CN113687181B - 一种应对孤岛检测法中抵消效应的注入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了应对谐波电流注入式孤岛检测法中抵消效应的注入方法。首先，提出一种以发电单元端电压引导谐波电流注入的注入模式；然后，基于这种模式，分别在无并网变压器和有并网变压器条件下进行分析，分析过程中考虑了可能存在的相号故障和相序故障，推导出了可应对抵消效应的三相和单相谐波电流可用频率和相应的参数设置方式。最后，基于分析结论总结出一种具备容错性的完备的谐波电流注入方法。可以确定，越多的发电单元采用这种注入方法，抵消效应越弱，谐波电流注入式孤岛检测法的孤岛检测效果越好。

Description

一种应对孤岛检测法中抵消效应的注入方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种应对孤岛检测法中抵消效应的注入方法。

背景技术

孤岛检测是分布式发电(Distributed Generation,DG)中一项重要的故障诊断功能。所谓孤岛检测，就是当电网中的一个区域由于非人为干预脱离了电网，即出现了电力孤岛状态，希望其中的发电单元能快速检测出这一状态，进而触发保护动作。分布式发电的特点在于地理位置上的分散性，且各发电单元之间各自独立控制。由于发电单元的分散性及其发电比较灵活，导致发电行为比较独立，且发电单元间一般无通信，其与上位系统的通信远不足以及时检测到孤岛状态。一旦出现电力孤岛，其中的发电单元只能靠其仅有的电压、电流等信息来试图检测到这一状态，孤岛检测正是源自于此。因此，孤岛检测可使分布式发电相对于电网而言变得更加可控，以确保电力系统的稳定、可靠、安全运行。

目前已有很多种孤岛检测方法，它们大体可分为远程法和本地法两大类，而本地法又包括被动法和主动法。所谓主动法，即通过对电网施加扰动，然后根据其响应判断孤岛事件发生与否。由于主动法具有很高的性价比，故而获得了大量应用。其中一种常用的主动法是谐波电流注入式孤岛检测法(以下简称为谐波电流注入法)。

如图1所示，谐波电流注入法的检测机制是，各发电单元(DG1、......、DGN)先注入谐波电流然后观察对应的谐波电压响应/>再根据该响应做出判断。由于各发电单元之间一般没有通信，其各自注入的谐波电流之间彼此独立，这些电流的相位自然也就没有协调配合。这导致注入同一线路的多路同频谐波电流可能会互相抵消，也即出现抵消效应，致使汇聚的谐波电流/>可能太小而无法引起可检测到的响应，最终给孤岛检测带来不利影响。

发明内容

针对现有谐波电流注入法中存在的问题，本发明提供一种应对孤岛检测法中抵消效应的注入方法，以提高谐波电流注入法的孤岛检测效果。

本发明的注入方法如下：

一种应对孤岛检测法中抵消效应的注入方法，其包括以下步骤：

根据发电单元的端电压相位确定注入的谐波电流相位，其中，使所述谐波电流的第一个零相位滞后于所述发电单元的端电压的某个零相位，且滞后时间为T_lag，该滞后时间小于所述谐波电流和所述发电单元的端电压的周期；使任何两路由所述发电单元向同一线路注入的同频谐波电流的相位差在[-π/2，π/2]区间内；

根据三相发电单元或单相发电单元有无并网变压器、有无相号故障或相序故障情况，设定对应的所述谐波电流的频率和特定的滞后时间，以应对孤岛检测法中的抵消效应。

如上所述的应对孤岛检测法中抵消效应的注入方法，进一步地，所述发电单元在无并网变压器的情况下，

对三相发电单元而言，设置其输出的a相谐波电流的滞后时间T_lag为T_a，使用频率为(3q+1)f_u的三相正序谐波电流或频率为(3q-1)f_u的三相负序谐波电流，其中，q为正整数，f_u表示电网电压频率；

对单相发电单元而言，设置其输出的谐波电流的滞后时间T_lag为T_l，使用频率为(3q±1)f_u的谐波电流。

如上所述的应对孤岛检测法中抵消效应的注入方法，进一步地，在发电单元配备有并网变压器的情况下，

对三相发电单元而言，设置其输出的a相谐波电流的T_lag为T_{a_tr}，若能确保并网变压器原边无相序故障，或者并网变压器为Y,y或D,d接法，使用频率为(3q+1)f_u的三相正序谐波电流或频率为(3q-1)f_u的三相负序谐波电流，否则，使用频率为(6q+1)f_u的三相正序谐波电流或频率为(6q-1)f_u的三相负序谐波电流；

对单相发电单元而言，设置其输出的谐波电流的T_lag为T_{l_tr}，若能确保该单相系统无相号故障，使用频率为(3q±1)f_u的谐波电流，否则，使用频率为(6q±1)f_u的谐波电流。

如上所述的应对孤岛检测法中抵消效应的注入方法，进一步地，T_a和T_l满足如下关系：

T_l＝T_a-T_Pu/12。

其中，T_Pu表示电网电压周期，即1/f_u。

如上所述的应对孤岛检测法中抵消效应的注入方法，进一步地，T_{a_tr}和T_{l_tr}按下式设置。

T_{l_tr}＝T_l+[(1-f_iir/f_u)N_clk+12m_t]/(12f_iir)。

其中，f_iir表示谐波电流频率；N_clk是变压器联结组别的时钟号；m_t是正整数。

针对现有谐波电流注入法中存在的问题，本发明提出的注入方法的有益效果在于：本发明以发电单元端电压为参照注入谐波电流；选用特定的谐波电流频率和对参数T_lag设置特定的数值，以应对三相发电单元间、单相发电单元间以及三相发电单元和单相发电单元间注入同一线路的多个同频谐波电流的抵消效应问题；选用特定的谐波电流频率和对参数T_lag设置特定的数值，使该注入方法能够容忍相号故障和相序故障；选用特定的谐波电流频率和对参数T_lag设置特定的数值，使该注入方法能够适用于发电单元无并网变压器或有并网变压器的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的注入方法，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是多机并联情况下的谐波电流注入的示意图。

图2是本发明提出的谐波电流注入模式。

图3是三相系统中的相号故障和相序故障示意图。

图4是单相发电单元和三相发电单元的混联电路模型。

图5是配备有并网变压器且连接正常的发电单元示意图。

图6是配备有并网变压器的三相系统中的相号故障示意图，其中，图6(a)为发电单元输出端处故障；图6(b)为变压器副边处故障；图6(c)为变压器原边处故障。

图7是配备有并网变压器的单相系统中的相号故障示意图，图7(a)为发电单元输出端处故障；图7(b)为变压器副边处故障；图7(c)为变压器原边处故障。

图8是配备有并网变压器的三相系统中的相序故障示意图，图8(a)为发电单元输出端处故障；图8(b)为变压器副边处故障；图8(c)为变压器原边处故障。

图9是实例一给定谐波电流注入波形。

图10是实例二给定谐波电流注入波形。

图11是实例三给定谐波电流注入波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的注入方法进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例：

需要说明的是，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，本发明中提及的孤岛均指非计划孤岛。

需要说明的是，由于不同频电流可以通过谐波提取的方式从汇聚电流中分离出来，故不存在上述抵消效应。因此，本发明中所述注入同一线路的谐波电流均指同频的谐波电流。

针对上述谐波电流注入法中存在的抵消效应问题，本发明提出了一种注入方法可应对这种问题，且采用该方法的发电单元越多，抵消效应越弱，谐波电流注入法的孤岛检测效果越好。

如图1所示，避免抵消效应，就是要使(幅值)大于各路谐波电流即呈现累增效果。为达到这一效果，经推导发现，任何两路谐波电流的相位差必须在[-π/2，π/2]区间内；而最佳情况是该相位差为零，即各路谐波电流同相，这样的累增效果最好。换言之，应对抵消效应本质是协调各路谐波电流的相位。基于此，本发明提出使用发电单元的端电压，也即电网电压为参照来引导谐波电流的注入。由于电网电压对各发电单元而言是一个公共参量，故其是一个天然的参照对象。

本发明中，谐波电流以如下模式注入：谐波电流i_ir的第一个零相位滞后于(发电单元)端电压u_tm的某个零相位T_lag(时间)，该时间小于i_ir和u_tm的周期，如图2所示。因为谐波电流与端电压的频率、相序可能不同，所以T_lag是以时间而非角度来表征。具体而言，三相发电单元输出的a、b、c三相谐波电流i_ira、i_irb、i_irc分别以线电压u_ab、u_bc、u_ca为参照电压，且其T_lag分别专门记为T_a、T_b、T_c；单相发电单元从火线输出的谐波电流i_irl以火、零线间电压u_ln为参照电压，且其T_lag专门记为T_l。经分析发现，T_a、T_b、T_c之间存在关联，也即一旦T_a确定，T_b、T_c也随之确定，故对三相发电单元而言，后文主要围绕T_a进行讨论。各发电单元以一个统一的T_a或T_l控制谐波电流的输出。

在该注入模式下，各发电单元参照电网电压的零相位点确定谐波电流的起始注入时刻，这样就能协调各路谐波电流的相位，使最后汇聚的谐波电流呈现累增效果，避免抵消效应。

基于以上注入模式，经推导发现，只有高次谐波电流和负序基频电流可用作谐波电流注入法中的注入电流。这是在无并网变压器且线路正常情况下对三相系统和单相系统的一个普适结论。但是，首先，发电单元可能配备并网变压器；其次，某些线路故障会影响谐波电流注入；另外，单相发电单元和三相发电单元间也存在抵消效应问题。一旦考虑这些因素，可用的注入电流频率将进一步受限，即必须修正该结论。基于此，下面对注入电流频率会进一步受限的情况进行分析，以寻求一个完备的可应对抵消效应的注入方法。

1)无并网变压器的三相系统在线路故障情况下的应对方法

会影响谐波电流注入的线路故障分为相号故障和相序故障。各故障类型如图3所示。若发电单元相号与电网相号不对应而相序一致，本发明称之为相号故障，如图3中的DG1～DG3单元；若发电单元与电网的相号、相序均不一致，本发明称之为相序故障，如图3中的DG4单元。

对发电单元而言，相号故障是可接受的，甚至不被视为故障；且发电单元本身也无法检测到这种故障。因此，谐波电流注入法必须能够容忍相号故障。相序故障能被发电单元识别，且发电单元会通过改变自身的软件相序去适应它，但这种改变只能使发电单元的相序与电网一致，并不能确保相号也一致，换言之，这种故障已被转换为相号故障。因此，这里只需讨论相号故障。

对谐波电流注入法而言，相号故障的问题是谐波电流不能如预期那样注入某相线路，继而可能存在抵消效应。经推导发现，当谐波电流频率f_iir设置为某些特定值时，可应对该情况下的抵消效应，具体可用频率如下式所示，其中，q为正整数，f_u表示电网电压频率。

2)无并网变压器的单相系统在线路正常情况下的应对方法

考虑到单相发电单元和三相发电单元共存的情形，如图4所示，必须确保其中单相发电单元和三相发电单元注入的谐波电流间不会发生抵消效应。

经推导发现，为确保单相发电单元和三相发电单元注入的谐波电流间不会发生抵消效应，同时实现最佳情况，一方面，必须使T_l和T_a满足下式，其中，T_Pu是电网电压周期。

T_l＝T_a-T_Pu/12

另一方面，必须选取特定的谐波电流频率，可用频率为

f_iir＝(3q±1)f_u

另外，从安全角度讲，单相发电单元要区分零、火线，不允许有类似三相发电单元的相号故障，否则会禁止启动，故这里不考虑相号故障；而单相系统更不存在相序故障。

3)有并网变压器的三相/单相系统在线路正常情况下的应对方法

三相/单相发电单元在配备并网变压器后如图5所示。

必须指出，关于谐波电流，发电单元只能直接控制其输出端的谐波电流及其T_lag。如图5所示，对变压器而言，流入其副边的谐波电流的参考电压和从其原边流出的感生的谐波电流的参考电压，分别是副边电压和原边电压，因此，原、副边谐波电流的T_lag可能是不同的。这就导致配备了并网变压器的发电单元和直接接入电网的发电单元输出的谐波电流间可能存在抵消效应。为应对此问题，先分析了原、副边谐波电流的T_lag之间的关系；然后基于此关系，调整发电单元输出谐波电流的T_lag，将其设置为式(2)(三相)或式(3)(单相)中的T_{a_tr}或T_{l_tr}，从而间接控制原边谐波电流的T_lag为T_a或T_l。这样不仅避免了抵消效应，还实现了最佳情况。

三相发电单元：

其中，N_clk是变压器标称联结组别的时钟号；m_t为正整数。

单相发电单元：

T_{l_tr}＝T_l+[(1-f_iir/f_u)N_clk+12m_t]/(12f_iir) (3)

4)有并网变压器的三相系统在相号故障情况下的应对方法

当三相发电单元配备了并网变压器后，相号故障的分布情况较为复杂，本发明将其归纳为三处：变压器原边、变压器副边和发电单元输出端，如图6中虚线框所示。而其它位置的故障，都可等价为这三处中某处的故障。

经线路梳理分析，发现变压器副边和发电单元输出端处的相号故障都可等效转换为变压器原边处的相号故障。此时，可将发电单元和变压器看做一个整体，这样，关于这个整体就可按照无并网变压器下的相号故障来处理。具体应对方法为：T_{a_tr}按式(2)设置；f_iir按式(1)选取。

5)有并网变压器的单相系统在相号故障情况下的应对方法

单相发电单元配备了并网变压器后，连接的是变压器的副边，无零、火线之分，故这种情况下是可能存在相号故障的，如图7所示。

这种情况和4)中三相系统中的情况类似。经推导分析，可得到具体的应对方法为：T_{l_tr}按式(3)设置；f_iir按下式选取。

f_iir＝(6q±1)f_u

6)有并网变压器的三相系统在相序故障情况下的应对方法

与4)中所述情况相比，这种情况更为复杂。这里的相序故障仍可能发生在三处：变压器原边、变压器副边和发电单元输出端。

考虑到发电单元可将其输出端处的相序故障转换为相号故障，经分析发现，当相序故障发生在变压器副边或发电单元输出端时，如图8(a)和图8(b)所示，其可等效转换为发电单元输出端处的相号故障，故可按照发电单元输出端处的相号故障来应对。

当相序故障发生在变压器原边时，如图8(c)所示，经分析发现，若变压器接法为Y,y或D,d，可等效转换为发电单元输出端处的相号故障，此时就可按照发电单元输出端处的相号故障来应对。而若变压器接法为Y,d或D,y，不能这样等效转换和应对，此时，必须进一步限制谐波电流频率才可应对抵消效应，可用的频率如下式所示。具体应对方法为：T_{a_tr}设置为式(2)；f_iir按下式选取。

此外，经研究发现，谐波电流注入法采用的谐波电流频率最好尽可能低。

综上所述，经归纳得到一种应对谐波电流注入法中抵消效应的完备的注入方法：

1.发电单元按照前述谐波电流的注入模式输出谐波电流。

2.在无并网变压器情况下，发电单元将T_lag设置为T_a(三相)或T_l(单相)；在配备有并网变压器情况下，发电单元将T_lag设置为T_{a_tr}(三相)或T_{l_tr}(单相)。

3.T_a和T_l设置如下：

4.按表1所示选取谐波电流频率f_iir及设置T_{a_tr}和T_{l_tr}，且f_iir最好尽可能低。从表1可看出，对三相发电单元而言，若采用负序谐波电流，f_iir会更低，因此，建议尽量采用负序谐波电流；在有并网变压器的情况下，建议在三相系统中配备Y,y或D,d接法的变压器；而在单相系统中，必须确保无相号故障。

表1可用的谐波电流阶次

其中，q是正整数。

下面以三个实例介绍本发明提出的谐波电流注入方法的实施方式。

实例一：三相发电单元；无并网变压器；电网电压频率50Hz

三相发电单元按如下方法注入谐波电流：

1.根据表1，采用负序2次谐波电流。这是可采用的最低频率谐波电流。

2.设置T_a＝5/3ms，即通过控制，使发电单元输出的a相谐波电流在发电单元端口线电压(正弦)u_ab的某个周波的30°相位处从零相位开始输出。谐波电流稳定后，u_ab的每个零相位都与紧接其后的a相谐波电流零相位相距5/3ms。b、c相谐波电流与a相谐波电流同时开始输出，但不是从零相位开始输出，这一点并不重要，只要确保三相谐波电流(负序)对称即可。

给定谐波电流注入波形如图9所示。

实例二：三相发电单元；配备有Y,y0接法的并网变压器；电网电压频率50Hz

三相发电单元按如下方法注入谐波电流：

1.根据表1，采用负序2次谐波电流。这也是可采用的最低频率谐波电流。

2.根据表1，设置T_{a_tr}＝5/3ms。对三相发电单元输出端谐波电流的控制与实例一相同。

给定谐波电流注入波形如图10所示。

实例三：单相发电单元；配备有I,I0接法的并网变压器，并能够确保系统无相号故障；电网电压频率50Hz

单相发电单元按如下方法注入谐波电流：

1.根据表1，采用2次谐波电流。这是可采用的最低频率谐波电流。

2.根据表1，设置T_{l_tr}＝0，即通过控制，使从发电单元l端输出的谐波电流在发电单元端口电压(正弦)u_ln的某个周波的零相位处从零相位开始输出。谐波电流稳定后，u_ln的每个零相位都与l端输出的谐波电流零相位重合。

给定谐波电流注入波形如图11所示。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种应对孤岛检测法中抵消效应的注入方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据发电单元的端电压相位确定注入的谐波电流相位，其中，使所述谐波电流的第一个零相位滞后于所述发电单元的端电压的某个零相位，且滞后时间为T_lag，该滞后时间小于所述谐波电流和所述发电单元的端电压的周期；使任何两路由所述发电单元向同一线路注入的同频谐波电流的相位差在[-π/2，π/2]区间内；

根据三相发电单元或单相发电单元有无并网变压器、有无相号故障或相序故障情况，设定对应的所述谐波电流的频率和特定的滞后时间，以应对孤岛检测法中的抵消效应；

所述发电单元在无并网变压器的情况下，

对三相发电单元而言，设置其输出的a相谐波电流的滞后时间T_lag为T_a，使用频率为(3q+1)f_u的三相正序谐波电流或频率为(3q-1)f_u的三相负序谐波电流；

对单相发电单元而言，设置其输出的谐波电流的滞后时间T_lag为T_l，使用频率为(3q±1)f_u的谐波电流，其中，q为正整数，f_u表示电网电压频率；

在发电单元配备有并网变压器的情况下，

对三相发电单元而言，设置其输出的a相谐波电流的T_lag为T_{a_tr}，若能确保并网变压器原边无相序故障，或者并网变压器为Y,y或D,d接法，使用频率为(3q+1)f_u的三相正序谐波电流或频率为(3q-1)f_u的三相负序谐波电流，否则，使用频率为(6q+1)f_u的三相正序谐波电流或频率为(6q-1)f_u的三相负序谐波电流；

对单相发电单元而言，设置其输出的谐波电流的T_lag为T_{l_tr}，若能确保该单相系统无相号故障，使用频率为(3q±1)f_u的谐波电流，否则，使用频率为(6q±1)f_u的谐波电流，其中，q为正整数，f_u表示电网电压频率；

T_a和T_l满足如下关系：

T_l＝T_a-T_Pu/12

其中，T_Pu表示电网电压周期，即1/f_u；

T_{a_tr}和T_{l_tr}按下式设置：

T_{l_tr}＝T_l+[(1-f_iir/f_u)N_clk+12m_t]/(12f_iir)；

其中，f_iir表示谐波电流频率；N_clk是变压器联结组别的时钟号；m_t是正整数。