TW201717520A - 併網型發電系統之故障檢測裝置及故障檢測方法 - Google Patents
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Abstract
一種併網型發電系統之故障檢測方法，包含下列步驟：由一檢測單元依據一發電系統之一電源參數，而產生一交越零點信號、一電壓信號及一電流信號；由一被動式孤島檢測模組利用一多變量變化率檢測法依據該交越零點信號、該電壓信號及該電流信號，產生一第一正常控制信號、一模糊控制信號或一第一故障控制信號；以及由一主動式孤島檢測模組在接收該模糊控制信號後，利用一電壓擾動關聯檢測法依據該交越零點信號及該電壓信號計算一檢測指標，並根據該檢測指標產生一第二正常控制信號或一第二故障控制信號。本發明亦揭露一種故障檢測裝置。
Description
本發明係關於一種故障檢測裝置及其故障檢測方法，特別關於一種併網型發電系統之故障檢測裝置及其故障檢測方法。
由於石化能源日漸減少，石油價格不斷提高，且環保議題逐漸受到重視，在2005年「京都議定書」實施後，全國二氧化碳的總排放量將受到管制。因此，大型集中式熱力發電機組的增設日益困難，小型分散式發電系統勢必成為電源開發的新途徑，分散式發電技術的開發已成為電力工程中極為重要的課題。
分散式發電系統大致上係為可分為兩大類：第一類是以變流器為基礎(Inverter Based)的併網型發電系統，如太陽能發電、燃料電池、風力發電等，發電系統所產生的電力都需經過變流器轉換為交流電，併網型發電系統與市電系統並聯的同步運轉必須依賴控制變流器的導通週期(Duty Cycle)與相位角達成。第二類是以交流發電機為基礎(AC Generator Based)的併網型發電系統，如水力發電、汽電共生發電、風力發電等，發電系統的交流發電機(同步發電機或感應發電機)直接與市電系統並聯，發電機與市電系統的同步運轉必須依賴控制發電機的原動機轉速達成。
當併網型發電系統與市電系統並聯運轉時，相關的工業標準規範中規定了在發電系統側必須設置的保護裝置，包含(1)過載保護：例如過電流保護電驛(Over Current Relay，CO)、小電力過電流保護電驛(Low Energy Over Current Relay，LCO)，
(2)電壓保護：例如過電壓保護電驛(Over Voltage Relay，OV)、欠電壓保護電驛(Under Voltage Relay，UV)，(3)頻率保護：例如過頻率保護電驛(Over Frequency Relay，OF)及欠頻率保護電驛(Under Frequency Relay，UF)等。這六種電驛可提供電力系統基本的保護功能，一旦併網型發電系統的輸出電流、電壓、頻率超過正常的範圍時，即由保護電驛檢測出故障而與市電系統解聯(De-Synchronize)。
併網型發電系統之保護除了要考慮上述六項基本項目外，尚需考慮孤島現象(Islanding Phenomenon)的檢測。所謂孤島現象係指當併網型發電系統與市電系統並聯供電時，若市電系統發生故障，併網型發電系統沒有即時檢知並與市電系統解聯，而呈現由併網型發電系統獨立供電的現象。此時併網型發電系統與其供電的負載，將形成一個電力系統的子系統，這個子系統由於與整個電力系統隔離，完全獨立傳輸與供電，形同一座「孤島」。事實上，所有的併網型發電系統，諸如：風力發電系統，太陽能發電、燃料電池發電或是並聯在市電系統的自備發電設備或儲能系統都有發生孤島現象的可能。
一旦孤島現象發生時，常會導致一些不良的後果發生。例如：(1)當市電系統故障後，電力系統維修人員必須在斷電的情況下做市電系統的修復，但由於孤島現象，此時併網型發電系統還在持續運作，因此併網型發電系統所形成的子系統仍在供電，將使得電力系統維修人員的人身安全受到威脅。(2)在孤島現象發生時，由於併網型發電系統失去了市電系統的電壓作為同步的參考信號，所以併網型發電機的輸出電壓、電流以及頻率會發生飄移而使系統頻率產生不穩定的現象，若不即時切離負載，在此情況下會使得一些對頻率較敏感的負載受到損害。(3)在市電系統修復後，市電系統與併網型發電系統重新並聯的瞬間，由於併網型發電系統的頻率並未與市電系統同步，兩系統間存在的電壓相位差，將可能產生極大的突波電流，而對相關電器設備造成損害。當並聯到市電系統的併網型發電系統日益增加之
際，發生孤島現象的機率相對增加，因此，孤島現象的檢測與保護更顯得重要。
由於孤島現象的檢測有其必要性，因此在相關的工業標準規範中，已將一些基本的孤島現象檢測裝置，列為併網型發電系統與市電系統並聯的必備保護設備，並且將孤島現象的檢測與隔離時間設定在2秒之內。
為確保市電系統及併網型發電系統運轉的安全性，針對其孤島現象研製有效率且可靠度高又經濟的故障檢測裝置及故障檢測方法，實屬當前重要課題之一。
有鑒於此，本發明之一目的在於提供一種併網型發電系統之故障檢測裝置及故障檢測方法，其控制核心採用數位信號處理器，系統為全數位化處理，可簡化控制電路、降低成本，且具有較高的穩定性與可靠度。
本發明的另一目的在於提供一種併網型發電系統之故障檢測裝置及故障檢測方法，可以有效地提高併網型發電系統進行市電並聯的運轉安全性，並且能有效檢測孤島現象，維護人員與設備的安全。
本發明的另一目的在於提供一種併網型發電系統之故障檢測裝置及故障檢測方法，可以排除因為市電系統電壓驟降、開關突波、負載驟增等現象，所造成的誤判。
為達上述目的，本發明之一種併網型發電系統之故障檢測方法，包含步驟1至步驟3。步驟1係由一檢測單元依據一發電系統之一電源參數，而產生一交越零點信號、一電壓信號及一電流信號。步驟2係由一被動式孤島檢測模組利用一多變量變化率檢測法依據該交越零點信號、該電壓信號及該電流信號，產生一第一正常控制信號、一模糊控制信號或一第一故障控制信號。步驟3係由一主動式孤島檢測模組在接收該模糊控制信號後，利用一電壓擾動關聯檢測法依據該交越零點信號及該電壓信號計算一檢測指標，並根據該檢測指標產生一第二正常控制信號或一第二故
障控制信號。
依據本發明之一實施例，其中，多變量變化率檢測法係同時計算出一電壓變化率、一頻率變化率以及一功因變化。當電壓變化率、頻率變化率或功因變化之其中之一大於一第一運轉臨界值，則被動式孤島檢測模組係輸出第一故障控制信號。或當電壓變化率、頻率變化率或功因變化同時大於一第二運轉臨界值，則被動式孤島檢測模組係輸出模糊控制信號。
依據本發明之一實施例，其中，第二運轉臨界值係小於該第一運轉臨界值。
依據本發明之一實施例，其中，當電壓擾動關聯檢測法之檢測指標大於一第三運轉臨界值，則主動式孤島檢測模組係輸出第二故障控制信號。
另外，為達上述目的，本發明之一種併網型發電系統之故障檢測裝置包括一檢測單元、一數位處理單元以及一第一開關。故障檢測裝置係與一發電系統、一市電系統及一負載配合應用。其中，發電系統與市電系統並聯以對負載進行供電。檢測單元係與發電系統電性連接，並依據發電系統之一電源參數，而產生一交越零點信號、一電壓信號及一電流信號。數位處理單元係與檢測單元電性連接，並具有一被動式孤島檢測模組、一主動式孤島檢測模組及一啟斷控制模組。被動式孤島檢測模組係依據交越零點信號、電壓信號及電流信號而產生一第一正常控制信號、一模糊控制信號或一第一故障控制信號。主動式孤島檢測模組係耦接被動式孤島檢測模組，且在接收模糊控制信號後，依據交越零點信號及電壓信號計算一檢測指標，並根據檢測指標產生一第二正常控制信號或一第二故障控制信號。啟斷控制模組係耦接被動式孤島檢測模組及主動式孤島檢測模組，且依據第一正常控制信號、第一故障控制信號、第二正常控制信號或第二故障控制信號，而產生一切換控制信號。第一開關係電性連接於併網型發電系統及負載之間，並依據切換控制信號而導通或斷路。
依據本發明之一實施例，其中，檢測單元具有一電
源參數檢測電路及一零點交越檢測電路。電源參數檢測電路係分別與發電系統及數位處理單元電性連接，並依據電源參數產生電壓信號及電流信號。零點交越檢測電路係分別與發電系統及數位處理單元電性連接，並依據電源參數產生交越零點信號。
依據本發明之一實施例，其中，數位處理單元更具有一週期性激磁電壓調整電路，其係與零點交越檢測電路電性連接，並依據交越零點信號而輸出一脈寬調變信號至發電系統。
依據本發明之一實施例，其中，被動式孤島檢測模組包含一第一A/D資料輸入取樣及均方根值計算副程式、一頻率變化率計算副程式、一電壓變化率計算副程式、一功因變化計算副程式以及一多變量變化率孤島現象判斷副程式。
依據本發明之一實施例，其中，主動式孤島檢測模組包含一第二A/D資料輸入取樣及均方根值計算副程式、一週期性脈寬調變調整信號輸出副程式、一檢測指標計算副程式以及一主動式孤島現象判斷副程式。
10‧‧‧故障檢測裝置
11‧‧‧檢測單元
111‧‧‧電源參數檢測電路
112‧‧‧零點交越檢測電路
12‧‧‧數位處理單元
121‧‧‧週期性激磁電壓調整電路
122‧‧‧被動式孤島檢測模組
1221‧‧‧第一A/D資料輸入取樣及均方根值計算副程式
1222‧‧‧電壓變化率計算副程式
1223‧‧‧頻率變化率計算副程式
1224‧‧‧功因變化計算副程式
1225‧‧‧多變量變化率孤島現象判斷副程式
123‧‧‧主動式孤島檢測模組
1231‧‧‧週期性脈寬調變調整信號輸出副程式
1232‧‧‧第二A/D資料輸入取樣及均方根值計算副程式
1233‧‧‧檢測指標計算副程式
1234‧‧‧主動式孤島現象判斷副程式
124‧‧‧啟斷控制模組
13‧‧‧第一開關
14‧‧‧第二開關
20‧‧‧發電系統
21‧‧‧同步發電機
22‧‧‧降壓轉換器
221‧‧‧激磁繞組
30‧‧‧市電系統
40‧‧‧負載
AC1‧‧‧第一交流電源
AC2‧‧‧第二交流電源
S1‧‧‧交越零點信號
S2‧‧‧電壓信號
S3‧‧‧電流信號
Sc1‧‧‧第一正常控制信號
Sc2‧‧‧模糊控制信號
Sc3‧‧‧第一故障控制信號
Sc4‧‧‧第二正常控制信號
Sc5‧‧‧第二故障控制信號
Sp1‧‧‧脈寬調變信號
Sw1‧‧‧切換控制信號
S01-S03‧‧‧故障檢測方法步驟
圖1係為本發明較佳實施例之一種併網型發電系統之故障檢測裝置的架構方塊示意圖。
圖2係為本發明較佳實施例之被動式孤島檢測模組之軟體控制程式執行程序示意圖。
圖3係為本發明較佳實施例之主動式孤島檢測模組之軟體控制程式執行程序示意圖。
圖4係為本發明較佳實施例之同步發電機與市電系統並聯運轉之功率潮流示意圖。
圖5係為本發明較佳實施例之同步發電機孤島運轉之功率潮流示意圖。
圖6係為本發明較佳實施例之同步發電機與市電系統並聯運轉單線示意圖。
圖7係為本發明較佳實施例之同步發電機與市電系統孤島運
轉單線示意圖。
圖8係本發明較佳實施例之一種併網型發電系統之故障檢測方法之一流程圖。
以下將透過實施例來解釋本發明內容，本發明的實施例並非用以限制本發明須在如實施例所述之任何特定的環境、應用或特殊方式方能實施。因此，關於實施例之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以限制本發明。須說明者，以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關之元件已省略而未繪示；且圖式中各元件間之尺寸關係僅為求容易瞭解，非用以限制實際比例。
請參照圖1所示，本發明較佳實施例之一種併網型發電系統之故障檢測裝置10係包括一檢測單元11、一數位處理單元12、一第一開關13及一第二開關14。在併網型發電系統中係由一發電系統20、一市電系統30以及一負載40所構成，其中發電系統20與市電系統30係並聯連接以對負載40進行供電。
發電系統20係包括相互電性連接之一同步發電機21及一降壓轉換器(Buck Converter)22。同步發電機21係輸出一第一交流電源AC1以提供負載40使用。降壓轉換器22係依據一脈寬調變(Pulse Width Modulation,PWM)信號Sp1的控制，而透過一激磁繞組221以令同步發電機21輸出第一交流電源AC1。於本實施例中，降壓轉換器22之構成例如但不限於電感、電容、雙極性接面電晶體(BJT)、金氧半場效電晶體(MOSFET)或繞組等。另外，市電系統30係傳輸一第二交流電源AC2以供給負載40。
檢測單元11係與發電系統20電性連接，並依據發電系統20之一電源參數，而產生一交越零點信號S1、一電壓信號S2及一電流信號S3。檢測單元11具有一電源參數檢測電路111以及一零點交越檢測電路112，二者皆分別與發電系統20及數位處理單元12電性連接。其中，電源參數檢測電路111係依據電源參數產生電壓信號及電流信號。電源參數檢測電路111以及零點交越檢測電路112例如但不限於係由若干運算放大器(OPA)及/或被動元件所組
成，其係為一般習知技術，故於此不加以贅述。
數位處理單元12係與檢測單元11電性連接，並具有一週期性激磁電壓調整電路121、一被動式孤島檢測模組122、一主動式孤島檢測模組123以及一啟斷控制模組124。於本實施例中，數位處理單元12例如係為一數位信號處理器(Digital signal processor,DSP)。
週期性激磁電壓調整電路121係與零點交越檢測電路112電性連接，並依據交越零點信號S1而輸出週期性電壓擾動之脈寬調變信號Sp1至發電系統20。
被動式孤島檢測模組122係依據交越零點信號S1、電壓信號S2及電流信號S3而產生一第一正常控制信號Sc1、一模糊控制信號Sc2或一第一故障控制信號Sc3。
主動式孤島檢測模組123係耦接於被動式孤島檢測模組122，且在接收模糊控制信號Sc2後，依據交越零點信號S1及電壓信號S2經計算後產生一檢測指標。接著，主動式孤島檢測模組123並根據檢測指標而產生一第二正常控制信號Sc4或一第二故障控制信號Sc5。
啟斷控制模組124係耦接於被動式孤島檢測模組122及主動式孤島檢測模組123，且依據第一正常控制信號Sc1、第一故障控制信號Sc3、第二正常控制信號Sc4或第二故障控制信號Sc5，而產生一切換控制信號Sw1。
第一開關13係電性連接於發電系統20及負載40之間，並依據切換控制信號Sw1而導通或斷路。第二開關14係電性連接於市電系統30與負載40之間。當市電系統30發生故障時，則第二開關14將切換為斷路，以停止由市電系統30對負載40繼續供電。
搭配圖2所示，於本實施例中，被動式孤島檢測模組122係採用C語言撰寫的軟體控制程式，其包括一第一A/D資料輸入取樣及均方根值計算副程式1221、一電壓變化率計算副程式1222、一頻率變化率計算副程式1223、一功因變化計算副程式1224以及一多變量變化率孤島現象判斷副程式1225。被動式孤島檢測
模組122之軟體控制程式之執行流程分述如下。
第一A/D資料輸入取樣及均方根值計算副程式1221係將由檢測單元11所輸出的電壓信號S2經A/D轉換為數位信號以輸入數位信號處理器以供判斷。程式中規劃以副程式週期性方式取樣讀取類比的電壓信號S2，再做A/D轉換，所得的數位資料定期輸入數位處理單元12之一主程式，進行負載40之電壓均方根值計算，以作為電壓變化率計算副程式1222的輸入。
電壓變化率(Rate of Change of Voltage,ROCOV)計算副程式1222係將第一A/D資料輸入取樣及均方根值計算副程式1221所計算的每一個週期的電壓均方根值，與前一週期的電壓均方根值比較並計算電壓變化率。電壓變化率計算副程式1222依據負載40的電壓交越零點，每週期都執行一次，以提供多變量變化率孤島現象判斷副程式1225評估。
頻率變化率(Rate of Change of Frequency,ROCOF)計算副程式1223係計算由零點交越檢測電路112所產生的一週期性方波信號的每一個週期的頻率值，並根據視窗寬度之週期數計算頻率變化率。頻率變化率計算副程式1223依據負載40的電壓交越零點，每週期都執行一次，以提供多變量變化率孤島現象判斷副程式1225評估。
功因變化(COPF)計算副程式1224係計算由零點交越檢測電路112所產生的交越零點信號S1經由數位處理單元12計算一電壓零點和一電流零點之間的相位差，並根據相位差計算每一個週期的功率因數(功因)，與前一週期的功因比較並計算功因變化。功因變化計算副程式1224依據負載40的電壓交越零點，每週期都執行一次，以提供多變量變化率孤島現象判斷副程式1225評估。
多變量變化率孤島現象判斷副程式1225係同時判斷負載40的電壓變化率(ROCOV)、頻率變化率(ROCOF)與功因變化(COPF)，作為辨別發生孤島現象與否的指標。當電壓變化率、頻率變化率或功因變化之其中之一大於一第一運轉臨界值，
則被動式孤島檢測模組122係輸出第一故障控制信號至啟斷控制模組124，即表示發電系統20處於孤島運轉狀態。另外，當電壓變化率、頻率變化率或功因變化同時大於一第二運轉臨界值，則被動式孤島檢測模組122係輸出模糊控制信號，則必須由主動式孤島檢測模組123進行複測。其中，本實施例中之第二運轉臨界值係小於該第一運轉臨界值。另外，值得一提的是第一運轉臨界值及第二運轉臨界值係為一統稱值。以第一運轉臨界值為例，電壓變化率、頻率變化率及功因變化係分別對應於一數值，而非為同一數值。
再搭配圖3所示，於本實施例中，主動式孤島檢測模組123係採用C語言撰寫的軟體控制程式，其包括一週期性脈寬調變調整信號輸出副程式1231、一第二A/D資料輸入取樣及均方根值計算副程式1232、一檢測指標計算副程式1233以及一主動式孤島現象判斷副程式1234。主動式孤島檢測模組123之軟體控制程式之執行流程分述如下。
週期性脈寬調變調整信號輸出副程式1231係經由零點交越檢測電路112檢出負載40的電壓交越零點，係經由數位信號處理器的一外部中斷接腳輸入，經由週期性脈寬調變調整信號輸出副程式1231計算後，將產生每n週期高，每n週期低的週期性脈寬調變信號Sp1，再由數位信號處理器的一輸出腳位輸出。
第二A/D資料輸入取樣及均方根值計算副程式1232係將由檢測單元11所輸出的電壓信號S2經A/D轉換為數位信號以輸入數位信號處理器以供判斷。程式中規劃以副程式週期性方式取樣讀取類比的電壓信號S2，再做A/D轉換，所得的數位資料定期輸入數位處理單元12之主程式，進行負載40之電壓均方根值計算，以作為提供檢測指標計算副程式1233的輸入。
檢測指標計算副程式1233係將第二A/D資料輸入取樣及均方根值計算副程式1232所產生的電壓均方根值計算差分值，並計算調整信號函數的差分值。並根據視窗寬度之週期數計算出一檢測指標。檢測指標計算副程式1233則依據負載40的電壓
交越零點，每週期都執行一次，以提供主動式孤島現象判斷副程式1234評估。
主動式孤島現象判斷副程式1234係將檢測指標計算副程式1233輸入的檢測指標進行孤島現象判斷。當檢測指標大於一第三運轉臨界值，則判定為孤島故障，由主動式孤島檢測模組123輸出第二故障控制信號至啟斷控制模組124，並由啟斷控制模組124輸出使第一開關13斷路之切換控制信號Sw1。
以下，請一併參照圖4至圖7說明本發明之併網型發電系統之故障檢測裝置的動作原理。
如圖所示，當市電並聯運轉時，系統之功率潮流如圖4所示，Pu為市電系統30供應的實功率，Pg為同步發電機21供應的實功率，PL為負載40消耗的實功率，實功率平衡情況下，可表示如下：P u +P g =P L (1)
當同步發電機21孤島運轉時，系統之功率潮流如圖5所示，第二開關14開啟，市電系統30供應的實功率Pu消失，實功率不再平衡的情況下，實功率失配(Mismatch)△P可表示如下：△P=P g -P L (2)
同步發電機21孤島運轉時，併網型發電系統與負載40形成單機運轉的電力系統，系統的頻率變化可以用搖擺方程式(Swing Equation)模擬，搖擺方程式可表示如下：
其中，H為同步發電機21的慣性常數(Inertia Constant)，ω0為同步發電機21的同步角速度，ω為同步發電機21的角速度。由式(3)可推導出：
其中ω=2 π f，f為系統頻率，ω0=2 π f0，f0為系統同步頻率，式(4)可進一步推導出頻率變化率(ROCOF，df/dt)：
由(5)式可知，頻率變化率正比於實功率失配△P，亦即當發生孤島運轉時，實功率失配△P越大，則頻率變化率越大。因此，頻率變化率可以作為辨別發生孤島現象與否的指標。
以下將以一個簡化的併網型發電系統20與市電系統30並聯的電力系統單線圖說明電壓變化率檢測法。當市電系統30並聯運轉時，系統之功率潮流如圖4所示，Qu為市電系統30供應的虛功率，Qg為同步發電機21供應的虛功率，QL為負載40消耗的虛功率，虛功率平衡情況下，可表示如下：Q u +Q g =Q L (6)
當同步發電機21孤島運轉的瞬間，系統之功率潮流如圖5所示，第二開關14開啟，市電系統30供應的虛功率Qu消失，虛功率不再平衡的情況下，虛功率失配△Q可表示如下：△Q=Q g -Q L =-Q u (7)
同步發電機21孤島運轉時，併網型發電系統20與負載40形成單機運轉的電力系統，同步發電機21供應的虛功率Qg對負載40的端電壓VL的偏微分可表示如下：
其中，Eg為同步發電機21的開路電壓，Yg為同步發電機21同步導納亦即同步阻抗的倒數，θg為Yg的相位角，δg為Eg的相位角，δL為VL的相位角。
因為θg-δg+δL θg，由(8)式可推導出：
其中Bg為同步發電機21的同步電納，(9)式可進一步推導出：
當同步發電機21孤島運轉的瞬間，同步發電機21的虛功率變化△Qg等於虛功率失配△Q的負值，上式可進一步推導出：
若忽略同步發電機21的電樞電阻，則同步電納Bg的倒數為同步電納Xg，再將(11)式兩邊同時除以△t，(11)式可進一步推導出頻率變化率：
由(12)式可知，電壓變化率正比於系統虛功率失配△Q的變化率，亦即當發生孤島運轉的瞬間，通常會發生虛功率失配，若虛功率失配的變化率(△Q/△t)越大，則電壓變化率越大。因此，電壓變化率也可以作為辨別發生孤島現象與否的指標。
以下將以一個簡化的併網型發電系統20與市電系統30並聯的電力系統單線圖說明功因變化檢測法。當市電系統30並聯運轉時，系統之功率潮流如圖4所示，Pu為市電系統30供應的實功率，Pg為同步發電機21供應的實功率，PL為負載40消耗的實功率，Qu為市電系統30供應的虛功率，Qg為同步發電機21供應的虛功率，QL為負載40消耗的虛功率，功率平衡情況下，功率平衡方程式可表示如下：P u +P g =P L (13)
Q u +Q g =Q L (14)
市電系統30並聯運轉時，併網型發電系統的功因可表示如下：
當同步發電機21孤島運轉的瞬間，系統之功率潮流如圖5所示，第二開關14開啟，市電系統30供應的實功率Pu與虛功率Qu消失，功率不再平衡的情況下，實功率失配△P與虛功率失配△Q可分別表示如下：△P=P g -P L =-P u (16)
△Q=Q g -Q L =-Q u (17)
同步發電機21孤島運轉時，併網型發電系統20的功因可表示如下：
由(15)式與(18)式相減，可進一步推導出功因變化：
由(19)式可知，功因變化與系統實功率失配△P和虛功率失配△Q有關，亦即當發生孤島運轉的瞬間，通常會發生實功率失配和虛功率失配，若功率失配越大，則功因變化越大。因此，功因變化可以作為辨別發生孤島現象與否的指標。
一種較簡單的間接估測法將被採用在電壓擾動關聯法內，其原理如下：市電並聯運轉時如圖6所示，第二開關14閉合，Eu為市電系統30的開路電壓，Zu為市電系統30的電源阻抗，Eg為同步發電機21原有的開路電壓，△Eg為同步發電機21因激磁電壓週期性擾動而產生的電壓振幅擾動，Zg為同步發電機21的同步阻抗，負載40阻抗則以ZL表示。於市電系統30並聯運轉情況下，可將負載的端電壓VL1表示如下：
由於同步發電機的同步阻抗Zg遠大於市電系統的電源阻抗Zu，因此在(20)式中Eu項的比例值遠大於Eg+△Eg項的比例值，若忽略Eg+△Eg項，則(20)式中的VL1可近似等於：
觀察(21)式，可知市電並聯運轉時的負載端電壓VL1不受Eg+△Eg項的影響，因此負載端電壓VL1不會出現週期性電壓振幅擾動。
孤島運轉時如圖7所示，第二開關14開啟(斷路)，Eg為同步發電機端開路電壓，△Eg為同步發電機因激磁電壓週期性擾動而產生的電壓振幅擾動，Zg為同步發電機的同步阻抗，負載阻抗則以ZL表示。於孤島運轉情況下，可將負載端電壓VL2表示如下：
觀察(22)式，可知孤島運轉時的負載端電壓VL2受Eg+△Eg項的影響，因此負載端電壓VL2會出現週期性電壓振幅擾動。所以量測負載端電壓是否出現週期性電壓振幅擾動即可間接估測電源測等效阻抗的變化，而檢測出孤島現象。
負載端電壓振幅的變化與週期性激磁電壓調整信號有明顯的相關性，當激磁電壓調高時，負載端電壓振幅變小；當激磁電壓調低時，負載端電壓振幅變大。因此，將負載端電壓振幅的變化與週期性激磁電壓調整信號間的相關性以檢測指標表示，則可以用檢測指標作為辨別發生孤島現象與否的指標。檢測指標的計算公式說明如下。
週期性激磁電壓調整電路係經由零點交越偵測電路
檢出負載端電壓的交越零點，經過檢測系統的控制程式計算後，將產生每n週期高，每n週期低的週期性激磁電壓調整信號。先定義第j週期的激磁電壓調整狀態信號函數S(j)，S(j)只有兩種數值：當激磁電壓調低時S(j)=-1，當激磁電壓調高時S(j)=+1。則第j週期的差分△S(j)可定義如下：△S(j)=S(j)-S(j-n) (23)
第j週期的端電壓均方根值為VL,RMS(j)，則差分△VL,RMS(j)可定義如下：△V L,RMS (j)=V L,RMS (j)-V L,RMS (j-n) (24)
檢測指標可由下式求得：
其中，Di為檢測指標，N為計算視窗寬度之週期數，N=2n。
在市電並聯運轉情況下，同步發電機與市電端處於並聯狀態，週期性激磁電壓調整信號產生之擾動造成負載端電壓大小變化受到市電電壓牽制，電壓量變動程度極小，週期性激磁電壓調整信號產生之擾動信號的干擾並不顯著，在此情況下，△VL,RMS(j)與△S(j)之間變化相關性較低，檢測指標也較小。
反之，當市電端有故障事件發生促使系統保護電驛跳脫與同步發電機解聯，而形成孤島運轉時。負載的電能完全由同步發電機供給，所以週期性激磁電壓調整信號產生之電壓振幅擾動，立即明顯的反應於負載端電壓上，電壓擾動變化的程度相對於市電並聯時將會變大，而△VL,RMS(j)與△S(j)之間變化相關性也較高，所以此時檢測指標也比市電並聯運轉時大。
藉由比較檢測指標Di之大小可辨識同步發電機處於何種運轉狀態。當Di大於所設定運轉臨界值時，即表示同步發電機處於孤島運轉狀態；反之，則同步發電機仍與市電網路並聯。
請參照圖8並搭配上述，本發明之一種併網型發電系
統之故障檢測方法係包括步驟S01至步驟S03。
步驟S01係由一檢測單元依據一發電系統之一電源參數，而產生一交越零點信號、一電壓信號及一電流信號。步驟S02係由一被動式孤島檢測模組利用一多變量變化率檢測法依據該交越零點信號、該電壓信號及該電流信號，產生一第一正常控制信號、一模糊控制信號或一第一故障控制信號。步驟S03係由一主動式孤島檢測模組在接收該模糊控制信號後，利用一電壓擾動關聯檢測法依據該交越零點信號及該電壓信號計算一檢測指標，並根據該檢測指標產生一第二正常控制信號或一第二故障控制信號。由於詳細的步驟及原理已於上述說明，故不再贅述。
綜上所述，依據本發明之一種併網型發電系統之故障檢測裝置及其故障檢測方法，由於其控制核心採用數位處理單元(或稱數位信號處理器)，系統為全數位化處理，可大幅簡化控制電路、降低成本，並且可提高穩定性與可靠度。
另外，依據本發明之併網型發電系統之故障檢測裝置及其故障檢測方法，其所設計的主動式孤島檢測模組係以電壓擾動關聯法為基礎，這種檢測法可以排除因為市電系統電壓驟降、開關突波、負載驟增等現象，所造成的誤判。再結合了以多變量變化率檢測法為基礎的被動式孤島檢測模組，更可以有效減少檢測系統的無法檢測區域，使故障檢測裝置具有靈敏而且準確的孤島效應檢測能力，提高併網型發電系統的運轉可靠度，並能維護人員的安全，針對未來數量逐日增加的併網型發電系統。
上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。
10‧‧‧故障檢測裝置
11‧‧‧檢測單元
111‧‧‧電源參數檢測電路
112‧‧‧零點交越檢測電路
12‧‧‧數位處理單元
121‧‧‧週期性激磁電壓調整電路
122‧‧‧被動式孤島檢測模組
123‧‧‧主動式孤島檢測模組
124‧‧‧啟斷控制模組
13‧‧‧第一開關
14‧‧‧第二開關
20‧‧‧發電系統
21‧‧‧同步發電機
22‧‧‧降壓轉換器
221‧‧‧激磁繞組
30‧‧‧市電系統
40‧‧‧負載
AC1‧‧‧第一交流電源
AC2‧‧‧第二交流電源
S1‧‧‧交越零點信號
S2‧‧‧電壓信號
S3‧‧‧電流信號
Sc1‧‧‧第一正常控制信號
Sc2‧‧‧模糊控制信號
Sc3‧‧‧第一故障控制信號
Sc4‧‧‧第二正常控制信號
Sc5‧‧‧第二故障控制信號
Sp1‧‧‧脈寬調變信號
Sw1‧‧‧切換控制信號
Claims (10)
- 一種併網型發電系統之故障檢測方法，包含：由一檢測單元依據一發電系統之一電源參數，而產生一交越零點信號、一電壓信號及一電流信號；由一被動式孤島檢測模組利用一多變量變化率檢測法依據該交越零點信號、該電壓信號及該電流信號，產生一第一正常控制信號、一模糊控制信號或一第一故障控制信號；以及由一主動式孤島檢測模組在接收該模糊控制信號後，利用一電壓擾動關聯檢測法依據該交越零點信號及該電壓信號計算一檢測指標，並根據該檢測指標產生一第二正常控制信號或一第二故障控制信號。
- 如請求項1所述之故障檢測方法，其中該多變量變化率檢測法係同時計算出一電壓變化率、一頻率變化率以及一功因變化，當該電壓變化率、該頻率變化率或該功因變化之其中之一大於一第一運轉臨界值，則該被動式孤島檢測模組係輸出該第一故障控制信號。
- 如請求項2所述之故障檢測方法，其中該多變量變化率檢測法係同時計算出一電壓變化率、一頻率變化率以及一功因變化，當該電壓變化率、該頻率變化率或該功因變化同時大於一第二運轉臨界值，則該被動式孤島檢測模組係輸出該模糊控制信號。
- 如請求項3所述之故障檢測方法，其中該第二運轉臨界值係小於該第一運轉臨界值。
- 如請求項1所述之故障檢測方法，其中當該電壓擾動關聯檢測法之該檢測指標大於一第三運轉臨界值，則該主動式孤島檢測模組係輸出該第二故障控制信號。
- 一種併網型發電系統之故障檢測裝置，其中，一發電系統係與一市電系統配合以對一負載進行供電，包含：一檢測單元，與該發電系統電性連接，並依據該發電系統之一電源參數，而產生一交越零點信號、一電壓信號及一電流信 號；一數位處理單元，與該檢測單元電性連接，並具有：一被動式孤島檢測模組，依據該交越零點信號、該電壓信號及該電流信號而產生一第一正常控制信號、一模糊控制信號或一第一故障控制信號；一主動式孤島檢測模組，耦接該被動式孤島檢測模組，且在接收該模糊控制信號後，依據該交越零點信號及該電壓信號計算一檢測指標，並根據該檢測指標產生一第二正常控制信號或一第二故障控制信號；以及一啟斷控制模組，耦接該被動式孤島檢測模組及該主動式孤島檢測模組，且依據該第一正常控制信號、該第一故障控制信號、該第二正常控制信號或該第二故障控制信號，產生一切換控制信號；以及一第一開關，電性連接於該併網型發電系統及該負載之間，並依據該切換控制信號而導通或斷路。
- 如請求項6所述之故障檢測裝置，其中該檢測單元具有：一電源參數檢測電路，係分別與該發電系統及該數位處理單元電性連接，並依據該電源參數產生該電壓信號及該電流信號；以及一零點交越檢測電路，係分別與該發電系統及該數位處理單元電性連接，並依據該電源參數產生該交越零點信號。
- 如請求項7所述之故障檢測裝置，其中，該數位處理單元更具有一週期性激磁電壓調整電路，其係與該零點交越檢測電路電性連接，並依據該交越零點信號而輸出一脈寬調變信號至該發電系統。
- 如請求項6所述之故障檢測裝置，其中該被動式孤島檢測模組包含一第一A/D資料輸入取樣及均方根值計算副程式、一頻率變化率計算副程式、一電壓變化率計算副程式、一功因變化計算副程式以及一多變量變化率孤島現象判斷副程式。
- 如請求項6所述之故障檢測裝置，其中該主動式孤島檢測模組 包含一第二A/D資料輸入取樣及均方根值計算副程式、一週期性脈寬調變調整信號輸出副程式、一檢測指標計算副程式以及一主動式孤島現象判斷副程式。
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