专利名称：通过使用由多个逆变器进行受控无功功率注入检测孤岛的方法和区域电力系统的制作方法
技术领域：
所公开的构思一般涉及检测孤岛(islanding)的方法，尤其涉及对于区域电力系统(area electric power system)检测孤岛的方法。所公开的构思还涉及提供反孤岛功能的区域电力系统。
背景技术：
在市电系统中，电网断电情况可以导致包括电负荷以及发电源的“孤岛”的产生。 这种孤岛是不希望出现的，并且，在多个发电源和负荷在配电馈线上并存的分布式发电系统中是特别担心的。例如，这种孤岛可导致异常电压或频率被提供给负荷。此外，通过反馈， 这种孤岛可以对上游电力电路的工人产生安全危险。当逆变器电气连接到市电网时，必须使得逆变器频率和电压幅值与电网的相匹配。逆变器将电网用作其基准，并产生与电网同步的输出电压。如果电网变为断开，那么逆变器不会发现频率或电压中的任何改变，并且如果逆变器的输出功率与电网上的本地负荷要求匹配的话将继续供电。这种情况被称为孤岛，其可具有实质上的安全以及性能含义。在图1中，当断路器(CB)2在流进电网4中的零电流的情况下开路时，电气孤岛6 形成，包括光伏(PV)逆变器8和本地负荷10。例如，孤岛导致在由于缺少市电控制的孤岛期间提供给用户(例如，本地负荷10) 的电力质量下降。未受控的频率和/或电压漂移可损坏用户设备。此外，如果电网断开是系统中的暂态故障的结果，中断装置将在几个周期(例如，典型地，大约12到15个周期) 后试图重新闭合电网连接。重合闸可潜在地毁坏逆变器8，这是因为孤岛6中的电压不是必然与电网(例如，市电网4)同步。当电网被重新连接时，电网电压可具有相对于孤岛电压 12不同的相角。这可导致出现能够毁坏逆变器8的相对较大的过电流，其已经出现在系统中并且已经被负荷10孤岛化。为了解决这些关注的问题，已经对市电互连逆变器建立了 IEEE巧47(用于将分布式电源与电力系统互连的标准)。这个标准由安全检测实验室(Underwriters Laboratories)作为UL1741 (分布式能源所用的逆变器，变换器，控制器以及互连系统设备)采用。在解决孤岛问题时，这些标准要求逆变器能通过采用与标准所定义的负荷并联连接的谐振电路而在规定时间内检测电网丧失并断开。参考图2，示出了用以验证常规的电网连接逆变器16的反孤岛控制功能的IEEE测试(谐振)电路14。测试逆变器16与谐振电路14电气连接，谐振电路14包括无功部件 18、20，其大小为断路器或中断器22断开时形成的孤岛中的负荷21 (K)的250% (K*2. 5) 0 当逆变器16的反孤岛控制功能停用时，逆变器16和无功部件18、20的输出被调谐以形成例如60Hz的孤岛。在反孤岛测试过程中，市电端断路器或者中断器22断开，断开逆变器接触器M并且停止向负荷21供电的时刻被计时。如果在断开断路器或者中断器22的两秒内停止功率输出，那么，逆变器16满足IEEE 1547.在电网断电之后，谐振电路14将不允许逆变器16的输出电压和频率偏移。因此，逆变器16必须具有恰当的反孤岛控制功能，以检测孤岛情况。已经知道，电网具有特定的阻抗，通过注入与电网频率不同的信号到电网互连点中并且通过查找该信号的丧失，可以检测出孤岛情况。例如，美国专利No. 6，603，290公开了检测在分布式发电源到电力系统或者市电网的电气连接中的孤岛情况的出现。将电压或电流信号注入到系统中，确定所得的系统阻抗。所得的结果用作孤岛情况的指示。IEEE 1547没有触及近些年来的常见情况如图3所示，在发电场地，多个逆变器 26,28,30电气连接到市电网32。然而，每个逆变器沈、28、30能够影响其他逆变器的孤岛检测，这将负面地影响到反孤岛控制功能的运行和相关的安全性。已知的常规逆变器通常通过确保注入到电网中的无功功率在所有的逆变器输出功率等级上为零而以1.0的功率因数运行。当功率因数对于为一的功率因数受到调节时， 谐振电路14(图2)的谐振状态在孤岛情况下不受打扰。此外，由于IEEE 1547的跳闸时间要求是从市电网丧失开始的两秒，负荷可能在反孤岛控制功能正在确定该状态的同时经历相对很差质量的供电。换句话说，异常的负荷状态不受控制。
发明内容
这些需求和其他需求通过所公开构思的实施例来满足，其提供了一种方法，该方法通过使用多个逆变器中的每个逆变器的受控无功功率注入来响应于电网断电在孤岛中产生安全的异常状态。例如，通过采用外部且独立的保护继电器来检测多个异常状态(例如，频率跳闸设定值；电压跳闸设定值)并做出响应地断开所述多个逆变器，所公开的构思可解决负荷质量性能问题。例如但并不限制于，安全的异常状态可通过在电网断电的过程中限制和控制逆变器输出频率到59Hz来形成，或者通过限制和控制逆变器输出电压不超过标称额定电压的110%而形成。例如，这种安全的异常状态可通过采用外部保护继电器检测低频 (under-frequency)而进行检测，其中，低频指示孤岛的出现。例如，除通过逆变器控制器检测频率偏移之外，通过采用保护继电器内的一个以上的参数(例如但不限于，低频；过频(over-frequency)，欠压，过压)，可改进该检测。例如，在线路电感相对较高且谐振状态不存在的位置，电容性无功电流(即，超前电压)的注入将导致过压状态的出现，保护继电器将能够检测该异常状态。根据所公开构思的一个方面，一种检测孤岛的方法用于区域电力系统，区域电力系统包含输出包括电压和频率的交流电压的多个逆变器。该方法包含采用所述多个逆变器的受控无功功率注入；响应于所述多个逆变器输出的交流电压的电压和频率的多个变化，检测孤岛。该方法还可进一步包括通过检测由所述多个逆变器输出的交流电压的低频状态、过频状态、欠压状态和过压状态中的若干个，提供这种孤岛检测。该方法可通过所述多个逆变器外部的保护继电器来提供这种孤岛检测。该方法可通过采用多个逆变器控制器来测量所述多个逆变器中的每个逆变器的逆变器功率因数偏移而单独地检测孤岛。该方法还可包括，通过由所述多个逆变器中一个逆变器的逆变器控制器检测所述多个逆变器输出的交流电压的低频状态或过频状态，独立地检测孤岛。该方法可在所述多个逆变器中的一个逆变器的逆变器控制器之外提供这种孤岛检测。该方法还包括通过采用保护继电器来检测由所述多个逆变器输出的交流电压的异常电压状态或异常频率状态来提供这种孤岛检测；做出响应地采用保护继电器来断开电路断续器。该方法可通过采用所述多个逆变器的一个逆变器的逆变器控制器检测异常频率状态而独立地检测孤岛。该方法还可包括将所述多个逆变器从并网运行模式切换至故意的孤岛运行模式。作为所公开构思的另一方面，一种区域电力系统包括多个直流电源；与所述多个直流电源可操作地关联的多个逆变器，所述多个逆变器的每个逆变器被构造成提供有功功率和受控无功功率注入，以检测孤岛；由所述多个逆变器供电的输出；多个电气开关装置，其被构造成将所述多个逆变器电气连接到市电网或者将所述多个逆变器从市电网断开；以及被构造成响应于该输出的交流频率或电压的若干个变化而检测相对于市电网的孤岛的多个设备。所述多个设备中的一个可以是所述多个逆变器外部的保护继电器。交流频率或电压的所述若干个变化可选自输出的低频状态、过频状态、欠压状态以及过压状态。所述多个设备可以是所述多个逆变器中的一个逆变器外部的保护继电器以及被构造成控制所述多个逆变器中的所述一个逆变器的逆变器控制器；逆变器控制器可进一步被构造成，通过测量所述多个逆变器中的所述一个逆变器的逆变器功率因数偏移，独立地检测孤岛。所述多个设备中的一个可以是被构造成控制所述多个逆变器中的一个逆变器的逆变器控制器；该逆变器控制器可进一步被构造成通过测量所述多个逆变器中的所述一个逆变器的逆变器功率因数偏移而检测孤岛。
结合附图。阅读下面对优选实施例的说明，可以得到所公开构思的全面理解，在附图中图1是包括孤岛的市电网和逆变器系统的框图；图2是用于逆变器系统的反孤岛测试电路的框图；图3是包括由光伏(PV)阵列供电的多个逆变器的市电网和逆变器系统的框图；图4是根据所公开构思的实施例的包括逆变器系统的区域电力系统的框图；图5是根据所公开构思的实施例的矢量图，其示出了电压和电流矢量；图6和7是根据所公开构思的其他实施例的包括多个逆变器的其他市电网和逆变器系统的框图；图8是根据所公开构思的其他实施例的包括本地负荷的逆变器系统的框图；图9是示出了图4的逆变器系统的控制的框图。
具体实施例方式如下文所使用的那样，术语“多个”、“若干个”表示一个或大于一的整数个(S卩，复数个)。如下文所使用的那样，术语“处理器”表示能够存储，检索和处理数据的可编程模拟和/或数字装置；计算机；工作站；个人计算机；微处理器；微控制器；微型计算机；中央处理单元；主机计算机；小型计算机；服务器；网络处理器；或者任何合适的处理设备或装置。如下文中所使用的那样，术语“逆变器”表示将电能从直流形式转换为交流形式的装置或设备。参考图4，例如但不局限于，用于替代能源和/或能量存储的示例性逆变器系统31 被示为示例性区域电力系统32的一部分。该示例性区域电力系统32包括多个(例如但不局限于，图4中示出为一个)直流电源34 ；与所述多个直流电源34可操作地关联的多个 (例如但不局限于，图4中示出为一个)逆变器36 ；由所述多个逆变器36供电的输出38 ； 多个电气开关装置48(例如但不局限于，多个接触器，图4中示出为一个)，所述多个电气开关装置48构造成将所述多个逆变器36电气连接到市电网42以及将所述多个逆变器36从市电网42断开；被构造成响应于输出38的交流频率或电压的多个变化来相对于市电网42 检测孤岛的多个设备44，46(例如，保护继电器44 ；逆变器控制器46)。如上所述，所述多个逆变器36中的每个被构造成，与对于区域电力系统32检测孤岛组合，提供有功功率以及受控无功功率注入。与常规的相同，所述多个逆变器36向输出 38输出包括电压和频率的交流电压。根据所公开的构思，逆变器36采用受控无功功率注入，设备44和/或46中的一个或二者响应于由所述多个逆变器36输出的交流电压的电压和频率中的多个变化来检测孤岛。示例 1如上所述，可通过检测输出38的交流电压的低频状态、过频状态、欠压状态和过压状态中的若干个，由设备44和/或46检测孤岛。因此，所述交流频率或电压中的多个变化可选自输出38的交流电压的低频状态、过频状态、欠压状态以及过压状态。示例 2在示例1之外，可由所述多个逆变器36外部的保护继电器44来检测孤岛。例如， 保护继电器44可以是逆变器系统31中常规的、市电网级的保护继电器，其监测输出38的交流电压(例如，电压和/或频率)。电路断续器——例如接触器K148——将示例性逆变器36电气连接到市电网42以及从市电网42电气断开，并且由例如保护继电器44控制，如将要介绍的那样。单独的电压互感器49还向逆变器控制器46提供市电网电压基准50。保护继电器44监测市电网电压(尽管示出的是用于一相的单相线路图，将会明了，所公开的构思可以应用到具有任何合适相数的逆变器以及区域电力系统，例如但不局限于一相或三相)，并且可通过检测电网42上的任何异常状态(例如，异常电压；异常频率)而保护负荷(未示出)。例如，如果电网的低频检测被设定为59. 7Hz，那么保护继电器 44将检测电网频率是否下降到这个频率之下。例如，保护继电器44可以通过例如苛刻环境下设计的鲁棒检测算法和硬件来准确并且可靠地检测低频。在示例实施例中，保护继电器44检测包括逆变器36和任何本地负荷(未示出)的孤岛系统的异常状态。仅仅保护继电器44不能检测图2所示的那种测试(谐振)电路的孤岛状态，这是因为当测试电路以使得低频不发生的例如但不局限于60Hz谐振时，示例性的低频检测设定点值(例如但不局限于59. 7Hz ；按照IEEE 1547和UL 1741，低于30kff的相对较小逆变器的59. 3Hz ；任何合适的频率)将不能达到。过频检测设定点值、欠压检测设定点值以及过压检测设定点值(例如但不局限于，过频设定点为60. 5Hz ；欠压设定点为标称额定电压的88% ；过压设定点为标称额定电压的106% )也是同样的。保护继电器44的非限制性实例是佛罗里达州Largo市Beckwith电气公司出售的 Intertie/Generator保护继电器M-3410A集成保护系统⑧。示例 3当逆变器36通过如下所述的合适控制将孤岛频率变化到保护继电器过频和低频检测设定点值的范围之外的值时，保护继电器44检测到该状态并且通过断开继电器输出 KA 52而断开接触器Kl 48，如图9所示出的那样。视情况可选地，逆变器控制器46可使用这个信息，并且通过断开继电器输出KB 53来独立地断开接触器Kl 48。断开继电器输出KA 52和/或KB 53中的任何一个通过断开到接触器线圈Kl M的控制电力而断开电网连接。同时，逆变器控制器46——其通过反馈触头55和输入56知道了接触器Kl 48的状态——可使得逆变器36停止切换，以便停止将电力输出到电网连接中。示例 4 逆变器控制器46——其被构造成控制所述多个逆变器36中的一个——可如下面将要描述的那样被进一步构造成通过测量所述多个逆变器36中的所述一个的逆变器功率因数偏移来检测孤岛。示例 5优选的是，在图9所示的相对更具鲁棒性的方案中，保护继电器44和逆变器控制器46都能检测孤岛。逆变器控制器46可检测频率偏移以及功率因数上的控制的缺失。逆变器控制器46的示例性无功功率注入功能58被设定成在电网42缺失(例如但不局限于当电气开关装置40 (例如断开器)开路)之后在例如但不局限于59Hz时饱和。当频率达到示例性的59Hz频率后，逆变器控制器46从无功功率控制模式变换到频率控制模式。当频率保持在示例性的59Hz频率时，示例性逆变器超前输出电流和逆变器输出电压之间的相角增加并且取决于负荷(未示出)。这也作为逆变器36的功率因数被考虑。当谐振电路(例如但不局限于图2的测试(谐振)电路14)缺失时，这种状态更频繁地出现。当谐振电路14缺失时，异常状态相对更快地到达，并且反孤岛要求仍然可以满足。除保护继电器44之外，逆变器控制器46包括内部频率测量功能，其将频率偏移限制到59Hz。如上所述，逆变器控制器46跟随相角，并且因此跟随输出38的电压频率。逆变器控制器46可以通过注入正确的无功(容性)电流而导致低频状态。这也导致过压状态的出现，其可以独立地检测。逆变器控制器46独立地使用这种低频状态来断开继电器输出 KB 53 (图9)，其通过断开到接触器线圈Kl M的控制电力并且通过停止到电网42中的功率输出而断开电网连接。因此，如上所述，逆变器控制器46和保护继电器44可以断开接触器 Kl 48。由于图2的反孤岛测试电路14的谐振电路不允许逆变器输出电压和频率偏移，因此需要在逆变器控制器46内部产生迫使逆变器36的输出60从正常市电网电压和频率状态移开的状态。在图4中，根据所公开构思的实施形态，逆变器36有利地以1以外的功率因数运行，其不同于已知的逆变器。当市电网42存在时，逆变器36输出的无功功率满足了市电网42的某些无功功率需求。只要电网42存在，由逆变器36输出的有功以及无功电流处于90度相角。当孤岛状态通过断开市电网连接点处的电气开关装置40而形成时，无功电流没有地方循环。为了适应无功功率，逆变器36的频率——以及负荷阻抗(例如，无功负荷元件的阻抗、电容和/或电感，其是频率的函数)——改变以满足逆变器36的有功和无功功率输出。由无功功率注入功能58导致的逆变器输出60的这种特性导致频率的改变， 其由保护继电器44检测，并且视情况可选地由逆变器控制器46检测。依次，保护继电器 44(和/或逆变器控制器46)断开接触器Kl 48，逆变器36被安全地断开和/或“关断”，以停止电流到电网42中的输出。以类似的方式，如果电容组(capacitive bank)(未示出)(与图2的反孤岛测试电路14相反)安装成相对靠近逆变器36，那么当电网断电时将出现欠压状态。常规的逆变器控制器使得所测量的三相电网电压由图5中的逆变器输出电压 (即，Van)匹配，并且通过控制逆变器要求的电压和所测量的电网电压之间的相角、通过注入有功电流(Ir)和无功电流(Ix)得到希望的有功功率。因此，在进行电网的无功功率在所有的输出功率等级上均为零的情况下，常规的逆变器通常以1.0的恒定功率因数运行。根据所公开构思的各方面，无功电流(Ix)的量值通过以下方式连续地得到管理 由逆变器控制器46的无功功率注入功能58连续调节无功电流的量值，从而使得逆变器36 有利地维持电网连接处的超前功率因数(例如但不局限于约0. 98到约0. 99)。逆变器控制器无功功率注入功能58基于有功功率输出确定无功电流(Ix)的希望的量。当电网42 存在时，逆变器输出电压跟随电网电压的频率和相位，而逆变器输出电流(Ia)如图5所示地相移(例如，逆变器输出电流(Ia) 62超前逆变器输出电压(Van) 64)。通过使得cos Φ =常数，示例性超前功率因数在所有的输出功率等级上维持，其中，Φ是逆变器输出电流 (Ia) 62和所注入的有功电流(Ir) 66之间的恒定相角。例如，逆变器控制器46(图4)可以采用电流模式运行，其中，逆变器输出电流(Ia)62的量值和相角受到控制。可替换的，逆变器控制器46可调节逆变器输出电压 (Van) 64以注入无功功率和频率，从而调节有功功率。可采用这些中的任意一种，以注入希望的量和类型的无功电流(Ix)68。可替换地，可采用滞后功率因数(例如，但不局限于约-0. 98到约-0. 99)，使得输出频率增大，设备44和/或46检测过频和/或欠压时的孤岛。示例 6将会明了，包括多个逆变器36和多个对应的逆变器控制器46的电力系统可通过用对应的逆变器控制器46测量逆变器36的逆变器功率因数偏差来独立地检测孤岛。示例 7与示例6类似，所述多个对应的逆变器控制器46可通过检测市电网电压基准50 的异常频率状态而独立地检测孤岛。示例 8示例7的异常频率状态可以是输出38的交流电压的低频状态或过频状态。示例 9
在逆变器控制器46外部，保护继电器44提供孤岛检测，逆变器控制器46包括所公开的无功功率注入功能58。示例 10尽管图4中示出了一个逆变器36，如图6所示，可采用多个逆变器36 ‘。例如但不局限于，对应的区域电力系统32'可以是太阳能转换场或风能转换场。示例 11与示例10中有某些程度的类似，图7的区域电力系统32"的所述多个逆变器 36'可以电气连接到公共变压器62上，变压器62可以通过电气开关装置40'有选择地电气连接到电网42，电气开关装置40'由单个保护继电器44'控制。优选的是，所述多个逆变器控制器46'通过合适的通讯通道或者通讯网络70通讯，使得代表所有逆变器36'的单个保护继电器44'和/或代表对应逆变器36'的多个逆变器控制器46'中任何一个的任何一个可以检测孤岛状态并且隔离可构成例如太阳能转换场或风能转换场的该组逆变器36'。控制电气开关装置40'的这种方法还可在变压器62是将逆变器电压提升为例如中压的升压变换器时采用。示例 12所公开的图4的逆变器控制器46的无功功率注入功能58可以在逆变器36的全部额定功率范围上采用。示例 13例如但不局限于，图4的逆变器36可以是由两个125kW的逆变器并联形成的 250kW逆变器，但是，可采用具有宽功率输出范围的任何适合数量的逆变器36。在图6和7中，例如，无功电流(Ix) 68 (图5)的量值可在电网42 (图6)或者变压器62(图7)处由每个逆变器36'受到控制。这种控制具有相对较高的增益并且使得频率在孤岛形成后变化，其中，该控制控制了多个逆变器36'的每个逆变器中的逆变器输出电流(Ia)62(图5)的相角Φ。如图6所示，当多个逆变器36'(例如但不局限于，用于相对较大的PV阵列，在建筑物上)在相同的点上连接到电网42，所有的逆变器36'以相同的方向调节功率因数(例如，超前功率因数，滞后功率因数)。然而，当电网42缺失时，无功功率在负荷(未示出)上建立相移，这改变了逆变器输出频率和电压。这种频率和电压上的偏移相对较快地累积，外部保护继电器44、44'检测低频(或过频)。无功功率总是在一个方向上，使得低频(或过频)通过外部保护继电器44，44'进行检测。优选的是，不像图1-3的逆变器8、16、26、观、30的逆变器控制器(未示出)那样， 图4、6和7的逆变器控制器46、46'被构造成连续测量逆变器功率因数，其与超前(或滞后)的逆变器输出电流(Ia)62与图5的逆变器输出电压(Van)64之间的相角Φ相关联。 在电网断电时，由外部保护继电器44、44'检测的示例性低频和测量得到的逆变器控制器 46,46'的相角用于检测孤岛状态。作为响应地，接触器Κ148断开，逆变器控制器46、46' 停止切换，并停止向电网42输出功率。例如，在图6和7中，多个逆变器36'相对更为快速地驱动频率，这是因为在电网连接点处注入的无功功率是每个逆变器36'所提供的无功电流的和。因此，区域电力系统 32'、32"可以累积地使能孤岛检测。示例 14
所公开的构思还可有利地用于将多个逆变器从并网运行模式切换到故意的孤岛运行模式。如图8所示，区域电力系统32”’与图4的区域电力系统32类似。这里，示例性的逆变器控制器46"可用在这样的场合中其中，本地负荷72被提供，且逆变器36"运行在“故意的孤岛模式”。例如，孤岛检测以及将逆变器36"从电网42断开是一种运行模式。在从电网42断开后，逆变器36"可关闭并空置，或者转换成“故意的孤岛”。示例性逆变器控制器46"迫使逆变器36"成为示例的低频，然后在从电网42断开的同时试图以例如59Hz控制逆变器36"。这样使得逆变器36"能从并网运行模式切换到故意的孤岛运行模式，在某些场合中这是所希望的。已知的常规逆变器不会变为“故意的孤岛”。尽管图8中示出了一个逆变器36"和一个逆变器控制器46"，将会明了，可采用多个逆变器36"和多个逆变器控制器46"，如上面结合图6和7所讨论的那样。示例性的直流电源34可以是任何合适的DC电源，例如但不局限于光伏(PV)电源。尽管对于例如36、36'、36"的DC-AC逆变器考虑了光伏(PV)电源，但是，可以使用其他合适的DC电源(例如但不局限于，DC能量存储设备；电池；多种不同的电池技术；双层电容器；超级电容器；电化学双层电容器(EDLC)；超电容器；燃料电池；具有DC输出的风力涡轮机(例如，高频))。DC电源可以是能量存储和可再生能源或者基于诸如燃料电池之类的能源的不可再生能源的组合。尽管考虑了例如36、36'、36〃的DC-AC逆变器，但是也可采用其他的AC电源。例如，变换器或者其他耦合到第二 DC-AC逆变器的在第一方向上将电能从DC形式转换成AC 形式(例如但不局限于，作为从DC能量存储设备供电的逆变器)，和/或在相反的第二方向上将电能从AC形式转换为DC形式(例如但不局限于，作为对DC能量存储设备进行充电的有源整流器)的装置或设备。所有的这种转换器或这种其他的装置或设备在这里由术语 “逆变器”包括。可采用保护继电器44的所公开的构思不需要采用产生异常状态的同一逆变器控制器——诸如46——检测异常状态，这对于已知的方法和系统是一种改进。例如，所公开的受控无功功率注入使得标准市电网设备保护继电器可用于检测孤岛。所公开的构思可提供电网断电的鲁棒性检测，并且可通过采用测量得到的频率和逆变器功率因数二者检测电网断电来提供反孤岛。所公开的构思在并网运行过程中不会扰乱逆变器频率。该方案维持正常的线路电流谐波，不会扰乱逆变器36的正常运行。例如，对于相对较大的逆变器(例如但不局限于 500kW ;1MW)，这与可影响分布式系统的已知频率抖动技术相比提供了更为稳定的运行。这种频率抖动技术通过周期性在逆变器频率中引入偏移并查找响应而连续干扰逆变器。在相对较弱的电网中，这样可导致异常电压谐波。例如，尽管具有反孤岛功能的逆变器早期设计处于直到125kW的相对较低的功率等级，使500kW逆变器的频率抖动可在电力线中产生扰动。所公开的构思减小或消除由于运行在公共变压器62 (例如，如图7所示)上的两个或多于两个的逆变器36'(例如，如图6和7所示)引起的检测误差。例如，在图3中， 当孤岛检测随机(相位或频率抖动)时，来自一制造商的一个逆变器沈可提供未受控的超前功率因数，来自不同制造商的不同逆变器观可提供未受控的滞后功率因数，两个不同的
11逆变器沈、28的输出的和可以匹配本地负荷，这两种不同的逆变器可以在一个逆变器支持另一个逆变器的情况下继续以约60Hz运行，即使是在电网缺失之后。因此，这样影响了相同连接点上多个逆变器26、28、30的反孤岛性能。另外，当采用现有技术中的注入信号并且查找该信号缺失的信号注入技术时，一个逆变器可对于另一个作为电网运行，对应的孤岛检测方法可能失败。所公开的构思可以结合并联运行以形成分布式发电系统的多个逆变器36'(例如但不局限于太阳能转换场；风能转换场)来采用。尽管已经详细描述了所公开构思的特定实施例，本领域技术人员将会明了，根据所公开内容的全部教导，可开发出细节的多种变形或替代。因此，所公开的特定布置仅表示为说明性的，并不限制所公开构思的范围，该范围由所附权利要求以及其所有等效物的全
部范围来给出。
附图标记列表
2断路器(CB)
4电网
6电气孤岛
8光伏(PV)逆变器
10本地负荷
12孤岛电压
14IEEE测试(谐振)电路
16常规电网连接逆变器
18无功部件
20无功部件
21负荷
22断路器或者断开器
24逆变器接触器
26逆变器
28逆变器
30逆变器
31逆变器系统
32区域电力系统
32'区域电力系统
32"区域电力系统
32”’区域电力系统
34多个直流电源
36多个逆变器
36'逆变器
36"逆变器
38输出
40电气开关装置
40'电气开关装置
42市电网
44保护继电器
44'保护继电器
46逆变器控制器
46'逆变器控制器
46"逆变器控制器
48接触器Kl
49电压互感器
50市电网电压基准
52继电器输出KA
53继电器输出KB
54接触器线圈Kl
55反馈触点
56输入
58无功功率注入功能
60逆变器输出
62逆变器输出电流(Ia)
64逆变器输出电压(Van)
66注入的有功电流(Ir)
68无功电流(Ix)
70通讯通道或通讯网络
72本地负荷
权利要求
1.一种检测区域电力系统(32)的孤岛的方法，该区域电力系统包括输出交流电压的多个逆变器(36)，该交流电压包括电压和频率，该方法包括通过所述多个逆变器，使用受控无功功率注入(58)；以及响应于由所述多个逆变器输出的交流电压的电压和频率中的多个变化来检测 46)孤岛。
2.根据权利要求1的方法，还包括通过检测由所述多个逆变器输出的交流电压的低频状态、过频状态、欠压状态以及过压状态中的若干个来提供所述的孤岛检测。
3.根据权利要求1的方法，还包括通过所述多个逆变器外部的保护继电器G4)来提供所述的孤岛检测。
4.根据权利要求3的方法，还包括通过用多个逆变器控制器G6)测量所述多个逆变器中的每个逆变器的逆变器功率因数偏差，独立地检测孤岛。
5.根据权利要求3的方法，还包括通过由所述多个逆变器中的一个逆变器的逆变器控制器G6)检测由所述多个逆变器输出的交流电压的低频状态或过频状态，独立地检测孤岛。
6.根据权利要求1的方法，还包括在所述多个逆变器中的一个逆变器的逆变器控制器外部，提供G4)所述的孤岛检测。
7.根据权利要求1的方法，还包括将太阳能转换场或风能转换场(32' ；32")用作所述区域电力系统。
8.根据权利要求1的方法，还包括 将一个逆变器(36)用作所述多个逆变器。
9.根据权利要求1的方法，还包括将电气连接在公共变压器(62)上的多个逆变器(36')用作所述多个逆变器。
10.根据权利要求9的方法，还包括将太阳能转换场或风能转换场(32")用作所述区域电力系统。
11.根据权利要求1的方法，还包括通过用保护继电器G4)检测由所述多个逆变器输出的交流电压的异常电压状态或异常频率状态，提供所述孤岛检测；以及由所述保护继电器作为响应地断开电路断续器G8)。
12.根据权利要求11的方法，还包括通过用所述多个逆变器中的一个逆变器的逆变器控制器G6)检测异常频率状态，独立地检测孤岛。
13.根据权利要求1的方法，还包括在所述多个逆变器的额定功率等级的全部范围上，使用所述孤岛检测G6)。
14.根据权利要求1的方法，还包括将包括多个光伏电源(34)、所述多个逆变器(36")以及本地负荷(7 的区域电力系统(32”’ )用作所述区域电力系统。
15.根据权利要求1的方法，还包括将所述多个逆变器从并网运行模式切换)到故意的孤岛运行模式。
16.根据权利要求1的方法，还包括作为所述使用受控无功功率注入，控制(58)所述多个逆变器以在市电网连接处维持超前的功率因数。
17.—种区域电力系统(32 ;32' ；32" ；32，，，)，包括多个直流电源(34)；与所述多个直流电源可操作地关联的多个逆变器(36)，所述多个逆变器中的每个逆变器被构造成(58)提供有功功率和受控无功功率注入，以检测孤岛；由所述多个逆变器供电的输出(38)；多个电气开关装置(48)，其被构造成将所述多个逆变器电气连接到市电网0 以及将所述多个逆变器从市电网G2)电气断开；以及被构造成响应于所述输出的交流频率或电压中的多个变化而相对于市电网检测孤岛的多个设备(44 ；46)。
18.根据权利要求17的区域电力系统(32;32' ；32" ；32”’)，其中，所述多个设备中的一个是所述多个逆变器外部的保护继电器G4)。
19.根据权利要求17的区域电力系统(32;32' ；32" ；32”’)，其中，交流频率或电压的所述多个变化选自所述输出的低频状态、过频状态、欠压状态以及过压状态。
20.根据权利要求17的区域电力系统(32;32' ；32" ；32”’)，其中，所述多个设备是所述多个逆变器中的一个逆变器外部的保护继电器G4)以及被构造成控制所述多个逆变器中的所述一个逆变器的逆变器控制器G6)；且其中，所述逆变器控制器还被构造成，通过测量所述多个逆变器中的所述一个逆变器的逆变器功率因数偏差来独立地检测孤岛。
21.根据权利要求20的区域电力系统(32;32' ；32" ；32”’)，其中，所述保护继电器被构造成，通过检测所述输出的低频状态、过频状态、欠压状态以及过压状态中的若干个而检测孤岛。
22.根据权利要求17的区域电力系统(32;32' ；32" ；32”’)，其中，所述多个设备中的一个是被构造成控制所述多个逆变器中的一个逆变器的逆变器控制器G6)；且其中，所述逆变器控制器还被构造成，通过测量所述多个逆变器中的所述一个逆变器的逆变器功率因数偏差而检测孤岛。
23.根据权利要求22的区域电力系统(32”’)，其中，所述逆变器控制器(46")还被构造成将所述多个逆变器中的所述一个逆变器从并网运行模式切换到故意的孤岛运行模式。
24.根据权利要求17的区域电力系统(32")，其中，由所述多个逆变器供电的所述输出被构造成用于与市电网并联运行；且其中，所述多个直流电源选自能量存储器、可再生能源以及不可再生能源。
25.根据权利要求17的区域电力系统(32")，其中，由所述多个逆变器供电的所述输出被构造成在市电网不存在时处于故意的孤岛运行；且其中，所述多个直流电源选自能量存储器、可再生能源以及不可再生能源。
全文摘要
本发明涉及通过使用由多个逆变器进行受控无功功率注入检测孤岛的方法和区域电力系统。区域电力系统(32；32′；32″；32”’)包括多个直流电源(34)；与所述多个直流电源可操作地关联的多个逆变器(36)。所述多个逆变器的每个逆变器构造(58)成提供有功功率以及受控无功功率注入以检测孤岛。输出(38)由所述多个逆变器供电。多个电气开关装置(48)构造成将所述多个逆变器电气连接到市电网(42)以及将所述多个逆变器从市电网(42)电气断开。多个设备(44；46)构造成响应于输出的交流频率或电压的多个变化而检测相对于市电网的孤岛。
文档编号G01R19/00GK102170141SQ201010621540
公开日2011年8月31日 申请日期2010年11月12日 优先权日2009年11月13日
发明者A·普拉萨, R·P·佩普林斯基, U·穆哈斯卡尔, V·布哈瓦拉珠 申请人:伊顿公司