基于综合检测的光伏发电系统孤岛保护控制方法与流程

本发明属于新能源接入保护控制技术领域，特别涉及一种基于电压幅值相位综合检测的光伏发电系统孤岛保护控制方法。

背景技术：

随着化石燃料的日益消耗和环境问题日益严峻，光伏装机容量在近年来呈现逐年递增的态势。但是，光伏电站的功率主要受到外界气象条件的影响，无法提供持续稳定的电能供应，需要同电网保持可靠连接以维持接入点电压的恒定。当电力公司供电故障或者因停电检修而导致主网跳脱时，光伏发电系统将与负荷构成一个无法供电的孤岛。孤岛中电压和频率波动相对较为剧烈，可能会对用户的用电设备造成损坏。除此之外，若负载容量大于光伏设备的发电系统容量时，可能导致光伏系统过载运行，将会影响到光伏系统的使用寿命。另外，光伏系统相连的线路处于带电系统，可能会威胁到检修人员的生命安全。因此，近些年来，不少学者提出了光伏发电系统的孤岛保护策略，通过一定的控制策略检可以有效地检测孤岛运行状态并实现快速的孤岛保护动作，保证光伏系统的安全接入。

孤岛检测方法主要分为3类：被动法、主动法和远程检测法。被动法盲区大，主动法对电能质量的影响大，远程检测法造价太高，不适合小型光伏系统。对于根据单一电气量检测方式，其误动作可能性相对较高。为提出相对较为实用的光伏孤岛保护控制方法，常常需要结合各种检测手段以及先进的判别策略来增加孤岛保护动作可靠性的同时减少误判的几率。与被动式孤岛检测方式不同，运用主动判别方式检测孤岛运行的方式常常会引入频率扰动，对电能质量影响相对不利。也有研究提出以采集获得电压作为输入，运用bp神经网络等方法作为判别方式，但是作为一种智能算法该方法容易造成局部最优。在输入量相对较多时可能导致误判率增加。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种基于综合检测的光伏发电系统孤岛保护控制方法，其可提升含光伏系统运行的安全性和可靠性。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于综合检测的光伏发电系统孤岛保护控制方法，包括如下步骤：

步骤1，检测光伏系统并网点处的电压与电流，计算电压与电流的相位差；

步骤2，启动相位差检测元件，判别光伏元件是否发生孤岛运行；

步骤3，启动电压检测元件，判断光伏接入点电压运行是否越限；

步骤4，根据电压运行情况调节光伏设备工作状态，保证孤岛保护正确动作。

上述步骤1中，光伏系统并网点电压与注入电流同相位，均等于系统电压相位在连接电网断路器发生开端后，负载电流由公共连接点电压和负载共同决定；负载表示为：

式中

因此，光伏输出电流将等于负载电流，表示为：而接入点电压为其中，r为负荷电阻，l为负荷电感，c为负荷电容为系统阻抗角，ω为电网角频率，um为电网电压幅值，im为光伏系统的额定输出电流幅值。

上述步骤2中，采集并比较接入点电压和电网电压相位，光伏接入点电压和电网电压相位差值大于限定值时表示负荷为阻抗性负荷系统已孤岛运行，直接启动孤岛保护。

上述光伏接入点电压和电网电压相位差值的限定值设定为3°。

上述步骤4中，依据如下电压判别逻辑来调节光伏设备工作状态，保证孤岛保护正确动作：

(1)当并网点电压满足88％＜upcc/um＜110％时，光伏孤岛运行未发生无需动作；

(2)当并网点电压满足upcc/um≤50％或upcc/um≥137％，光伏设备发生孤岛运行效应，孤岛保护动作；

(3)当并网点电压满足50％＜upcc/um≤88％或者110％＜upcc/um≤137％时，控制光伏输出电流减小为额定电流的0.35倍；继续检测并网点电压，当出现upcc/um≤50％时，判断光伏设备孤岛运行，保护动作；否则，无需执行孤岛保护；

其中，upcc为接入点电压幅值，um为电网电压幅值。

上述步骤4中，在进行过/欠电压保护时，光伏系统输出电流调节采用准比例谐振控制器进行调节。

采用上述方案后，本发明的有益效果是：

(1)可以在系统为阻感性负荷时，根据检测系统电压及并网点电流相位差值在一个周波之内快速定位光伏孤岛运行状态；

(2)在系统为阻性负荷时，根据电压检测模块在两个周波内确定光伏孤岛运行状态；

(3)在光伏并网点产生功率扰动时，适当减小并网电流减小孤岛误判，有效提升光伏消纳。

本发明在充分了解光伏接入系统运行要求的基础之上，提出基于电压幅值和相位检测的保护动作综合判别策略，设置相位与电压检测合理动作阈值，提供了解决实际运行光伏孤岛保护问题的新途径。采用本发明可实现一般运行场景中光伏系统孤岛运行时保护的正确动作，控制方式简单易行，接近实际工程运行场景，提升含光伏系统运行的安全性；另外，本发明设置了适当的接入点电压运行值，从而避免光伏系统由于接入点电压波动而造成的孤岛保护误动作，提升了运行可靠性。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是光伏并网系统运行结构图；

图3是基于电压幅值和相位检测综合方法检测流程图；

图4是电流调节控制方框图；

图5是阻感性负载条件下发生孤岛情况下电流仿真图；

图6是阻感性负载条件下发生孤岛情况下电压仿真图；

图7是阻感性负载条件下发生孤岛情况下相位仿真图；

图8是阻性负载条件下发生孤岛情况下电流仿真图；

图9是阻性负载条件下发生孤岛情况下电压仿真图；

图10是公共连接点电压波动示意图；

图11是电压波动场景下光伏输出电流仿真图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

图1为本发明的流程图，包括以下步骤：

1、检测光伏系统并网点处的电压与电流，计算电压与电流的相位差。

光伏并网运行系统运行结构图如图2所示，在电网并网运行时，光伏系统并网点电压与注入电流同相位，均等于系统电压相位而在连接电网断路器发生开端后，负载电流将由公共连接点电压和负载共同决定。负载可表示为：

式中

因此，光伏输出电流将等于负载电流，可表示为：而接入点电压将为

其中，ω为电网角频率，um为电网电压幅值，im为光伏系统的额定输出电流幅值。

在算例中，负荷为并联rlc负荷。阻抗性负荷参数如下：电阻r＝48ω，电感l＝20mh，电容c＝470μf，系统阻抗角约为27°，系统在0.465s时主网分离。电阻性负荷参数如下：电阻性负荷参数如下：电阻r＝38ω，电感l＝48.4mh，电容c＝209.5μf，系统在0.185s时电网断电；电网波动场景：电网在0.445s出现电压跌落，电压降至0.75um，并于两个周期后恢复正常。

2、启动相位差检测元件，判别光伏元件是否发生孤岛运行；

配合图3所示，采集并比较接入点电压和电网电压相位，光伏接入点电压和电网电压相位差值时表示负荷为阻抗性负荷系统已孤岛运行，直接启动孤岛保护。

仿真结果如图5-图7所示，对于阻感性负荷，计算电网系统电压正向过零点时，系统电压与光伏系统在并网点处的电压位差值大于限定值3°，孤岛保护启动，光伏系统退出。

3、启动电压检测元件，判断光伏接入点电压运行是否越限；

对于电阻性负荷，在电网退出后光伏接入点相位同电网相位无明显变化。此时，需要借助于电网电压的幅值特性来辅助判别。但是，又由于电网系统本身存在波动，电压可能会在瞬间发生扰动，需要通过多周期检测甄别系统扰动与光伏孤网运行场景。

4、根据电压运行情况调节光伏设备工作状态，保证孤岛保护正确动作。

其中，电压判断采用电压状态多模态检测，具体的电压判别逻辑如下：

(1)当并网点电压满足88％＜upcc/um＜110％时，光伏孤岛运行未发生无需动作；其中，upcc为接入点电压幅值；

(2)当并网点电压满足upcc/um≤50％或upcc/um≥137％，光伏设备发生孤岛运行效应，孤岛保护动作。

(3)当并网点电压满足50％＜upcc/um≤88％或者110％＜upcc/um≤137％时，控制光伏输出电流减小为额定电流的0.35倍。继续检测并网点电压，当出现upcc/um≤50％时，判断光伏设备孤岛运行，保护动作；否则，属于电网电压波动，无需执行孤岛保护。

电阻性算例结果如图8-图9所示，在0.24s时电压正向过0，光伏接入点电压峰值小于0.88um，为防止孤岛效应产生，运用图4所示控制结构调节光伏系统电流输出功率为0.35im。继续检测接入点电压变化，在0.28s时，检测到接入点电压峰值为130v小于设定值，此时判断光伏系统孤岛运行，保护动作。动作时间为5个周期，小于ieee929-2000规定的标准。在光伏系统退出运行后负载电压逐渐衰减为0。

电网电压波动场景仿真结果如图10-图11所示。电网在0.445s时发生电压跌落，降低为0.75um，两个工频周期后恢复正常。在0.48s电网电压正向过零时检测到电压低于0.88um，运用图4所示控制结构调节光伏系统电流输出功率为0.35im。继续检测接入点电压变化，在两个工频周波后，系统电压恢复正常。本发明避免了孤岛保护对于电压波动场景的误动作。

上述步骤4所述的过/欠电压保护时，光伏系统输出电流调节采用准比例谐振控制器进行调节。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。