基于电压频率和测量阻抗结合的逆变器扰动式孤岛检测法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电力系统分析技术领域，特别是设及一种基于电压频率和测量阻抗结 合的逆变器扰动式孤岛检测法。
【背景技术】
[0002] 在世界范围内，常规化石能源日趋枯竭，同时环境污染问题日益引起人们的关注， 因此，各国政府越来越重视可再生能源的发展。光伏系统等分布式电源越来越多的接入配 电网，随着分布式电源容量的逐步增大，配电系统从一个功率单向流动的福射式网络变为 一个功率能双向流动的多电源和电网互联的复杂网络。由此出现了分布式发电并网保护的 问题，孤岛保护就是其中之一。
[0003] 分布式光伏系统的孤岛运行是指电网由于电气故障、人为原因或者自然因素等原 因中断供电时，光伏系统未能检测出停电状态并脱离电网，继续向就近系统输送电能，和本 地负载一同形成的一个不受公共电网控制的自给的供电孤岛。在分布式光伏发电系统处 于孤岛运行状态时，会影响电能质量甚至损坏电气设备、孤岛运行线路继续带电会影响故 障电弧焰灭，使得重合闽失败、严重时会危及维护人员的人身安全。因此，无论是从安全方 面还是从可靠性方面考虑，非计划的孤岛运行状态都是不允许的，应该及时有效地检测出 孤岛运行状态，并将光伏逆变器从系统公共禪合点（PointofCommonCoupling,PCC)处断 开，即孤岛保护。
[0004] 孤岛检测方法根据工作原理又分为远程式方法、主动式方法与被动式方法。其中， 被动检测法分析孤岛后由于分布式电源出力与就近负荷不匹配造成保护安装处的电气量 变化，运类方法实现简单，但在分布式电源出力与就近负荷近似匹配时存在检测盲区；主动 检测法通常利用逆变器向系统注入扰动，测量系统孤岛前后响应变化，能减小或消除检测 盲区，但会影响系统电能质量。
[0005] 目前经逆变器入网分布式电源孤岛检测的主要研究方向是主动式检测法，W减小 或消除检测盲区。然而，随着系统向多样时变负荷、多逆变器并网发展，主动法中各逆变器 的扰动信号相互作用导致孤岛检测失败，因此需要进行针对传统基于逆变器扰动的主动式 检测法失效问题的孤岛检测法的研究。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述问题，本发明采取的技术方案为如下：
[0007] -种基于电压频率和测量阻抗结合的逆变器扰动式孤岛检测法，其特征在于，所 述方法包括W下步骤：
[0008] 步骤1、分析孤岛前后频率无功关系；
[0009] 步骤2、控制设置频率-无功反馈法的逆变器，系统的无功功率扰动选取公共禪合 点电压频率f。和电网额定频率fg之差，为了使得较小的频率变化获得足够的无功扰动W提 高检测速度，在扰动量中增加了频率的反馈，加入一个反馈系数k，则逆变器输出的无功功 率Qim=k(fa-fg);
[0010] 步骤3、若各逆变器输出的无功功率之和EQiw声0,则根据并网逆变器的电压频 率超出正常运行的限制，检测出孤岛运行状态，若电压频率未超出正常运行的限制则系统 未处于孤岛运行状态；若各逆变器输出的无功功率之和EQiw= 0,则根据并网逆变器的电 压频率超出是否正常运行的限制来检测是否出现孤岛运行状态的检测方法失效，执行步骤 4;
[0011] 步骤4、在系统公共禪合点处集中注入一个电压源信号，该信号为单一频率信号， 注入方式为=相注入，采集系统公共禪合点处测得的注入电压和电流响应的数据，经数据 处理后，算得系统公共禪合点处的测量阻抗；通常电网的阻抗Zwfd远小于分布式电源的阻 抗Zd(；和负荷的阻抗Z had,
[0014] 孤岛前，系统公共禪合点处的测量阻抗Zme。历：
[0015]
[0016] 孤岛后，系统公共禪合点处的测量阻抗Z'为：
[0017] Z' meas=Z Islanding〉>Zmeas
[001引 表示孤岛发生后的系统测量阻抗，基于W上孤岛前后阻抗特征差异进行 阻抗测量法进行孤岛检测。
[0019] 所述步骤3中，根据并网逆变器的电压频率超出是否正常运行的限制来检测是否 出现孤岛运行状态的检测方法失效的机理为：该方法依据系统实时频率的变化输出相应的 无功功率，使得孤岛后由于无功功率的不均衡，孤岛系统的电压频率因正反馈放大超出正 常运行的限制，从而检测出孤岛运行状态；然而，由于本地负载也是实时变化的，负载变化 具有随机性，如果本地负载的无功变化和光伏系统孤岛检测检测输出的无功功率变化的刚 好抵消，此时该检测法是失效的；另外，多逆变器或多机集群系统中，因逆变器数量众多，各 逆变器输出的无功扰动能相互消减或抵消，运时的该检测法也是失效的。
[0020] 有益效果
[0021] (1)分析出并验证了主动类方法孤岛检测失效的原因机理，为避免孤岛检测失效 提供针对性参考；
[0022] (2)因采用集中式特定频率扰动信号注入，该方法不依赖逆变器，不受电源类型局 限；
[0023] (3)提出的一种基于电压频率和测量阻抗结合的逆变器扰动式孤岛检测法能避免 多逆变器系统场景下多扰动信号互扰失效，具有较高的可靠性；
[0024] (4)不需要频率偏差逐渐放大至动作阔值的过程，具有较高的检测速度；原理简 单有效。
【附图说明】
[00巧]图1为并网逆变器系统的电路结构示意图。
[0026] 图2为=相频率-无功反馈孤岛检测法的控制结构图。
[0027] 图3为本发明的防孤岛检测失效方法的等值示意图。
[0028] 图4a-4b为根据本发明【具体实施方式】正常运行情况下逆变器出口电压频率和输 出无功波形图。
[0029] 图5a-化为根据本发明【具体实施方式】应用=相频率-无功反馈法的孤岛情况下频 率和无功波形图。
[0030] 图6a-化为根据本发明【具体实施方式】孤岛检测失效情况下频率和无功波形图。
[0031] 图7为根据本发明【具体实施方式】应用防失效孤岛检测方法的时域在线测量阻抗 特征曲线结果图。
[0032] 图8 -种基于电压频率和测量阻抗结合的逆变器扰动式孤岛检测法的流程图。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图，对本发明作详细说明。图8 -种基于电压频率和测量阻抗结合的 逆变器扰动式孤岛检测法的流程图。
[0034] 根据并网逆变器的输出电压的幅值和频率判断光伏系统是否处于孤岛运行状态。 为了提高光伏系统的效益，一般光伏系统只发出有功功率，即工作于单位功率因数下。光伏 系统并入大电网时，逆变器输出端的参考电压是受大电网的错制，为额定工作电压。对于= 相平衡系统，并网逆变器输出功率为：
[0035] 、 - (1)
[0036] 式中，Pmy为逆变器输出的有功功率、Q为逆变器输出的无功功率，U d、Uq和id、iq 分别为光伏系统逆变器输出的=相电压和电流变换到两相旋转坐标系下的电压和电流，由 于d-q坐标系的d轴定向于电网电压矢量，此时有Uq=0,得：
[0037] (2)
[003引在光伏系统并网运行时，Ud、Uq是常量，在恒功率控制策略下，光伏系统输出的有功 功率和无功功率分别对应id、iq。因此，研究孤岛保护时，并网逆变器近似为本地负载为并 联的RLC负载且运行在单位功率下的电流源。并网逆变器系统的原理电路如图1所示。 [0039] K1、K2闭合时，逆变器电源并网运行，则有：
[0042] 式中Phgd为系统正常运行时负载吸收的有功功率、Q为系统正常运行时负载吸 收的无功功率；Pmy为逆变器输出的有功功率、Q1。、为逆变器输出的无功功率；AP为本地负 载与发电系统有功功率不匹配程度、AQ本地负载与发电系无功功率不匹配度；Ug为逆变器 并网运行时输出端电压幅值、fg为逆变器并网运行时输出端频率。
[0043] 当K2跳开后，本地负载由并网逆变器单独供电。并网逆变器工作于恒功率控制模 式时，孤岛运行后，本地负载端的电压Uub"d、本地负载端的频率fubnd，P' 1。。4负载消耗有 功功率、Q' 负载消耗无功功率。此时，则有：
[004引由式做计算出孤岛运行时本地负载端电压Uub"d，即：
[0047]
巧）
[0048] 并网逆变器运行于单位功率条件，即Qiw= 0时，在孤岛运行发生后，逆变器和电 网皆不向负载提供无功功率，根据式（4)计算出孤岛运行时本地负载端的频率fubnd，即：
[004引
饿）
[0050]因此，本地负载与发电系统有功功率不匹配程度AP与Uub"d的关系为：
[0051]
(穿）
[0052] 本地负载与发电系无功功率不匹配度AQ与的关系为
[0053]
(10)
[0054] 式中，
，为负载的品质因数。
[00巧]当逆变器与电网断开，如果逆变器输出的有功功率Piw、逆变器输出的无功功率Qmy和负载所需的功率不匹配，即AP和AQ不等于0时，从公式（9)和（10)推出，逆变器 输出的电压和频率都将发生变化。如果逆变器和电网断开后，逆变器输出的有功功率Pi。、、 逆变器输出的无功功率Qi。、和负载所需功率几乎相等，即AP= 0,AQ= 0,代入公式巧） 和（10)得到Uub"d=Ug，fg。系统的无功功率扰动选取PCC电压频率和电网额定 频率之差孤岛运行后，PCC电压频率和逆变器输出的无功功率有关，因此通过扰动逆变器无 功的输出来改变PCC电压频率，W此判断并网逆变器系统是否存在孤岛运行。（没提到频率 和无功的关系）
[0056]主动移频法（Active化equen巧化ift,A抑）是主动式孤岛检测法的一种，单相频 率偏移法的工作原理是通过频率扰动使得PCC电压的频率发生偏移，由于孤岛前受大电网 错制，频率保持50化，孤岛后失去大电网的调节作用，频率偏移出允许的范围，W此来判断 孤岛，方法实现简单，孤岛识别率局，但当本地品质因数较局时，容易引起检测失败。在二相 频率偏移的孤岛检测中，采用基于d-q变换控制方法的基准电流为直流量，无法直接通过 改变基准电流的频率和相位对电流的频率进行偏移。现在对于=相频率偏移的孤岛检测方 法中，比较常用的是S相无功扰动法，通过无功功率或电流扰动，使得大电网断开后PCC电 压的频率偏移。在=相无功扰动法中，有无功功率扰动和无功电流扰动，分别针对恒功率控 制和恒电流控制。
[0057]系统的无功功率扰动选取PCC电压频率和电网额定频率之差，为了使得较小的频 率变化获得足够的无功扰动W提高检测速度，在扰动量中增加了频率的反馈，加入一个反 馈系数，即=相频率-无功反馈法，其控制结构图如图2所示，其表达式如下：
[005引Qmv=k(fa-fg) (11)
[005引式中，k为频率反馈系数；fa为PCC电压的频率；f