一种孤岛检测方法

一种孤岛检测方法
【专利摘要】一种孤岛检测方法，将被动法与主动法相配合，采用过/欠频和过/欠压的方法能够快速检测出孤岛，且对电能质量没有影响；当发生孤岛后，且孤岛系统内功率匹配时，采用以谐波检测作为判据的电容投切法，能够破坏系统的功率匹配，使得系统内的电压和频率发生变化，从而检测出孤岛。
【专利说明】-种孤岛检测方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于大规模新能源集中并网的防孤岛保护领域，是一种被动检测和主动检 测相结合的防孤岛保护检测方案，特别涉及电压/频率检测和谐波检测电容投切的孤岛检 测方法。

【背景技术】
[0002] 孤岛是指电网故障后，分布式发电系统仍向周围负载供电，从而形成一个无法控 制的局域供电网络。非计划孤岛会给电力系统的安全稳定运行带来一些严重的问题，如孤 岛中的电压和频率无法控制，可能会对用户的设备造成损坏；孤岛中的线路仍然带电，可能 会危及检修人员的人身安全等。孤岛检测的主要作用在于当分布式系统与主网脱离时，及 时断开分布式电源，防止非计划孤岛运行。目前常用的孤岛检测方法可分为远程检测法、被 动检测法和主动检测法三大类。
[0003] 被动检测法是通过采集本地信号，在不外加任何扰动的情况下进行孤岛检测，常 用的有电压/频率检测法、电压谐波检测法和电压相位突变检测法等。其优点是原理简单， 设备投入少，易于实现，对电网无干扰，对电能质量无影响；在多台逆变器下，检测效率不会 降低，缺点是检测盲区较大。
[0004] 其中，电压/频率检测法是通过检测PCC(电网公共连接点）的电压和频率，来判 断并网系统是否发生孤岛状态。正常运行时，DG(分布式发电）系统输出电压或频率受大 电网电压钳制，不会发生变化。当孤岛状态时，DG系统不受大电网电压钳制，若DG系统逆 变器的输出功率和本地负荷功率不平衡，输出电压或频率就会发生变化。若电压和频率变 化超过了设定的正常阈值，则可检测到孤岛发生。一般并网逆变器会配置过压保护（0VR)、 欠压保护（UVR)、过频保护（0FR)、欠频保护（UFR)四种保护，这些保护是检测孤岛效应的最 基本、最直接的方法，一旦检测到电网电压、频率超过正常的范围时，即判断为孤岛发生，保 护电路就将并网逆变器切离电网。但当DG系统输出功率与本地负载功率近乎匹配时电网 断电后PCC点的电压和频率变化很小，这些变化量不足以启动0VR/UVR和0FR/UFR，孤岛检 测失败。同时，为防止电网电压和频率的正常波动引起误动作，四种保护的门槛值不能设置 太低，导致存在较大检测盲区。
[0005] 主动检测法是通过人为向系统引入微小电压、电流或频率扰动信号进行检测判 定，常用的有阻抗测量法、电抗插入法、电压偏移法、功率扰动法、主动频率偏移法和滑模频 率漂移等。优点是当分布式电源输出功率与负载所需功率匹配时，主动法仍能检测出孤 岛，盲区较小、灵敏度较高，缺点是如引入系统的扰动控制不当，会导致微电网进入孤岛状 态后无法稳定运行。
[0006] 其中，外部开关电容检测法是在DG与本地负载容量匹配的区域附近的继电器上 加装可自动投切的电容，改变系统负载阻抗，当市电故障时，即将电容并入，通过无功功率 破坏系统平衡，可以通过检测到电压、频率的异常变化来判断是否发生孤岛。这种方法有两 种实现方式，一种是周期性投切电容，即设置一个时间间隔，每隔一个或几个周期电容开关 状态由断开到闭合，经过一定时间后断开，如此反复，若在电容开关闭合期间发生孤岛，则 电容将改变孤岛系统的输出功率。但是采用周期性投入电容器的方法，若投入的电容较大， 并网运行时可能会对容量较小的配电网系统不间断造成电压冲击，对电能质量有一定的影 响；其次，这种方法对开关可靠性要求较高，且周期性投切会缩短开关的使用寿命。第二种 则是与PCC点处开关相配合，如图1中开关S1，当开关S1断开时，开关S2闭合，外置电容器 并入系统，破坏系统的功率平衡。该方法的缺点是电容的投切要和PCC点处的开关配合，必 须检测到PCC点开关已断开才能投入电容，若检测装置出现故障，孤岛检测将失败。另外， 该方法必须寻找功率匹配点，但是电力系统的潮流是经常变化的，难以寻找固定的功率匹 配点。
[0007] 综合以上分析可知，电压/频率检测法能在DG系统逆变器的输出功率和本地负荷 功率不平衡时有效检测出孤岛，但当DG系统逆变器的输出功率和本地负荷功率平衡时，该 方法失效。而外部开关电容检测法能在DG系统逆变器的输出功率和本地负荷功率平衡时 有效检测孤岛，但对开关性能要求高或需要与PCC点开关配合。因此，可以结合电压/频率 检测法和外部开关电容检测法各自的优点，并做适当的改进，寻找出一种更有效实用的孤 岛检测方法，实现检测无盲区。


【发明内容】

[0008] 为保障微电网运行状态转换的平稳性，同时考虑检测精度、灵敏度及扰动对系统 稳定运行的影响，本申请提出一种适用于微电网特点，以被动检测为主，主动检测为辅的组 合决策孤岛检测方案：本方案的被动法采用过/欠频和过/欠压检测法，主动法采用以谐 波畸变率为判据的电容投切法。该方案首先利用逆变器自带的过/欠频装置和过/欠压装 置实时检测PCC点的频率和电压，在DG系统的任意处装设谐波检测装置，实时检测谐波畸 变率，不需要再找功率匹配点来设置安装。电容器通过开关与谐波检测装置连接，并受其控 制。原理图见图2,若谐波检测装置检测到谐波畸变率超出了设定的阈值，而过/欠频装置 和过/欠压装置检测的频率、电压并未超过阈值，此时可能的原因是：
[0009] 1、系统本身的扰动，如附近有高铁经过或大型炼钢厂正在炼钢或发生了瞬时故障 等；
[0010] 2、在DG系统逆变器的输出功率和本地负荷功率平衡时发生了孤岛。
[0011] 考虑到发生系统扰动的可能性，设置Is的延时来躲过瞬时扰动作用时间及故障 切除后的重合闸时间，在Is延时内，若谐波畸变率低于阈值，电压、频率也没有超出阈值， 则说明原先的谐波畸变是由系统本身的扰动引起的或者自动重合闸使PCC开关重合，没有 发生孤岛；当Is延时结束后，谐波畸变率仍然超出阈值，而电压、频率没有超出阈值，则说 明此时可能发生了孤岛，并且逆变器发出的功率与本地负荷功率匹配，将开关S2闭合，投 入电容，破坏系统平衡，使得电压、频率发生较大的变化，逆变器能够检测到这些变化，在2s 内检测出孤岛，停止供电（根据我国光伏系统并网技术要求GB/T19939-2005的要求，当孤 岛发生时，应在2s内检测出孤岛，若2s内无法检测出孤岛，则视为检测失败）。
[0012] 基于谐波检测电容投切与电压/频率检测相配合的孤岛检测方法包括以下步骤， 其流程图见图3 :
[0013] 步骤一：利用过/欠频装置和过/欠压装置实时检测PCC点的频率和电压，利用主 动式检测方法，即，谐波检测装置实时检测谐波畸变率；
[0014] 步骤二：判断检测出的频率、电压是否超过了设定的阈值，如果是，进行步骤五，如 果不是，返回第一步；判断谐波畸变率是否超出了阈值，如果是，进行步骤三；如果不是，进 行步骤一；
[0015] 步骤三：启动延时1S，如果在延时1S结束后检测到电压、频率、谐波畸变率均未超 出阈值，则返回步骤一；如果在延时1S结束后检测到谐波畸变率仍超出阈值，而电压、频率 未超出阈值，则进行步骤四；
[0016] 步骤四：闭合开关S1，投入电容，使用逆变器测量孤岛系统的电压和频率，如果电 压和频率超出阀值，则执行步骤五，若未超出阀值，则返回步骤一；
[0017] 步骤五：判定为孤岛。
[0018] 本发明的有益效果为：本申请是一种将被动法与主动法相配合的孤岛检测方案， 在大多数情况下，发生孤岛后孤岛系统内功率不匹配，电压和频率会发生较大的变化，此时 采用过/欠频和过/欠压的方法能够快速检测出孤岛，且对电能质量没有影响；当发生孤岛 后且孤岛系统内功率匹配时，采用以谐波检测作为判据的电容投切法，能够破坏系统的功 率匹配，使得系统内的电压和频率发生变化，从而检测出孤岛。与传统的被动检测法相比， 本方案能够检测出功率匹配状态，且在功率匹配时投入了电容，能够破坏功率匹配，不存在 检测盲区；与传统的主动检测法相比，本方案在逆变器并网运行时不影响电能质量，并且只 需在网侧进行简单改造，可使用逆变器本身具有的过/欠频和过/欠压保护即可实现检测， 不需要在每台逆变器上加装新算法，易于实现；与传统的电容投切法相比，本方案使用谐波 畸变率作为启动判据，无需与PCC开关状态配合，无需寻找功率匹配的点，且检测效率与装 置安装的位置无关，易于实现。因此，新方法不存在检测盲区，对电能质量影响小，可以实现 快速有效的孤岛检测功能，具有工程实际意义。

【专利附图】

【附图说明】
[0019] 图1是传统的外部开关电容检测法原理图；
[0020] 图2是基于谐波检测电容投切孤岛检测方法的原理图；
[0021] 图3是基于谐波检测电容投切与电压/频率检测相配合的孤岛检测方法的流程 图；
[0022] 图4(a)是孤岛时基于谐波检测电容投切与电压/频率检测相配合的孤岛检测方 法的谐波仿真图；
[0023] 图4(b)是孤岛时基于谐波检测电容投切与电压/频率检测相配合的孤岛检测方 法的公共点电压仿真图；
[0024] 图4(c)是孤岛时基于谐波检测电容投切与电压/频率检测相配合的孤岛检测方 法的公共点频率仿真图。

【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0026] 基于谐波检测电容投切与电压/频率检测相配合的孤岛检测方法包括以下步骤：
[0027] 步骤一：利用过/欠频装置和过/欠压装置实时检测PCC点的频率和电压，利用主 动式检测方法，即，谐波检测装置实时检测谐波畸变率；
[0028] 步骤二：判断检测出的频率、电压是否超过了设定的阈值，如果是，进行步骤五，如 果不是，返回第一步；判断谐波畸变率是否超出了阈值，如果是，进行步骤三；如果不是，进 行步骤一；
[0029] 步骤三：启动延时1S，如果在延时1S结束后检测到电压、频率、谐波畸变率均未超 出阈值，则返回步骤一；如果在延时1S结束后检测到谐波畸变率仍超出阈值，而电压、频率 未超出阈值，则进行步骤四；
[0030] 步骤四：闭合开关S1，投入电容，使用逆变器测量孤岛系统的电压和频率，如果电 压和频率超出阀值，则执行步骤五，若未超出阀值，则返回步骤一；
[0031] 步骤五：判定为孤岛。
[0032] 检测判据如下：
[0033] (1)GB12326_90中规定，衡量点为公共连接点电压允许偏移为额定值的±5%，若 折算到标幺值，当检测到公共点电压大于1. 05或小于0. 95时即判定为孤岛。
[0034] (2)GB/T15945-95中规定，对于电力系统允许的偏差，正常允许为±0·2Ηζ，对 于小容量系统可以放宽到±0. 5Hz，微网属于小容量系统，频率检测判据设定为fmin = 45. 5Hz，fmax = 50. 5Hz，即检测到的公共点电压频率小于45. 5Hz或大于50. 5Hz，即判定为孤 岛。
[0035] (3)GB/T14549-93中规定，380V电压等级的衡量点为公共连接点的电网谐波畸变 率THD为5% (0.05)，即检测到谐波畸变率大于5% (0.05)时，判定电网出现异常。
[0036] 图4所示为使用本发明方法得到的孤岛检测仿真图，从第4秒开始发生孤岛，第5 秒投入电容C = 0. 0001F。图4(a)给出了基于该方法的谐波仿真图，从图中可以看出在第 4秒发生孤岛后谐波畸变率就超过了 5%，延时1秒谐波畸变率仍然超过5% ;图4(b)给出 了基于该方法的公共点电压仿真图，从图中可以看出在第4秒发生孤岛后，由于系统功率 匹配，电压基本无变化，延时1秒后电压仍然无变化，没有超出阈值；图4 (c)给出了基于该 方法的公共点频率仿真图，从图中可以看出在第4秒发生孤岛后，由于系统功率匹配，频率 变化很小，延时1秒后频率变化仍然很小，没有超出阈值。在第5秒投入电容，从仿真图中 可以看出，谐波畸变率在投入电容后反而比不投之前小，说明选择的电容容量适当，提供了 系统无功功率，减小了谐波畸变率；公共点电压在投入电容后迅速减小，超出阈值；公共点 频率也迅速减小，超出阈值。电压/频率检测装置启动孤岛保护迅速动作，孤岛检测成功。
【权利要求】
1. 一种孤岛检测方法，包括以下步骤： 步骤一：利用过/欠频装置和过/欠压装置实时检测PCC点的频率和电压，利用谐波检 测装置实时检测谐波畸变率； 步骤二：判断检测出的频率、电压是否超过了设定的阈值，如果是，进行步骤五，如果不 是，返回第一步；判断谐波畸变率是否超出了阈值，如果是，进行步骤三；如果不是，进行步 骤一； 步骤三：启动延时1S，如果在启动延时1S结束后检测到电压、频率、谐波畸变率均未超 出阈值，则返回步骤一；如果在延时1S结束后检测到谐波畸变率仍超出阈值，而电压、频率 未超出阈值，则进行步骤四； 步骤四：闭合开关S1，投入电容，使用逆变器测量孤岛系统的电压和频率，如果电压和 频率超出阀值，则执行步骤五，若未超出阀值，则返回步骤一； 步骤五：判定为孤岛。
2. 根据权利要求1所述孤岛检测方法，其特征在于，步骤二中所述频率的阈值为fmin = 45. 5Hz, fmax = 50. 5Hz〇
3. 根据权利要求1所述孤岛检测方法，其特征在于，步骤二中所述电压的阈值是公共 连接点电压允许的偏移量，其范围为额定值的±5%。
4. 根据权利要求1所述孤岛检测方法，其特征在于，步骤三中所述谐波畸变率为5%。
5. 根据权利要求1所述孤岛检测方法，其特征在于，步骤四中所述投入的电容C = 0·0001F。
【文档编号】G01R31/00GK104062529SQ201410324666
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】郑涛, 王燕萍, 袁飞, 王增平, 黄雯, 刘逸辰 申请人:华北电力大学