具有电网故障自愈能力的快速智能反孤岛系统和方法

摘要

本发明提供了一种具有电网故障自愈能力的快速智能反孤岛系统和方法，包括步骤1：搭建分布式发电并网系统的主电路；步骤2：由主动相位偏移扰动模块在并网系统的控制电路中注入相角扰动；步骤3：通过以并网系统中公共连接点的电压信号和由锁相环得到的电网频率信号为依据，实现孤岛检测和电网故障自愈，所述公共连接点是指并网滤波器和本地负载接入电网的位置。本发明能够快速检测出孤岛，对采用锁相环实现电网同步的分布式发电并网系统，不需要添加任何额外的传感器等硬件；在系统本地负载为与分布式发电系统功率相匹配的并联RLC负载的极端情况下，仍能快速准确地检测出孤岛运行状态，不存在检测盲区，并能够有效提高系统运行效率。

说明书

技术领域

本发明涉及分布式发电并网系统的反孤岛保护领域，具体地，涉及一种具有电网故障自愈能力的快速智能反孤岛系统和方法。

背景技术

随着化石能源日趋枯竭，太阳能、风能、燃料电池等新能源得到了广泛开发和使用。这些分布式发电设备通过功率变换器接入电网，向电网输送电能。对于分布式发电并网系统，存在孤岛效应这一安全隐患。孤岛效应是指，在分布式发电并网系统中，当主电网因检修或发生故障等原因被切断后，发电设备继续向负载供电，形成供电孤岛的现象。

孤岛效应如不能被及时检测出，则会发生如下危险：

(1)由于电网系统中装设有自动重合闸装置，如果发电系统不具备反孤岛能力，很有可能当系统重合闸时出现发电装置和电网不同步的情况，并可能产生很大的冲击电流，损坏电路断路器以及发电装置，甚至致使电网重新跳闸；

(2)由于孤岛状态下，系统脱离电网运行，容易出现电压及频率失控的状况。如果发电装置不具备电压、频率调节能力，也不具备反孤岛能力及时切出孤岛状态，则有可能产生较大的电压、频率波动，损坏电网和用电设备；

(3)当电网发生接地或相间短路故障跳闸时，孤岛效应会妨碍故障的清除，而且会干扰电网的自动或人工恢复；

(4)电网跳闸检修时，孤岛效应会使得与主电网断开的线路仍带电，会对维修人员的安全产生威胁。因此，当分布式发电并网系统处在孤岛运行状态时，及时检测出孤岛状态并采取反孤岛保护动作是必要的。

孤岛检测的方法可分为被动检测和主动检测。被动检测方法基于对电压幅值、相位、频率及谐波成分等异常的监测，该类方法简单，易于实现，但存在较大的检测盲区；主动检测方法通过对电网施加特定的偏移或扰动，进而根据电网的反应做出判断，该类方法可有效减小孤岛检测盲区，但方法较复杂，通常要向电网施加偏移或扰动，因此会对电网质量产生不良影响。因为检测盲区会直接影响到反孤岛保护的可靠性，所以采用主 动检测方法并减小对电网质量的影响是孤岛检测的可行方案。

另外，电力系统具备一定的自愈能力，例如电网出现瞬时故障后可通过自动重合闸等设备恢复供电。但现有的反孤岛方法均不具备自愈能力，在分布式发电并网系统反孤岛动作后，需要经过人工判断操作后方可再次接入电网。这样不仅增加了分布式发电并网系统的维护工作量，而且降低了发电系统的运行效率和经济效益。可见具有电网故障自愈能力的智能型反孤岛方法工程实用性更强，更能与智能电网和能源互联网相适应。

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具有电网故障自愈能力的快速智能反孤岛系统和方法。

根据本发明提供的具有电网故障自愈能力的快速智能反孤岛系统，其特征在于，包括：分布式电源并网系统主电路、主动相位偏移(APD)扰动模块以及反孤岛智能检测模块；

所述分布式电源并网系统主电路包括：分布式电源、功率变换器、并网滤波器、本地负载以及电网；所述分布式电源的一端通过功率变换器与并网滤波器的一端相连，所述并网滤波器的另一端经第一断路器与电网相连，本地负载经第二断路器与电网相连；其中并网滤波器和本地负载接入电网的位置称为公共连接点(PCC)；

所述主动相位偏移扰动模块，作用于分布式电源并网系统的控制电路中，配合反孤岛智能检测模块实现主动孤岛检测；控制电路采用锁相环实现分布式电源并网电流与电网电压的实时同步，锁相环的输入量为经Clarke变换的以所述分布式电源并网系统主电路中公共连接点的电压，输出量为锁定的电网电压相位角以及用于所述反孤岛智能检测模块的电网频率信号；所述主动相位偏移扰动模块向锁相环锁定的电网电压相位角加入适量的相角偏移，并用于并网控制电路中的电网同步环节；

所述反孤岛智能检测模块，用于以所述分布式电源并网系统主电路中公共连接点的电压信号和锁相环得到的电网频率信号为依据实现孤岛检测和电网故障自愈。

所述分布式电源包括：光伏电池阵列、燃料电池、蓄电池、风电、柴油发电机中的任一种；且所述功率变换器与分布式电源的类型相匹配，其中，直流电源对应逆变器，交流电源对应整流逆变型变换器；

所述并网滤波器包括：L型滤波器、LC型滤波器或LCL型滤波器中的任一种；

所述本地负载包括：任意容量及连接方式的三相对称无源负载。

所述主动相位偏移扰动模块直接给电网电压相角注入相角偏移，其中，相角偏移的 大小须根据控制电路的开关频率及并网电能质量的要求来整定；相角偏移越小，并网电能质量越高，但孤岛检测的速度就越慢。

所述反孤岛智能检测模块包括：孤岛检测模块和电网故障自愈模块，

所述孤岛检测模块，用于检测分布式电源并网系统是否处于孤岛运行状态，当锁相环得到的电网频率信号在时间t₀内持续超出电网允许范围(在IEEE>

所述电网故障自愈模块，用于检测分布式电源并网系统是否需要解除反孤岛保护状态，当分布式电源并网系统处于反孤岛保护状态，且公共连接点处电压幅值绝对值高于阈值电压U_th的累积时间达到时间t₁时，即判定电网故障已消除，解除反孤岛保护，恢复并网发电；否则关闭电网故障自愈模块。

根据本发明提供的具有电网故障自愈能力的快速智能反孤岛方法，包括如下步骤：

步骤1：搭建分布式发电并网系统的主电路；

步骤2：由主动相位偏移扰动模块向控制电路注入相角扰动；

步骤3：通过以分布式电源并网系统中公共连接点的电压信号和锁相环得到的电网频率信号为依据，实现孤岛检测和电网故障自愈，所述公共连接点是指并网滤波器和本地负载接入电网的位置。

步骤1中搭建的分布式电源并网系统主电路包括：分布式电源、功率变换器、并网滤波器、本地负载以及电网；所述分布式电源的一端通过功率变换器与并网滤波器的一端相连，所述并网滤波器的另一端经第一断路器与电网相连，本地负载经第二断路器与电网相连；其中并网滤波器和本地负载接入电网的位置称为公共连接点。

所述分布式电源包括：光伏电池阵列、燃料电池、蓄电池、风电、柴油发电机中的任一种；且所述功率变换器与分布式电源的类型相匹配，其中，直流电源对应逆变器，交流电源对应整流-逆变型变换器；

所述并网滤波器包括：L型滤波器、LC型滤波器或LCL型滤波器中的任一种；

所述本地负载包括：任意容量及连接方式的三相对称无源负载。

所述步骤2包括：向锁相环锁定的电网电压相位角加入适量的相角偏移，并用于并网控制电路中的电网同步环节，其中，相角偏移的大小须根据控制电路的开关频率及并网电能质量的要求来整定；相角偏移越小，并网电能质量越高，但孤岛检测的速度就越慢。

所述步骤3包括：

步骤3.1：采集分布式电源并网主电路中公共连接点的电压信号，并由锁相环得到电网频率信号；

步骤3.2：孤岛检测步骤，即当锁相环得到的电网频率信号在时间t₀内持续超出电网允许范围(在IEEE>

步骤3.3：判断分布式电源并网系统是否满足处于反孤岛保护状态，且公共连接点处电压幅值绝对值高于阈值电压U_th的累积时间达到时间t₁，当满足时，判定电网故障已消除，解除反孤岛保护，恢复并网发电；若不满足，则结束，准备下一次检测。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、根据本发明提供的具有电网故障自愈能力的快速智能反孤岛方法能够快速检测出孤岛，对采用锁相环实现电网同步的分布式发电并网系统，不需要添加任何额外的传感器等硬件；其中，反孤岛智能检测算法也十分容易实现，因为电网频率可直接由锁相环得到。

2、根据本发明提供的具有电网故障自愈能力的快速智能反孤岛系统，在系统本地负载为与分布式发电系统功率相匹配的并联RLC负载的极端情况下，仍能快速准确地检测出孤岛运行状态，不存在检测盲区。

3、根据本发明提供的具有电网故障自愈能力的快速智能反孤岛方法能够在孤岛保护动作后快速准确地检测出电网故障消除的状态并恢复系统并网发电，在电网发生瞬时故障并成功自动重合闸等类似情形下，可大大减少分布式发电并网系统的维护工作量，有效提高系统运行效率。

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为分布式发电并网系统的主电路结构示意图；

图2为反孤岛智能检测算法的实现流程图；

图3为主动相位偏移(APD)扰动模块的实现框图；

图4为主动相位偏移扰动模块注入扰动后的并网电流波形图；

图5为MATLAB环境下模拟电网故障检验反孤岛智能检测算法有效性的结果图。

图中：

1-分布式电源；

2-功率变换器；

3-并网滤波器；

4-第一断路器；

5-公共连接点(PCC)；

6-本地负载；

7-第二断路器；

8-电网；

9-电网电压信号；

10-Clarke变换；

11-锁相环；

12-相角偏移；

13-相加器；

14-并网控制电路中的电网同步环节。

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。

本发明提出一种具有电网故障自愈能力的快速智能反孤岛方法，在所注入的扰动基本不影响电网质量的前提下，可快速准确地检测出分布式发电并网系统的孤岛运行状态，且当电网故障清除后，具有自动接入电网继续并网发电的自愈能力。不仅解决了传统反孤岛方法难以兼顾检测可靠性和电网质量的问题，而且有效降低了非自愈型反孤岛方法带来的维护工作量，改善了发电系统的运行效率和经济效益。

根据本发明提供的具有电网故障自愈能力的快速智能反孤岛方法包括分布式电源并网系统主电路、主动相位偏移(APD)扰动注入方法和反孤岛智能检测算法。

其中，分布式电源并网系统主电路包括分布式电源、功率变换器、并网滤波器、本地负载和电网。分布式电源可以是光伏电池阵列、燃料电池、蓄电池等直流电源，也可以是风电、柴油发电机等交流电源；功率变换器须与电源类型相匹配，直流电源对应逆变器，交流电源对应整流-逆变型变换器；并网滤波器可以采用L型、LC型或LCL型 滤波器；本地负载可以是任意容量及连接方式的三相对称无源负载。分布式电源与功率变换器相连，其中，直流电源采用双线连接方式，交流电源采用三线连接方式；并网滤波器一端与功率变换器相连，另一端经断路器与电网相连；本地负载经另一断路器与电网相连。并网滤波器和本地负载接入电网的位置称为公共连接点(PCC)，并网电压在此点采样。

主动相位偏移扰动注入方法是在分布式发电并网控制电路中，向锁相环锁定的电网电压相位角加入适量的相角偏移，得到用作控制电路中并网电流与电网电压保持同步的基准信号。其特征是，直接给电网电压相角注入相角偏移，不同于现有的须采用主动频率偏移(AFD)方法的注入方式，其优点在于方法更加简单，也更容易整定出符合要求的偏移量。其中，相角偏移量的大小须根据控制电路的开关频率及并网电能质量的要求来整定；相角偏移量越小，并网电能质量越高，但孤岛检测的速度就越慢，所以应当选取合适的偏移量，既满足孤岛检测时间的要求，又基本不影响电网质量；随开关频率提高应适当减小相角偏移量。

反孤岛智能检测算法主要包含孤岛检测和电网故障自愈两部分。孤岛检测判据为：由锁相环得到的电网频率信号是否在时间t₀内持续超出电网允许范围(在IEEE>th的累积时间达到时间t₁。若判据满足，则判定电网故障已消除，解除反孤岛保护，恢复并网发电，否则进入下一轮检测。时间t₀宜整定在微秒级，既能满足孤岛检测速度的要求，又能防止反孤岛保护因采样奇异值、系统干扰等原因误动作，具体时间可根据负载类型和孤岛检测速度的要求适当调整；时间t₁须与阈值电压U_th相配合，当以相电压进行判定时，U_th宜选取在300～310范围内，此时将时间t₁整定在微秒级，并随负载容量的降低适当增大U_th取值，同时适当减小时间t₁的整定值，这样即可在0.1s内准确检测出电网故障消除的状态并恢复并网发电，以线电压进行判定时与此类似。

本发明包括如下步骤：

步骤S1：搭建分布式发电并网系统的主电路；

具体地，如图1所示，为分布式发电并网系统的主电路结构，包括分布式电源1、功率变换器2、并网滤波器3、本地负载6和电网8。所述分布式电源1通过电线连接功率变换器2；所述并网滤波器3一端通过电线连接功率变换器2，另一端通过电线与第 一断路器4串联后接入与电网8直联的公共连接点5；所述本地负载6通过电线与第二断路器7串联后接入与电网8直联的公共连接点5。

步骤S2：采用反孤岛智能检测算法实现孤岛检测和电网故障自愈；

具体地，如图2所示，包括：

步骤S2.1：采用主动相位偏移方法注入反孤岛扰动；采集分布式电源并网主电路中公共连接点5的电压信号，并由锁相环得到电网频率信号；

步骤S2.2：根据锁相环得到的电网频率信号判定系统是否处在孤岛运行状态。当系统未脱离电网时，由于发电装置容量较电网容量要小很多，注入的相角扰动并不会对电网相位产生明显影响，下次锁相时仍能同步到电网相位；一旦系统脱离电网以孤岛状态运行，则由于分布式电源是系统唯一的电源，注入的相角扰动会明显反映到下次锁相的相角上，进而形成正反馈，使得相角的偏移越来越大，从而使系统频率偏离电网工频，当频率偏差超出电网允许范围即触发反孤岛保护。设置孤岛检测判据为：由锁相环得到的电网频率信号是否在时间t₀内持续超出电网允许范围(在IEEE>

步骤S2.3：执行反孤岛保护动作，执行步骤S2.6；

步骤S2.4：电网故障自愈判定，当电网故障清除并恢复供电后，PCC处电压幅值及频率将迅速恢复正常。设置电网故障自愈判据为：系统是否已处于反孤岛保护状态且公共连接点处电压幅值绝对值高于阈值电压U_th的累积时间达到时间t₁，若判据成立，则判定电网故障已消除，执行步骤S2.5；否则执行步骤S2.6；

步骤S2.5：解除反孤岛保护，恢复并网发电，执行步骤S2.6；

步骤S2.6：本轮反孤岛检测结束，进入下一轮检测。

所述步骤S2.1中，主动相位偏移扰动注入方法的特征为：如图3所示，在公共连接点5处采集电网电压信号9，得到的电压信号在滤波处理后通过Clarke变换10从三相静止坐标系变换至两相静止坐标系，由得到的两相静止坐标系下的两路电压信号经过锁相环11即可获取电网电压相角θ′以及用于反孤岛检测算法的电网频率f；向电网电压相角θ′通过相加器13注入适当的相角偏移12作为并网系统与电网保持同步的基准相角信号θ。其中，相角偏移12的大小须根据控制电路的开关频率及并网电能质量的要求来整定；相角偏移12越小，并网电能质量越高，但孤岛检测的速度就越慢，所以应当选取合适的相角偏移12，既能满足孤岛检测时间的要求，又基本不影响电网质量；随开关频 率提高可适当减小相角偏移12。

更近一步地，当系统接入与分布式发电系统功率相匹配的并联RLC负载，开关频率为10kHz，相角偏移12取为-0.1rad，并网电流波形如图4所示；由图可见并网电流能与电压基本保持同相并呈良好正弦波形，进一步做谐波和功率因数分析可知相角偏移的注入并不增加系统电流的谐波，只是会使功率因数略有下降，但仍在99％以上。

所述步骤S2中涉及参数的整定方法为：时间t₀宜整定在微秒级，既能满足孤岛检测速度的要求，又能防止反孤岛保护因采样奇异值、系统干扰等原因误动作，具体时间可根据负载类型和孤岛检测速度的要求适当调整；时间t₁须与阈值电压U_th相配合，当以相电压进行判定且电网额定相电压有效值为220V时，U_th宜选取在300～310范围内，此时将时间t₁整定在微秒级，并随负载容量的降低适当增大U_th取值，同时适当减小时间t₁的整定值，这样即可在0.1s内准确检测出电网故障消除的状态并恢复并网发电。

更进一步地，当分布式发电并网系统接入与该系统功率相匹配的并联RLC负载，负载谐振频率为工频50Hz时；参数整定为t₀＝1ms，t₁＝1ms，U_th＝310V；模拟电网瞬时故障并自动重合闸，在系统启动0.1s时电网因故障断电，并于0.25s时自动重合闸成功，电网恢复供电。结果如图5所示，0～0.1s期间，电网和分布式发电并网系统均正常，尽管采用主动相位偏移方法注入了反孤岛扰动，但锁相环测得的电网频率一直稳定在工频50Hz；在0.1s瞬间电网发生故障断电，分布式发电系统进入孤岛运行状态，由于分布式电源成为系统唯一的电源，采用主动相位偏移方法注入的反孤岛扰动使得系统频率迅速偏离电网工频，当频率偏差满足孤岛检测判据时触发反孤岛保护动作，孤岛检测时间则只需不到55ms，远小于IEEE标准1547规定的时间；反孤岛保护动作后，PCC处电压迅速降为零，但由于受到负载的谐振以及锁相环前馈补偿(用以加快锁相速度)的影响，锁相环输出频率会在短时振荡后向工频收敛，本例取自动重合闸反应时间为0.15s，即电网规定的最短反应时间，能更好地考察反孤岛智能检测算法的自愈能力；在0.25s瞬间电网恢复供电，PCC处电压逐渐恢复正常，当电压幅值与频率满足电网故障自愈判据时，分布式发电系统解除反孤岛保护，恢复并网发电，反应时间只需不到0.04s。

实施例的结果证明了本发明所提出的快速智能反孤岛方法，能够在所注入的扰动基本不影响电网电能质量的前提下，快速准确地检测出分布式发电并网系统的孤岛运行状态，且当电网故障消除后，具有自动接入电网继续并网发电的自愈能力。

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。