CN111856311A

CN111856311A - 中低压直流系统分布式电源孤岛检测方法和系统

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Publication number: CN111856311A
Application number: CN202010640599.0A
Authority: CN
Inventors: 朱淼; 胡皓; 徐莉婷; 李修一; 王晗; 蔡旭
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2020-07-06
Filing date: 2020-07-06
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2040-07-06
Also published as: CN111856311B

Abstract

本发明提供了一种中低压直流系统分布式电源孤岛检测方法和系统，包括：步骤1：分布式电源通过接口直流变换器接入到直流配电网中，直流变换器虚拟直流电机控制方式；步骤2：采样直流配电网中的直流母线电压信号；步骤3：对采样的直流母线电压信号进行处理计算，得到虚拟直流电机角速度偏差量；步骤4：将虚拟直流电机角速度偏差量叠加到虚拟直流电机角速度上；步骤5：检测直流母线电压，当其由于扰动而偏离正常运行范围时，判定直流配电网处于孤岛状态，实现孤岛检测。本发明采用虚拟直流电机控制策略，分布式电源按照功率给定值进行功率输出，为分布式电源提供了一定的惯性，有利于正常运行时的系统稳定性。

Description

中低压直流系统分布式电源孤岛检测方法和系统

技术领域

本发明涉及分布式电源并网发电与电力电子系统控制技术领域，具体地，涉及一种中低压直流系统分布式电源孤岛检测方法和系统。尤其地，涉及一种虚拟电机控制下的中低压直流系统中分布式电源的运行控制与孤岛检测。

背景技术

太阳能因具有资源分布广泛、转化利用便捷等优势，已成为当前可再生能源开发的主要对象，而光伏发电则是太阳能资源规模化开发利用的主要形式。因地制宜，推动各类形式光伏发电的研发与建设，促进光伏产业技术革新与健康发展，已成为我国新能源领域重大战略需求。

目前，分布式光伏等新能源发电大多接入中低压交流配电网。但是，在电源侧以光伏发电、储能电池为代表的分布式能源得到日益广泛的应用；与此同时，在负荷侧以直流家用电器、固态照明、电子设备、电动汽车、直流数据中心为代表的新形式直流型负载大量涌现。若沿用传统交流供配电系统，势必引入大量交直流电能变换环节。若采用图1所示的含分布式能源接入的中低压直流系统，理论上可减少从电源到负荷之间的交直流变换环节，有效降低电能损耗，提升供电质量与供电可靠性，实现电能高效利用。同时，随着电力电子技术不断发展，DC-DC变换器造价的降低，耐压值、过流量等性能的提高，为中低压直流系统的工程应用进一步扫清障碍。在直流源、直流负荷与电力电子技术的共同推动下，中低压直流系统已受到越来越广泛的关注，成为智能电网未来发展的重要方向和关键组成部分。近年来，国内外诸多研究机构已经针对中低压直流系统进行研究并取得系列前瞻性成果。

但是，随着分布式能源广泛接入配电网，孤岛问题日益突出。所谓孤岛效应，是指当电网供电因故障事故或停电维修而跳脱时，各个用户端的分布式并网发电系统(光伏发电、风力发电、储能电池等)未能及时检测出电网停电状态并将自身切离市电网，从而形成由分布式发电系统和周围负荷组成的自给供电的独立系统。一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响，包括：危害电力维修人员的生命安全；影响配电系统上的保护开关动作程序；对用电设备带来破坏；当供电恢复时造成的产生浪涌电流，可能会引起再次跳闸或对光伏系统、负载和供电系统带来损坏。由此可见，反孤岛技术是配电网发展的关键技术之一，安全可靠的并网发电装置必须能及时检测出孤岛效应并避免所带来的危害。

反孤岛策略主要被分为三类：被动式、主动式与实时通信式。以交流配电系统为例，主动式方法(例如欠过电压/频率(UOV/UOF)、频率变换率(ROCOF)等)只是简单地监测相关电气量(电压或电流的幅值、频率与相位)的波动。孤岛发生时，如果这些电气量如果超过预先设定值，则会触发保护装置动作，切除分布式电源。被动式检测方法实现较为简单，但是当分布式电源发出的功率与本地负荷匹配时，相关电气量在孤岛前后并没有显著变化，造成保护装置不动作，难以及时实现孤岛检测。主动式方法(例如主动频移法、谐波注入法等)在分布式发电装置中注入小扰动。孤岛发生时，这些小扰动会造成系统不稳定运行，使相应电气量超过预先设定值，触发保护装置动作，切除分布式电源。即使在分布式电源发出的功率与本地负荷匹配时也可以完成孤岛检测，因而具有更小的检测盲区。实时通信式则通过配电网中各设备之间的通信信号完成各个分布式电源的快速切除，该类方法几乎没有检测盲区但具有较高的实现成本。

但是，中低压直流系统的反孤岛策略，尤其是主动式方法，尚缺乏充分研究与理想成果。由于直流系统不存在频率、无功等参数，只能通过电压或电流的幅值信息来实现孤岛检测，实现方法较为困难。文献“A New DC Anti-Islanding Technique of ElectrolyticCapacitor-Less Photovoltaic Interface in DC Distribution Systems”提出了一种基于电流扰动的光伏直流变换器反孤岛策略，在光伏变换器输出侧加入周期性电流扰动，孤岛发生后，该扰动可以驱使PCC点的电压幅值超过预先设定值，触发保护装置动作，从而实现孤岛检测。但是，该方法会较大程度地降低系统正常运行时的电能质量。文献“Assessment and Performance Comparison of Positive Feedback IslandingDetection Methods in DC Distribution Systems”提出了基于正反馈的直流系统反孤岛策略，在变换器控制器的功率外环控制或电流内环控制中加入扰动，该扰动正比于PCC点电压的偏移量。该正反馈方法对系统电能质量的影响较小，但是其孤岛检测速度在很大程度上会受到分布式电源于本地负荷功率大小关系的影响。

此外，光伏、风电等新能源发电在正常运行时会遵循最大功率跟踪(MPPT)控制，这需要各个分布式新能源接口变换器实现输入侧控制。但是现有的中低压直流系统反孤岛策略均体现在变换器输出侧，没有考虑到光伏等新能源发电特有的运行控制特点。

专利文献CN102856924B(申请号：201210312921.2)公开了一种基于复合储能的微电网平滑切换控制方法与策略，设置含多种分布式电源的低压微电网，所述低压微网中的公共连接点PCC、各分布式电源和所有支路的开关由微网能量管理系统EMS进行监控，微网能量管理系统EMS通过检测微电网公共连接点PCC的开/合状态来判定低压微电网处于孤岛运行状态或并网运行状态，其特征在于：在所述含多种分布式电源的低压微电网中设置由超级电容器和蓄电池组成的复合储能单元，在微网能量管理系统EMS对低压微电网监控的基础上利用复合储能单元对微电网平滑切换控制。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种中低压直流系统分布式电源孤岛检测方法和系统。

根据本发明提供的中低压直流系统分布式电源孤岛检测方法，包括：

步骤1：分布式电源通过接口直流变换器接入到直流配电网中，直流变换器虚拟直流电机的控制方式；

步骤2：分布式电源输出功率参考值与实际输出功率的差值经过功率环补偿器生成机械功率偏差；

步骤3：机械功率偏差与输出功率参考值叠加形成机械功率与相应的机械转矩；

步骤4：机械转矩与直流电机相应物理参数通过电机机械转动方程与电枢回路电动势方程生成电枢电流参考值；

步骤5：输出电枢电流参考值与输出电流的差值经过电流环补偿器进行电流闭环控制，经过PWM发生器产生预设占空比的开关信号进行控制开关；

步骤6：采样直流配电网中的直流母线电压信号；

步骤7：对采样的直流母线电压信号进行处理计算，得到虚拟直流电机角速度偏差量；

步骤8：将虚拟直流电机角速度偏差量叠加到虚拟直流电机角速度上；

步骤9：检测直流母线电压，当其稳态值在预设运行范围内时，判定直流配电网处于孤岛状态，实现孤岛检测。

优选的，机械转动方程为：

其中，T_m与T_e分别为直流电机机械功率与机械转矩，J为直流电机转子的转动惯量，D为阻尼系数，ω₀和ω分别为额定机械角速度与实际机械角速度。

优选的，电枢回路电动势方程为：

E＝U_o+I_aR_a

其中，E和U_o分别为电机感应电动势和机端电压，R_a和I_a分别为电枢电阻和电枢电流。

优选的，稳态值计算公式为：

I_g＝0,U_o＝U_g

其中，I_g表示由PCC母线流向网侧的电流稳态值；U_o表示PCC母线电压稳态值；U_g表示网侧电压稳态值。

优选的，网侧VSC工作，电网侧的断路器闭合时，中低压直流系统主电路部分的线性化小信号模型求得为：

其中，s表示拉普拉斯算子；

表示分布式电源输出电流的小扰动量；

表示流经PCC母线电容的电流小扰动量；

表示流经PCC母线负载的电流小扰动量；

表示网侧电流的小扰动量；C表示PCC等效母线电容；

表示PCC母线电压的小扰动量；R表示PCC母线上阻性负载；R_g表示网侧线路等效电阻；L_g表示网侧线路等效电感。

优选的，网侧VSC退出运行，电网侧的断路器断开时，

中低压直流系统主电路部分的线性化小信号模型求得为：

根据本发明提供的中低压直流系统分布式电源孤岛检测系统，包括：

模块M1：分布式电源通过接口直流变换器接入到直流配电网中，直流变换器虚拟直流电机的控制方式；

模块M2：分布式电源输出功率参考值与实际输出功率的差值经过功率环补偿器生成机械功率偏差；

模块M3：机械功率偏差与输出功率参考值叠加形成机械功率与相应的机械转矩；

模块M4：机械转矩与直流电机相应物理参数通过电机机械转动方程与电枢回路电动势方程生成电枢电流参考值；

模块M5：输出电流参考值与输出电流的差值经过电流环补偿器进行电流闭环控制，经过PWM发生器产生预设占空比的开关信号进行控制开关；

模块M6：采样直流配电网中的直流母线电压信号；

模块M7：对采样的直流母线电压信号进行处理计算，得到虚拟直流电机角速度偏差量；

模块M8：将虚拟直流电机角速度偏差量叠加到虚拟直流电机角速度上；

模块M9：检测直流母线电压，当其稳态值在预设运行范围内时，判定直流配电网处于孤岛状态，实现孤岛检测。

优选的，机械转动方程为：

优选的，电枢回路电动势方程为：

E＝U_o+I_aR_a

优选的，稳态值计算公式为：

I_g＝0,U_o＝U_g

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明在中低压直流系统正常运行时，分布式电源按照功率给定值进行功率输出；采用虚拟直流电机控制策略，为分布式电源提供了一定的惯性，有利于正常运行时的系统稳定性；

2、本发明孤岛检测具有较小的检测盲区与较快的检测速度，不依赖变换器功率与本地负荷大小关系，即使在分布式电源发出的功率与本地负荷相匹配时，亦能快速准确地实现孤岛状态检测；

3、本发明所提孤岛检测控制方法对中低压直流系统电能质量影响较小；

4、本发明可实现中低压直流系统中分布式电源的主动式孤岛检测，不需要在网侧VSC变换器与中低压直流系统各直流变换器间引入通信；

5、本发明在网侧VSC变换器正常运行情况下，即非孤岛情况下，分布式电源按照给定的功率指令输出功率；在网侧VSC变换器退出运行情况下，即孤岛情况下，分布式电源实现快速准确的孤岛检测并退出运行。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为含有分布式电源的中低压直流系统概念示意图；

图2为分布式电源接入中低压直流系统模型；

图3为虚拟直流电机策略控制框图；

图4为PCC点电压特征根折线图；图4(a)为非孤岛情况折线图；图4(b)为孤岛情况折线图；

图5为PCC母线电容与分布式直流变换器位置对最大反馈增益的影响折线图；

图5(a)为分布式电源位置的影响折线图；图5(b)为PCC母线电容的影响折线图；

图6为实现方法1并网与孤岛情况折线图；图6(a)为PCC点电压折线图；图6(b)为分布式电源输出功率折线图；图6(c)为角频率扰动量折线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

根据本发明提供的面向中低压直流系统中分布式电源的主动式孤岛检测策略。分布式电源一般需通过接口变换器接入中低压直流系统，其简化系统模型如图2所示。其中，L_f表示分布式电源(DG)的输出侧滤波电感；电容C表示分布式直流变换器输出电容与PCC母线等效电容；电阻R表示PCC母线处的本地负荷，这里选用阻性负载是因为阻性负载具有最大的检测盲区；阻抗Z_g(由电阻R_g和电抗L_g组成)和表示PCC点与电网间的线路阻抗；电压U_g表示网侧VSC的直流侧电压。CB表示电网侧的断路器，可以表示网侧VSC的运行状态，即VSC正常运行时，CB闭合，当VSC推出运行时(即孤岛状态)，CB断开。

一、虚拟直流电机控制原理

为了避免大量电力电子变换器接入直流系统所带来的低惯性特点，降低直流系统稳定性，这里的分布式电源直流变换器采用虚拟直流电机控制(VMDC)策略，使得直流变换器外特性接近直流发电机，从而为直流电网注入惯性并提升稳定性。

VMDC的物理特性可以用直流电机的机械转动方程和电枢回路电动势平衡方程来描述。机械转动方程：

电枢回路电动势平衡方程：

E＝U_o+I_aR_a

其中，E和u_o分别为电机感应电动势和机端电压，R_a和I_a分别为电枢电阻和电枢电流。直流电机电磁功率P_e与电磁转矩T_e分别为：

P_e＝EI_a

T_e＝P_e/ω

此外，电机感应电动势E可以表示为：

E＝C_TΦω

其中，C_T和Φ分别为转矩系数和每极磁通。

整个虚拟直流电机控制策略如图3黑色部分所示，由功率控制、虚拟直流电机控制、电流控制三个环节组成。具体控制过程描述如下：

在功率控制环节，输出功率参考值P_ref与实际输出功率p_o的差值经过功率环补偿器PI_P生成机械功率偏差，再与输出功率参考值P_ref叠加形成机械功率P_m与相应的机械转矩T_m；

在虚拟直流电机控制环节，机械转矩T_m与直流电机相应物理参数通过电机机械转动方程与电枢回路电动势方程生成电枢电流I_a(也即直流变换器输出电流)参考值；

在电流控制环节，输出电流参考值I_a与输出电流i_o的差值经过电流环PI_I补偿器进行电流闭环控制，经过PWM发生器产生一定占空比的开关信号来控制开关。

二、中低压直流系统小信号模型

在中低压直流系统正常运行时，分布式电源按照功率给定值进行输出，其输出功率一部分被PCC点的本地负荷消耗掉，剩余功率则通过线路流向网侧VSC。主动式孤岛检测方法的好处在与其较小的检测盲区，因此选择最坏情况进行说明，即分布式电源(DG)的输出功率等于PCC点上负荷R消耗的功率，此时网侧VSC不提供功率。根据图2所示模型，可以得到此场景下的系统稳态工作点：

I_g＝0,U_o＝U_g

情况1：网侧VSC正常运行(即非孤岛情况)

在非孤岛情况下(CB闭合)，中低压直流系统主电路部分的线性化小信号模型可由图2求得如下：

其中，s表示拉普拉斯算子；

表示分布式电源(DG)输出电流的小扰动量；

表示流经PCC母线电容的电流小扰动量；

表示流经PCC母线负载的电流小扰动量；

表示网侧电流的小扰动量；C表示PCC等效母线电容；

情况2：网侧VSC退出运行(即孤岛情况)

在孤岛情况下(CB断开)，即

中低压直流系统主电路部分的线性化小信号模型可由图2求得如下：

三、基于虚拟直流电机控制的正反馈主动式孤岛检测策略

本发明提出的基于虚拟直流电机控制的正反馈主动式孤岛检测策略，即在虚拟直流电机控制环节中，将由PCC点电压u_o经过孤岛检测环节G_is反馈得到的角速度偏差量Δω_is叠加到电机角速度ω上，如图3所示红色部分。

由图3可得控制回路的线性化小信号模型，其中功率控制环节的小信号模型为：

其中，G_P为功率环PI控制器的传递函数；

表示机械转矩的小扰动量；

表示分布式电源(DG)输出功率参考值的小扰动量；

表示分布式电源(DG)输出功率的小扰动量；I_o表示分布式电源(DG)输出电流稳态值；

由式-虚拟直流电机控制环节的小信号模型为：

其中，G_Tm-Δω表示由机械转矩到角速度偏差的传递函数；

表示虚拟直流电机角速度偏差的小扰动量；

表示由孤岛检测环节产生的角速度小扰动量；

表示虚拟直流电机角速度小扰动量；G_is(s)为孤岛检测环节的传递函数，这里选择高通滤波器，且有：

其中K为反馈增益，ω_h为高通滤波器的转折频率。

在设计直流变换器控制器时，电流内环具有较大的带宽与较强的动态特性，可以对电流参考值进行很好地跟踪，因此电流闭环传递函数可以简化为：

表示虚拟直流电机电枢电流的小扰动量。

在非孤岛情况下(CB闭合)，联立式得到图2所示系统模型中PCC点电压小信号扰动

的特征方程的一般形式如下：

a₅s⁵+…+a₁s+a₀＝0

其中，a₀,a₁…a₅表示上述特征方程的系数。

在孤岛情况下(CB断开)，令

联立式得到图2所示系统模型中PCC点电压小信号扰动

的特征方程的一般形式如下：

b₄s⁴…+b₁s+b₀＝0

其中，b₀,b₁…b₄表示上述特征方程的系数。

对于线性系统，分别对式运用Routh-Hurwitz稳定性判据即可确定孤岛检测环节中反馈增益K的范围，可以实现PCC点电压在中低压直流系统非孤岛情况下稳定，而在系统发生孤岛事件后出现不稳定。

四、反馈增益、PCC母线电容与变换器位置对中低压直流系统稳定性的影响

对于图2所示的分布式电源接入中低压直流系统模型，结合表1中的具体参数，分别分析孤岛检测环节反馈增益K、PCC母线电容与直流变换器位置(即Zg大小)对于中低压直流系统稳定性的影响。

(1)孤岛检测环节反馈增益对中低压直流系统稳定性的影响

借助于特征方程，通过改变反馈增益K，分别求得系统在非孤岛情况下与孤岛情况下PCC点电压特征根轨迹如图4所示。可以看出，随着反馈增益K的增加，根轨迹延伸至复平面s面右侧，与虚轴处的交点表现出边界稳定条件。此外，存在最大反馈增益K_max，使得分布式电源直流变换器在非孤岛情况下，能够保持PCC点电压稳定，即系统在非孤岛情况下稳定。同时，存在最小反馈增益K_min，能够使得分布式电源直流变换器在孤岛情况下，能够驱使PCC点电压出现不稳定现象，即系统在孤岛情况下不稳定，从而实现孤岛检测。

(2)分布式电源直流变换器位置对最大反馈增益的影响

由图5(a)可知，直流变换器与网侧距离S越远(体现为线路阻抗Z_g越大)，会引起最大反馈增益K_max减小。但是总体而言，较大的网侧距离变化只能带来较小的最大反馈增益变化，即最大反馈增益K_max对网侧距离S的变化并不敏感。

(3)PCC母线电容对最大反馈增益的影响

由图5(b)可知，随着PCC母线等效电容C的减小，能保持中低压直流系统非孤岛情况下稳定的最大反馈增益K_max明显减小。反馈增益越大，分布式电源直流变换器检测孤岛情况越准确，检测盲区越小且检测速度越快。在设计反馈增益时，希望在保持系统稳定性前提下尽可能地接近最大反馈增益。因此最大反馈增益的降低，降低了系统在引入扰动时的稳定裕度，给孤岛检测检测带来了一定困难。因此需要根据具体使用场景，确定PCC母线电容的可能变化范围，以此为根据选择合适的实现方法，并选择合适的反馈增益。

为验证本发明提出的技术方案，基于MATLAB-Simulink环境建立如图2所示之系统模型，主要基本参数如表1所示。

表1应用案例主要参数

系统参数	取值
		直流系统电压U<sub>g</sub>	1000V
PCC母线电容C	2000μF
		PCC本地负荷P<sub>ld</sub>	50kW
PCC阻性负载R	20Ω
		线路电阻R<sub>g</sub>	0.1Ω/km
线路电感L<sub>g</sub>	0.1mH/km
		直流变换器与网侧距离S	1km
分布式电源输出功率参考值P<sub>ref</sub>	50kW
		滤波电感L	0.01H
功率环节补偿器G<sub>P</sub>(s)	52+6543/s
		虚拟直流电机参数	取值
额定角速度ω	100π·rad/s
		转子转动惯量J	15kg·m<sup>2</sup>
阻尼系数D	5
		转矩系数与每极磁通乘积C<sub>T</sub>Φ	3.2Wb
电枢等效电阻R<sub>a</sub>	1Ω
		孤岛检测参数	取值
反馈增益K	0.38
		高通滤波器转折频率ω<sub>h</sub>	2π·rad/s

在仿真过程中，孤岛检测环节在t＝1s时开启，中低压直流系统在t＝2s时发生孤岛事件。由图6可知，在孤岛事件发生前(t＝2s前)，分布式电源按照输出功率参考值进行输出，其输出功率p_o为50kW，经过孤岛检测环节得到的角频率扰动量Δω_is趋近于0，PCC点电压u_o被电网钳位在1000V。在孤岛事件发生后(t＝2s后)，角频率扰动量Δω_is呈现出发散振荡，同时输出功率逐渐偏离参考值，PCC点电压u_o逐步发散震荡，并达到保护装置设定值880V(图中红线所示)以下，实现了孤岛检测，检测时间约为350ms。

实施例2：

模块M5：输出电枢电流参考值与输出电流的差值经过电流环补偿器进行电流闭环控制，经过PWM发生器产生预设占空比的开关信号进行控制开关；

模块M6：采样直流配电网中的直流母线电压信号；

优选的，机械转动方程为：

优选的，电枢回路电动势方程为：

E＝U_o+I_aR_a

优选的，稳态值计算公式为：

I_g＝0,U_o＝U_g

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。