛现象。如果进入孤岛状态时谐波变化量低于设定值则无法有效检测出孤岛发生。

上述检测方法需要设定用于判断的定值，而定值范围内则是孤岛检测的盲区。

相比于已有的方法，本发明提供的方案没有绝对固定的定值，因此理论上不存在检测盲区。由于算法本身计算存在误差的原因，才导致的检测存在一定盲区，但算法产生的误差极小，因此整体的检测盲区也是极小的。算法上没有误差，则不存在检测盲区。这就是本发明提供的方案的最突出的优势，本发明的方案结合被动检测与主动检测两种方式，同时具有这两种检测方式的优点，又最大程度上规避了这两种检测方式带来的缺点。

本发明理论上没有检测盲区，实际中的检测盲区主要是由于算法本身的误差所带来的，这个盲区远小于其他检测方法的百分之几的盲区。

当一些特殊情况发生时，其他的检测方法就会检测不到，没有对特殊情况的处理手段。即使目前最新的一些单纯的主被动结合的检测方法依然存在很大的检测盲区，无法处理一些特殊情况，且会对电能质量产生影响。

Claims

1.一种基于系统仿真的孤岛检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤2、进行仿真，计算得到仿真的电压谐波含量；

步骤3、获取光伏并网点PCC的电压谐波含量；

步骤5、判断系统进入孤岛状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1中，以实际谐波源设备的参数建立仿真模型；步骤2中，当光伏并网系统内谐波源发生变化时，进行一次仿真。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤5、判断仿真得到的电压谐波含量是否大于4%，若大于则系统处于孤岛状态。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤4、比对仿真得到的电压谐波含量与实际获取的电压谐波含量，若两者接近，进入步骤5，否则，进入步骤7；

步骤7、判断实际获取的电压谐波含量是否大于4%，若大于则说明供电质量异常。

6.根据权利要求1或3或4或5所述的方法，其特征在于：所述电压谐波为3次谐波和5次谐波。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：对PCC点的采样数据使用极点滤波算法进行谐波含量分析计算。

8.根据权利要求1或4所述的方法，两者接近是指仿真得到的电压谐波含量与实际获取的电压谐波含量之差的绝对值小于等于0.01%。