基于电压谐波序分量的孤岛检测方法

摘要

本发明公开了一种基于电压谐波序分量的孤岛检测方法，该方法利用滑动数据窗计算并网逆变器端电压特定次谐波正负序分量的变化量|ΔU2(1)|、|ΔU2(2)|、|ΔU4(1)|、|ΔU4(2)|；根据变化量|ΔU2(1)|、|ΔU2(2)|、|ΔU4(1)|、|ΔU4(2)|来判断是否发生孤岛。目的在于，在不影响电力系统电能质量的情况下，能够快速有效地检测出孤岛效应。本发明原理简单，适用范围较广，在各种断路以及孤岛最严重的情况下能够快速有效地检测出孤岛。

说明书

技术领域

本发明属于分布式电源并网技术领域，具体涉及到一种基于电压谐波序分量的孤岛检测方法。

背景技术

孤岛效应指的是在分布式发电系统中，当电网供电因为停电维修或者故障事故而跳闸时，在各个用户端的分布式并网发电系统中，未能及时检测出停电状态从而将自身切离市电网络，最终形成了由分布电站并网发电系统和其相连的负载组成了一个自给供电的孤岛发电系统。

孤岛效应会使一些被认为已经与所有电源断开的线路带电，这会给电网维修人员或者用户带来触电的危险。因此，快速并且有效地检测出孤岛效应并将故障切除是很有必要的。

孤岛效应有可能会导致故障不能切除，从而导致相应电气设备的损害，并且干扰电网正常供电系统的自动或手动恢复。

在从孤岛运行变为并网运行时，由于重合闸系统当中的分布式发电装置可能与电网不同步从而导致电路断路器装置受到损坏，还有可能产生较高的冲击电流，从而危害孤岛系统中的设备，甚至导致电网重新跳闸。

孤岛效应会使电压及频率失去控制，如果分布式发电系统没有调节电压和频率的能力，并且没有电压和频率保护继电器来限制电压和频率的偏移，那么孤岛系统中的电压和频率必然会产生较大的波动，从而对电网和用户设备造成危害。

目前，孤岛检测方法主要可以分成两类，即局部孤岛检测方法和基于通信的孤岛检测方法。第一类局部孤岛检测方法是通过监控并网发电装置的端电压或者电流信号来实现的。局部孤岛检测方法又可以进一步分成被动式和主动式两种：被动式方法仅根据并网逆变器输出的电压或频率的异常来判断孤岛的发生，通常被动式方法存在相对较大的检测盲区；而主动式方法则通过向电网注入扰动，并利用该扰动信号引起的系统电压、频率以及阻抗等的相应变化来判断孤岛的发生，该方法虽然能够有效地减少检测盲区，但是会对电能质量产生一定的影响。

第二类基于通信的孤岛检测方法主要是利用无线电通信来检测孤岛效应，该方法能够减小检测盲区，但是设计复杂，并未得到广泛应用。

发明内容

为了克服上述现有技术不足，本发明提出了一种基于电压谐波序分量的孤岛检测方法。其目的在于，在不影响电力系统电能质量的情况下，能够快速有效地检测出孤岛效应。

本发明的技术方案是这样实现的：

基于电压谐波序分量的孤岛检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：利用滑动数据窗计算并网逆变器端电压特定次谐波正负序分量的变化量|ΔU₂⁽¹⁾|、|ΔU₂⁽²⁾|、|ΔU₄⁽¹⁾|、|ΔU₄⁽²⁾|；

步骤2：根据变化量|ΔU₂⁽¹⁾|、|ΔU₂⁽²⁾|、|ΔU₄⁽¹⁾|、|ΔU₄⁽²⁾|来判断是否发生孤岛：

当|ΔU₂⁽¹⁾|、|ΔU₂⁽²⁾|、|ΔU₄⁽¹⁾|、|ΔU₄⁽²⁾|分别小于或等于整定值U_set1、U_set2、U_set3、U_set4时，则未发生孤岛；

当|ΔU₂⁽¹⁾|>U_set1或|ΔU₂⁽²⁾|>U_set2或|ΔU₄⁽¹⁾|>U_set3或|ΔU₄⁽²⁾|>U_set4时，则孤岛发生。

所述滑动数据窗的长度为20毫秒。

所述整定值的计算公式为：

|ΔU₂⁽¹⁾|>U_set1＝0.0012U₁

|ΔU₂⁽²⁾|>U_set2＝0.0012U₁

|ΔU₄⁽¹⁾|>U_set3＝0.0006U₁

|ΔU₄⁽²⁾|>U_set3＝0.0006U₁

其中：

U₁为基波相电压有效值；

U₂⁽¹⁾为2次谐波相电压正序分量有效值；

U₂⁽²⁾为2次谐波相电压负序分量有效值；

U₄⁽¹⁾为4次谐波相电压正序分量有效值；

U₄^（2)为4次谐波相电压负序分量有效值；

U_set1为2次谐波相电压正序分量整定值；

U_set2为2次谐波相电压负序分量整定值；

U_set3为4次谐波相电压正序分量整定值；

U_set4为4次谐波相电压负序分量整定值。

本发明基于电压谐波序分量的孤岛检测方法，主要有以下优点：

(1)能够在IEEE Std.1547.1标准里所定义的孤岛最严重的情况下快速并且有效地检测出孤岛效应；

(2)不会对并网逆变器输出电能的质量产生影响，并且不会干扰系统的暂态响应；

(3)不仅适用于三相断路的孤岛检测情况，对于不对称断路情况同样适用；

(4)对采样频率要求较低，易于硬件实现。

该方法原理简单，适用范围较广，在各种断路以及孤岛最严重的情况下能够快速有效地检测出孤岛。

附图说明

图1为分布式发电系统的孤岛效应示意图；

图2为反孤岛策略动作逻辑图；

图3为并网光伏发电系统仿真模型主电路示意图；

图4为并网光伏发电系统运行参数图；

图4(a)为逆变器输出电压波形图；

图4(b)为逆变器输出电流波形图；

图5为三相断路对称故障下发生孤岛，应用本发明的孤岛检测各特征量波形图；

图5(a)为100Hz A相电压正负序故障分量波形图：

图5(b)为200Hz A相电压正负序故障分量波形图；

图6为单相断路故障情况下，应用本发明的孤岛检测各特征量波形图；

图6(a)为100Hz A相电压正负序故障分量波形图：

图6(b)为200Hz A相电压正负序故障分量波形图；

图7为两相断路故障情况下，应用本发明的孤岛检测各特征量波形图；

图7(a)为100Hz A相电压正负序故障分量波形图：

图7(b)为200Hz A相电压正负序故障分量波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

当分布式电源与电网相连时，电网可看作为一个容量很大的电压源，并网逆变器所产生的谐波电流将会流入较低阻抗的电网中，这些较小的谐波电流与较低的电网阻抗在并网逆变器输出端点的电压响应u_a只含少量的谐波，即电压畸变率接近于零。

当电网供电因为停电维修或者故障事故而断开后，将会有两个因素使得u_a中谐波的含量增加：

谐波电流流入阻抗远远高于电网阻抗的负载中，使u_a产生较大的失真。

若并网开关位于变压器的原边侧，并网逆变器输出的电流将流过变压器的副边，由于变压器的其非线性特性及磁滞现象，将会使得变压器的电压响应产生失真，从而导致了逆变器输出端电压u_a的谐波含量有所增加。

当电网发生不同类型的故障时，并网开关的断开情况也会有所不同。无论何种断开情况均可用序网络将其等效。

本方法通过监测100Hz、200Hz、的特定频率信号在正常并网运行和孤岛运行时所表现的差异实现了孤岛故障的检测。具体步骤如下：

首先，利用滑动数据窗计算并网逆变器端电压特定次谐波正负序分量的变化量|ΔU₂⁽¹⁾|、|ΔU₂⁽²⁾|、|ΔU₄⁽¹⁾|、|ΔU₄⁽²⁾|；

设定的整定值U_set1、U_set2、U_set3、U_set4分别取为0.0012U₁、0.0012U₁、0.0006U₁、0.0006。

根据变化量|ΔU₂⁽¹⁾|、|ΔU₂⁽²⁾|、|ΔU₄⁽¹⁾|、|ΔU₄⁽²⁾|来判断是否发生孤岛，判据如下：

(1)当|ΔU₂⁽¹⁾|、|ΔU₂⁽²⁾|、|ΔU₄⁽¹⁾|、|ΔU₄⁽²⁾|分别小于或等于整定值U_set1、U_set2、U_set3、U_set4时，则未发生孤岛；(2)当|ΔU₂⁽¹⁾|>U_set1或|ΔU₂⁽²⁾|>U_set2或|ΔU₄⁽¹⁾|>U_set3或|ΔU₄⁽²⁾|>U_set4时，则孤岛发生。

参照图1、图2、图3，PV阵列输出电压为600V，逆变装置选取IGBT三相全桥逆变电路，输出线电压为270V，输出电流1000A，输出功率为470kW。本地负载选取三角形接法的RLC并联电路进行仿真(此时处于孤岛最严重的情况)，品质因数取为1.5，R＝0.465Ω，L＝0.000987H，C＝10268uF。经由两级升压变压器将电压等级升至110kV馈送至电网。

如图4两个框图分别代表光伏并网逆变器输出电压(kV)、输出电流(kA)。系统运行时间为1.2s，孤岛故障发生在t＝1s时刻。由图4可知，在正常运行状态以及孤岛运行状态时，系统的运行参数基本没有发生改变，说明此时处于孤岛最严重的情况。应用本发明进行检测，其中采样频率为4.8kHz，采样时间为0.2s(0.9-1.1s)，由于正、负序分量完全对称，本发明仅给出了A相正负序故障分量波形，图5为三相断路故障情况下，应用本发明的孤岛检测各特征量波形图：图5(a)为100Hz A相电压正负序故障分量波形图：图5(b)为200Hz A相电压正负序故障分量波形图。在正常并网运行状态时，各次谐波电压正负序故障分量基本为0，当发生孤岛故障时(采样点数为480)，各次谐波正负序故障分量没有发生变化，经过两个周波(40毫秒，采样点数为672)后，100Hz、200Hz电压正负序故障分量中正序、负序分量均大于整定值，与设定的条件一致，孤岛检测成功。

图6为单相断路故障情况下，应用本发明的孤岛检测各特征量波形图：图6(a)为100Hz A相电压正负序故障分量波形图：图6(b)为200Hz A相电压正负序故障分量波形图。在正常并网运行状态时，各次谐波电压正负序故障分量基本为0，当发生孤岛故障时(采样点数为480)，各次谐波正负序故障分量没有发生变化，经过两个周波(40毫秒，采样点数为672)后，100Hz、200Hz电压正负序故障分量中正序、负序分量均大于整定值，与设定的条件一致，孤岛检测成功。

图7为两相断路故障情况下，应用本发明的孤岛检测各特征量波形图：图7(a)为100Hz A相电压正负序故障分量波形图：图7(b)为200Hz A相电压正负序故障分量波形图。在正常并网运行状态时，各次谐波电压正负序故障分量基本为0，当发生孤岛故障时(采样点数为480)，各次谐波正负序故障分量没有发生变化，经过两个周波(40毫秒，采样点数为672)后，100Hz、200Hz电压正负序故障分量中正序、负序分量均大于整定值，与设定的条件一致，孤岛检测成功。

图5、图6、图7表明所提供的基于电压谐波序分量的孤岛检测方法在不影响电能质量的情况下，能够快速有效地检测出孤岛效应，在并网开关单相以及两相断开情况下仍然能够进行判别。能够实现无盲区孤岛检测。该方法的原理简单，适用范围较广。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但是本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。