TWI278635B - Method for surely detecting islanding operation - Google Patents

Description

1278635 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 一種以避免孤島 本發明係為_種孤島偵測方法，尤指 運轉之發生情形之偵測方法。 【先前技術】 % =政ί此源或是再生能源發電設備常與電力系統併 恥、，§電力系統因異常而跳脫時，若此時分散式能两 發電設聽法偵測電力系統跳脫而持續供電，即產生獨: 供電狀悲’在獨立供電期間，電壓及頻率不穩定，使得其 ，電…又備各易叉損’另外’有可能造成相關區域維修人 員之忽略’因而發生觸電，或是當電力系統復電時因無法 與之同步，以致損壞設備。 利用偵測責任分界點（point of common coupling; PCC)端電力系統之電壓大小與頻率，當頻率或電壓有任何 超出（超過或低於）運轉範圍時，切斷分散式電源系統，以 避免發生孤島運轉，或是隨時偵測電力系統電壓之相位，

當此電壓相位突然較大之改變時（v〇ltage phase ju即），I 即表示孤島運轉發生，前述電壓、頻率、相位跳躍等方法， 往往文限於負載之形式，而會有因負载之狀態而無法偵測 得到發生孤島運轉狀態，而此區塊大家通稱為非偵測區塊 (non-detection zone NDZ)。 另技術疋彳貞測PCC點輸配電電壓總譜波失直（七a 1 Harmonic Distortion ; THD)量，當此失真量超過預設準位 時’即表示發生孤島運轉現象，其主要根據變壓器非線性 5 1278635 之磁滯曲線（B-H curve)理論，使得變壓器之激磁電$ i 性變化；當電力系統正常運轉時，非線性電流由電力% 提供，因此不影響電壓之諧波；但當此電力系統因系统 時，此非線性電流便必須由分散式電源系統提供，此 壓便可能產生向頻諧波，因此可依據此電壓譜波量來I， 孤島運轉。可是依電壓總諧波失真量之大小來判定是'j斷 島運轉狀況，是非常難以拿捏，不易獲得此大小判定；:孤 另外，可利用電力線載波直接通訊之方法，道理淺顯而明 瞭，但是需要在兩端同時裝設此通訊設備，成本高。而前 述這些方法亦統稱為被動孤島偵測法。 另外一重要偵測方法歸類為主動式孤島偵測法。如美 ，專利7虎US5, 493, 485專利，乃利用電流與電壓相位飄移 = '頻率變化量、電壓變化量、總電壓諧波失真量（THD) 交化I等因素來決定輸出電流與電壓間相位飄移量，且此 =率與相位差之方程式可為多種形式之非線性函數，以及 輪出之電流峰值大小，此法非常複雜，實現較為困難。也 技術藉由一個頻率及相角差之滑動控制模式曲線，使 得當偵測得電壓頻率有所變化時，調整注入電流與電壓之 相位差，使其操作點依照此滑動曲線到達另一個穩定點， 而此％定點在正常操作頻率之外，此滑差模式曲線如第二 圖所示。 ^叉如美國專利號US5, 111,377則是利用擾動注入電力 ^ =之電流頻率，當電力系統正常運作時，此擾動旅未對 電壓之頰率有明顯之影響，當電力系統跳脫時，此擾動會 直接影響電壓之頻率或是與電流之相位差，當相位差或頻 -hr 叫 斤改變時，將此改變量正迴授於電流頻率擾動量，使 6 1278635 其擾動量再次增加，古r &广、+ 心、 直至電壓頻率超出運轉範圍，而偵、、則 付f島運轉現象’於美國專利號US6，m，889亦類似此/夺 統架構。 只以此糸 ，電力系統之方法亦有’係如美國專利 k ，， 斤插述，亦即當負載達到所官稱之值時 或是因低通ί波器產生之相位移，正好與原;標=;相 互抵銷’於疋乎a法仙得到電壓或是相位之變化益 法债測孤島運轉現象。因此該專利乃利用—個多 = 遺忘函數來加權變化量，但是此方法複雜不易實現。上= 許多方式綱正迴授之方法，來調整再生能源輪出之電= 大小或是電流頻率或是電壓與電流之相位差，且主要依7 誤差量之大小來決定調整量，若誤差量減小，則調整量= 變小，偵測時間亦隨之增加，又或誤差量因電路延遲載 延遲（領先）使得誤差量為零，而無法偵測得到孤軍 狀態。 "w 【發明内容】 本案發明人即為解決上述習用技術問題，乃特潛心研 究並配合學理之運用，提出一種孤島偵測方法。 本發明之目的係將誤差量之大小調整為誤差微分方 向性分量S以及計數器％，並利用此計數器對應一調整函 數，來決定調整量，如此便可避免因迴授誤差量減小，調 整量亦變小之問題。 本發明提出一種孤島偵測方法，以避免孤島運轉之發 生十月形’係包括Υ貞測責任为界點（point of coiMion 1278635 ⑶upling; PCC)之複數個電壓頻率；獲得複數個不同電厣 頻率值；比較該些不同電壓頻率值彼此之間的差異值；^ 生經由該比較後差異值之—調整函數；及依據該調 以決定一調整量。 、 【實施方式】 為了使貝番查委員能更進一步瞭解本發明為達成 既定目的所採取之技術、方法及功效，請參閱以下有關本 ^明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點， 當可由此得一深入且具體之暸解，然而所附圖式僅提供參 讀 考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。 請參考第三圖係為本發明之孤島偵測方法流程圖，以 避免孤島運轉之發生情形，首先利用高解析度之計時器偵 測貝任分界點（point 0f c〇lnm〇n c〇Upiing ; pcc)之複數個 電壓頻率（S100)，雖說電力系統正常運作時之電壓頻率幾 手疋不雙的，但疋利用此南解析度計時器來偵測電壓頻率 時’是可以獲得複數個不同電壓頻率值（sl〇2)，比較該些 不同電壓頻率值彼此之間的差異值（sl〇4)，產生經由該比 餐 較後差異值之一調整函數（S106)，依據該調整函數以決定 一調.整量（S108)。 唯其差異非常之小，因此藉由此項特徵，當此電壓頻 率差異非常小時，加入一小微量之電流輸出頻率或是相位 差變化量，此變化量之極性與電壓頻率差相同。當電壓頻 率差異值非常小時，其一電流輸出頻率值之計算方法如 A +〜△/◦，其中該Λ為第k個取樣週期時設定輸出之 8 1278635 電流頻率，而凡為第k個取樣週期 率，該ΔΛ為小微量電流頻率變化量，兮、Y彳于到之電壓頻 性分量值。該誤差微分方向性分量值為誤羞微分方向 八，該誤差微分方向性分量值為〇之條件係為 凡一/^po，該誤差微分方向性分量^ 1之條件係為 圯'/^<0，上述該凡為第k個取樣期1之條件係為 壓頻率，該I為第Η個取樣週期削 得到之電 率。 π们貝/則杆到之電壓頻 織電力系統之電壓頻率變化一般不會有所改變，即使改 、交也是非常緩慢且變化量很小。因此電壓頻率值計算透過 一個 IIRUnfinite Impulse Response)濾波器言十算，且每 週期計算一次，其計算方法如%，其中該 為目前獲得之電壓頻率，而χ為一濾波器之時間常數。 為了方便δ十异可设計為2的-η次方倍數。因電壓頻率偵測 解析度高，此小微量之電流頻率變化，對輪出電流總諳波 失真THD幾乎沒有影響，另外，若是多台併聯運轉，其$ 值相同，不會產生相互抵銷之現象。 每電力糸統因故跳脫時，此時所债測得到之電壓頻率 完全取決於當時之負載，當偵測得電壓頻率變動較大時， 電流頻率或是相位擾動量增加，用以加速電壓頻率之改 : 笔頻率或相位移設定如A =/^ +以Α/i，其中該△乂為 :級頻率或相位擾動變化增加量，該Λ為第k個取樣週期 時设定輸出之電流頻率，而該為目前獲得之電壓頻 率’该s為誤差微分方向性分量值。又此電壓頻率改變， 使传電流頻率設定因而改變更大，進而達到電壓頻率高/ 低於運轉範圍，而偵測得孤島運轉狀態。 1278635 其中該些電壓頻率若沒有變動狀況時，該些電壓頻率 差異值之計算方式可為凡—凡-1={)······，該凡為第k個 取樣週期所偵測得到之電壓頻率，該為第k-i個取樣 週期所偵測得到之電壓頻率，該^為誤差微分方向性分量 值，該&為前一次之誤差微分方向性分量值。 為了可以加速偵測到孤島運轉狀況，或是避免電壓頻 率因負載特性而無法偵測變動量，可以設計一個迴授權重 因子％，該迴授權重因子為計算該誤差微分方向性分量之 計數器，該迴授權重因子與頻率/相位變化量可為步階函 數、線性函數、指數函數或多項式函數，當該誤差微分方 向性分量之值維持不變，則將該迴授權重因子增加為1， 反之，若當該誤差微分方向性分量之值有改變時，則將該 迴授權重因子清除為零。當該誤差微分方向性分量之值改 變時，其一電流輸出頻率值之計算方法如Λ ， 其中該Λ為第k個取樣週期時設定輸出之電流頻率，而凡 為第k個取樣週期所偵測得到之電壓頻率，該f(r)為小微 量迴授權重因子變化量，該s為誤差微分方向性分量值。 其中該係如第四圖所示。 在此僅述兩種迴授權重因子之變化，其一，當迴授權 重因子之值累積到一個預設值時，即使電壓頻率尚未脫離 運轉範圍，亦表示孤島運轉發生，可以確保在限時内達到 孤島運轉跳脫之保護。其二，可以利用迴授權重因子之值 來調整電流頻率或是相位變化設定量如第四圖所示，可以 為步階函數、線性函數、指數函數或多項式函數，當迴授 權重因子值越大，表示孤島運轉之機率越高，若機率越高， 則調整電流頻率或是相位變化量越大，更加速電壓頻率之 10 !278635 變化，達到孤島運轉異常跳脫保護。 . 右為調整相位差時，當電壓 —相位差值之計算方法如Φ/Π；^φ、_常小時，其 k個取樣週期時設定輸出之相位差，而φ^’其;^亥為第 週期所偵測得到之相位差，該二為罘k-l個取樣 該5為誤差微分方向性分量值。但當目，差變化量， 時’其-相位差值之計算方法如差異值較大 為相位擾動變化增加量，該Φ/Α/ Α 1 ’其中該ΔΦ, 出之相位差，而叫，第Η 樣週期時設定輸 位差’ W為誤差微分方向性分量所偵測得到之相 t ^ 4. ^ t = 〇4, ^ ； 期時設定輸出之相位差，而I為第^固取樣 =所相位差，該，》為權重因子與相位變化 、數°亥5為誤差微分方向性分量值。 $誤差微分方向性分量值改變極性時，清除心之值 Β、= ^ 相位調整控制方法之㈣如第五Α圖及第五 、、θ所不，而電壓頻率之偵測亦可分為半週期與一週期偵 7。另外第亟Α圖及第五Β圖只是朗電流相位領先之圖 式’相同的，熟此技藝者亦容易理解電流落後電壓相位之 波形圖，故不于贅敘。 本發明確能藉上述所揭露之技術，提供一種迥然不同 於習知者的設計，使能提高整體之使用價值，又其申請前 未見於刊物或公開使用’誠已符合發明專利之要件，爰依 法提出發明專利申請。 惟，上述所揭露之圖式、說明，僅為本發明之實施例 11 1278635 而已，凡精于此項技藝者當可依據上述之說明作其他種種 之改良，而這些改變仍屬於本發明之發明精神及以下界定 之專利範圍中。 【圖式簡單說明】 第一圖係為習知技術之頻率差增減量調整曲線圖； 第二圖係為習知技術之滑差模式曲線圖； 第三圖係為本發明之孤島偵測方法流程圖； 第四圖係為本發明之權重函數曲線圖； 第五A圖係為本發明於相位改變時之半週期電壓頻率偵 測；及 第五B圖係為本發明於相位改變時之一週期電壓頻率偵 測。 【主要元件符號說明】 (本案無任何元件符號說明） 12

Claims (1)

1278635 6. 如申請專利範圍第4項所述之孤島偵測方法，其中該誤差 微分方向性分量值係為0，1或-1。 7. 如申請專利範圍第6項所述之孤島偵測方法，其中該誤差 微分方向性分量值為0之條件係為該凡為第k 個取樣週期所偵測得到之電壓頻率，該凡-1為第k-1個取 樣週期所偵測得到之電壓頻率。 8. 如申請專利範圍第6項所述之孤島j貞測方法，其中該誤差 微分方向性分量值為1之條件係為凡―凡-eG，該凡為第k 個取樣週期所偵測得到之電壓頻率，該凡-1為第k-1個取 樣週期所偵測得到之電壓頻率。 9. 如申請專利範圍第6項所述之孤島偵測方法，其中該誤差 微分方向性分量值為-1之條件係為，該凡為第 k個取樣週期所偵測得到之電壓頻率，該凡-1為第k-Ι個取 樣週期所偵測得到之電壓頻率。 10. 如申請專利範圍第3項所述之孤島偵測方法，當電壓頻率 差異值較大時，其一電流輸出頻率值之計算方法如下： 其中該Δ/。為電流頻率或相位擾動變化增加量，該凡為 第k個取樣週期時設定輸出之電流頻率，而該/&為目前 獲得之電壓頻率，該5為誤差微分方向性分量值。 11. 如申請專利範圍第3項所述之孤島偵測方法，當電壓頻率 差異值較大時，其一相位差值之計算方法如下： Φ/人,=Φ/[】+5χΑΦι 其中該Δφ，為相位擾動變化增加量，該為第k個取樣 週期時設定輸出之相位差，而φ/ρ為第k-Ι個取樣週期所 14 !278635 偵測得到之相位差，該^為誤差微分方向性分量值 項所述之孤島崎法 Μ數係為决1被分方向性分量以及計數哭。 13.=請專利範圍第12項所述之孤島偵測°方法，其中該計 數斋係為迴授權重因子，該迴授權重因子 分方向性分量之計數器。 勹 …:申請專利範圍第13項所述之孤島偵測 =重因子係為步階函數、線性函數、指數函數或= =方向性分置之值維持不變，則將該迴授㈣因子增加 _好之，右當该誤至微分方向性分量之值有改變時， 則將該迴授權重因子清除為零。 16·:Γ=，15項所述之孤島偵測方法，當該誤差 方=^之值改變時，其―電流輸出頻率值之計算 Ακ ^f^^^SxF(Ws) 而k、個取樣週期時設定輪出之電流頻率， 權重因：盘:ΐ樣週期所偵測得到之電壓頻率，該，J為 值。口子賴率變化函數，P為誤差微分方向性分量 下了方向性^之值改變時，其—相位差值之計算方法如 ΦΙκϋκ—'七 SxF(Ws) 1278635 其中該φ/〃為第k個取樣週期時設定輸出之相位差，而 為第k-Ι個取樣週期所偵測得到之相位差，該為 權重因子與相位變化函數，該5為誤差微分方向性分量 值。 16