用于检测分布式发电机的孤岛运行的方法
【专利摘要】提供了一种用于检测分布式发电机的孤岛运行的方法。该方法包括确定与分布式发电机连接的电网的频率、测量分布式发电机的输出处的电网的频率的变化率、确定针对变化速度的阈值、将电网的频率的变化率与阈值进行比较、以及当测得的频率变化率超过阈值达一定时间段时检测孤岛运行。
【专利说明】用于检测分布式发电机的孤岛运行的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及检测连接到公用电网的分布式发电机的孤岛运行。
【背景技术】
[0002]分布式电源用来将另外的有功功率馈送到靠近电力负载的公用电网中，或者用来确保当来自电网的电力暂时不可用时用于关键负载的备用电源。分布式电源借助于电力电子开关连接到公用电网或负载。
[0003]当一个或更多个分布式电源变得与电力系统的其余部分孤立并且不经意地继续独立于公用电网来服务于局部孤岛负载时，该状况称为“电源丢失”或“无意孤岛”。
[0004]一旦已失去由公用电网提供的稳定性，则由局部孤岛中的负载所消耗的有功功率和无功功率与由分布式电源生成的功率之间的差异可以导致局部电网中突然的剧烈电压和/或频率变化。这些剧烈的电压和/或频率变化通常引起分布式电源保护装置起作用并且立即断开。
[0005]然而，如果局部孤岛中的负载的有功功率和无功功率与由分布式电源生成的有功功率和无功功率匹配，则不会发生将触发分布式电源的被动保护装置的电压和/或频率变化。除非提供主动的孤岛检测，否则分布式发电机继续运行。即使一些分布式发电机设计成在孤岛电网中运行，然而大量的潜在严重问题与孤岛相关联:
[0006]-分布式电源能够在电源丢失期间变成孤立的电源，从而对电业人员和设备造成伤害。
[0007]-局部电网中不受控的电压和/或频率变化可以损害用户设备。
[0008]-由分布式电源对线路的不经意的供电可以伤害电业人员或公众。
[0009]因此，理想的是，能够立即检测出无意的电源丢失以便于将分布式电源与网络断开。
[0010]欧洲专利公布1764894公开了一种用于检测分布式发电机的孤岛运行的方法。该方法包括如下步骤:将无功电流参考方波引入电网、检测在无功电流参考波中每个变化处的负载电压变化、以及确定检测的负载电压变化是否超过预定的孤岛检测阈值、指示电源丢失以及分布式发电机的孤岛运行。无功电流参考方波的幅度是恒定的。
【发明内容】
[0011]本发明的目的是实现一种用于检测分布式发电机的孤岛运行的可靠的方法和布置。根据本发明的方法和布置的特征在于独立权利要求中所陈述的特征。
[0012]根据本发明的方法是基于测量分布式发电机处的频率变化率并且将测得的变化率与阈值进行比较的思想。当测得的频率变化率超过阈值达一定时间段时，确定:电网丢失并且分布式发电机将电力馈送至孤岛网络。在以上确定之后，分布式发电机与电网断开。
[0013]在实施方式中，在分布式电源的运行期间通过测量当孤岛网络不存在时的频率变化率来确定用在本方法中的阈值。这使得能够精确地确定阈值，并且使得阈值能够适用于当前状况。另外，这样的阈值的使用不需要任何有关网络性质的信息。
[0014]根据本发明的方法和布置提供了对即使在由孤岛网络中的负载所消耗的有功功率和无功功率对应于由孤岛网络中的分布式发电机产生的有功功率和无功功率的情况下的孤岛的可靠检测。
[0015]根据本发明的方法不必要求:应该将独立的有源激励如无功电流参考引入到电网中以便于能够确定是否发生孤岛运行。
[0016]根据本发明的方法可以应用于例如通过电子逆变器连接到电网的太阳能发电站。在这样的情况下，太阳能发电站形成分布式电源。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]下面将借助于优选的实施方式并且参照附图来更详细地描述本发明，在附图中:
[0018]图1示出了电网的电路模型，以及
[0019]图2示出了本发明的原理。
【具体实施方式】
[0020]图1示出了电网的电路模型。当断开将局部孤岛电网LG连接到主电网MG的第一断路器Bg时，局部孤岛电网LG中的分布式电源DG继续将电力提供给局部孤岛电网LG。
[0021]如果局部孤岛电网LG的有功负载和无功负载与由分布式发电机DG生成的有功功率和无功功率显著地不同，则当断开第一断路器Bg时在局部孤岛电网LG中发生剧烈的电压和/或频率变化。该剧烈的电压和/或频率变化指示市电电网MG丢失。分布式电源DG保护装置将起作用并且通过断开与分布式电源DG相关联的第二断路器Bdk来将分布式电源DG与局部孤岛电网LG断开。因此在这样的情况下不需要另外的动作。图1示出了第二断路器Bdk在分布式发电机的外部。然而断路器也可以位于分布式电源中，更准确地在太阳能逆变器中。
[0022]然而，如果局部孤岛电网LG的有功功率和无功功率与由分布式电源DG产生的有功功率和无功功率完全匹配，则不发生将会触发保护装置的电压和/或频率变化，并且分布式电源DG继续运行。UL1741标准规定了:即使在这样的状况下也必须在两秒内断开分布式电源DG。
[0023]对该问题的现有技术解决方案是将有源激励馈送至局部孤岛以便于能够基于电压或电流的变化来检测孤岛。然而，本发明不必要求:应该将有源激励馈送至局部孤岛。在本发明中，通过监视电网的频率变化率来实施孤岛检测。即使局部孤岛电网LG的有功功率和无功功率与由分布式电源DG产生的有功功率和无功功率完全匹配，当局部孤岛电网LG变得孤立时也发生频率变化率的改变。这是可能的，原因是在实际中逆变器控制自身像能够根据电网频率变化率被发现的弱激励信号一样起作用。在孤岛网络中，即使小激励信号也能引起电网频率的可检测的变化。
[0024]电网频率的变化率在局部孤岛电网LG变得孤立时的改变可以通过将激励引入局部孤岛电网LG来增强。由于目的仅是增强频率的变化速度，即，不是电压的变化，因此激励可以相当小。可以馈送到局部网络中的激励的幅度能够例如与由分布式电源DG产生的有功功率成正比。将激励引入到局部孤岛电网LG中将形成局部孤岛电网的主动监视。在没有激励的情况下，局部孤岛电网LG的监视将是被动的。
[0025]当开启分布式电源例如太阳能阵列以及连接到太阳能阵列的电子逆变器时，频率变化率的监视被开启。
[0026]为了确定频率变化率，确定电网频率。优选地，通过测量电网的相电压、电源电压或相电流并且通过根据测得的值确定电网频率来确定电网频率。根据测量值以任何已知方式来确定频率。
[0027]最简单地，能够通过检测电网电压或电流的过零点并且根据过零点之间的时间差来计算频率值来确定频率。确定频率的更精确的方法包括例如使用锁相环。还应该注意的是，连接到网络用于从分布式电源馈送电力的电力电子装置还需要与网络同步，从而装置如逆变器还需要频率信息。
[0028]根据本发明，计算频率变化率。连续地确定电网的频率并且根据所确定的频率值来确定频率的变化。如果随时间间隔ts来更新频率值，则将频率变化速度或速率计算为在由时间间隔ts划分的时间间隔内的频率变化。所获得的值表示频率的时间导数，并且其单位能够给定为Hz/s。
[0029]另外，在本发明中，将频率变化率与阈值进行比较。因此阈值是表示可容许的频率变化率的值。最简单地，在本方法中阈值能够给定为常数值。该常数值能够根据历史数据或经验数据来近似。
[0030]根据实施方式，在开启分布式电源之后基于测得的频率变化率来确定阈值。当开启系统时，还将频率的变化率的测量值初始化。采集测量值，并且根据测得的数据来确定表示正常网络状况的值。这样的正常状况指的是其中分布式电源未在对孤岛网络进行馈送的情况。
[0031]在本发明的实施方式中，根据表示频率变化率的历史数据来确定阈值。根据测得的频率变化率的绝对值来形成包络曲线。还将该包络曲线乘以常数值，并且利用具有与公用网络的周期时间相比较大的时间常数的滤波器来对该包络曲线进行低通滤波。另外的解决方案是根据包络曲线计算移动平均。移动平均有效地对获得的数据进行平均，从而获得正常的频率变化率。
[0032]根据本发明，通过将频率的变化率的幅值与阈值进行比较来检测孤岛网络。因此，在本方法中，将形成的包络曲线与阈值进行比较。一旦包络曲线超过阈值达一定时间段，则确定:孤岛网络被形成。
[0033]能够将在形成阈值中使用的常数给予本方法作为参数。常数具有大于I的值，并且常数的目的是提高所形成的在正常运行中基本上在包络曲线上方的包络曲线平均。使用的常数改变本方法的灵敏度，使得当所选择的常数较大时频率变化率必须改变更大以便于超过阈值。
[0034]由于根据实施方式计算阈值作为包络曲线的移动平均，所以阈值自适应于变化的状况。也就是说，如果频率变化率的正常变化趋势改变，则阈值跟随该趋势。然而，如果频率变化率突然改变，则形成的包络曲线在阈值改变之前超过阈值。
[0035]以上通过使用包络曲线描述了本发明。包络曲线表示用在本方法中的获得的值。在离散系统中，以采样频率对频率进行采样，即以时间间隔Ts来获取样本。通过存储样本来形成包络曲线，并且类似地，通过选择在平均中使用的样本数目并且计算所选择的最终样本的平均来计算移动平均。当形成阈值时也可以应用其他平均方法。
[0036]当形成阈值时，能够通过确定一定数目的连续样本是否具有高于阈值的绝对值来实现确定频率变化率是否超过阈值达一定时间段。因此，当采样周期固定时，一定时间段对应于一定数目的样本。然而，本发明中所描述的方法不必要求任何固定的采样周期。
[0037]图2示出了在实施方式运行期间的波形示例。在图2中，线Al示出了作为时间T的函数的瞬时频率变化率。能够看出，瞬时变化率在正常运行中也变化显著。线A2示出了根据线Al通过计算频率的变化率的绝对值获得的包络曲线。
[0038]另外，图2示出了已乘以用于增加曲线水平的常数的经过低通滤波的曲线A3。曲线A3是在本方法中与包络曲线A2相比较的阈值曲线。
[0039]在图2中，频率的瞬时变化率的幅度即包络曲线A2在时刻TO处超过阈值A3。当包络曲线A2保持在阈值A3上方达一定时间段时，得出的结论是电源在对孤岛网络进行馈送。在图2中，包络曲线A2在时刻TO之后保持在阈值A3上方，因此检测出孤岛网络。
[0040]在检测出孤岛网络之后，将分布式电源与孤岛网络断开，使得不供给网络电力。
[0041]根据实施方式，分布式发电机产生无功功率用于增强孤岛网络形成的检测。特别地当要求孤岛检测应该为主动孤岛检测时产生无功功率。在本实施方式中，来自分布式发电机的无功功率连续地改变。所注入的无功功率的幅度保持在当被供给的网络在其正常状态时无功功率不干扰网络的这样的水平。一旦形成孤岛，注入的无功功率改变频率变化率，从而检测出孤岛。
[0042]将针对无功功率的另外的参考值与当前无功功率参考相加。根据实施方式，所产生的无功功率的幅度与由分布式发电机产生的有功功率成比例。随着由分布式发电机产生的有功功率的量改变，针对无功功率的幅度的参考也改变。无功功率参考可以是包括改变的方波信号或某些其他信号波形，该改变对频率变化率具有预期效果。
[0043]优选地,本发明的方法被实施在作为分布式发电机的一部分并且用于将电力供应给网络的逆变器中。这样的分布式发电机的示例是连接到公用电网的光伏发电系统。在这样的系统中，光伏阵列连接到电力电子装置。电力电子装置用于从光伏阵列中提取最大可用电力并且还用于修改电压，使得能够将电力馈送到公用网络。装置中电力的转换一般包括:以一个或更多个级提升电压，并且将电压控制到设定的DC水平。另外，DC电压最终转换成适于馈送到公用电网的AC电压。电力电子装置一般称为太阳能逆变器或光伏逆变器。
[0044]这样的太阳能逆变器包括能够用于实施本发明的方法的处理能力。另外，太阳能逆变器包括用于测量电网电压和电网频率的测量电路。另外，太阳能逆变器包括断路器，该断路器能够用于当得出结论是来自发电机的电力馈送到孤立网络中时、将分布式发电机与电网断开。因此，本发明的布置能够使用太阳能逆变器来实施。
[0045]对于本领域技术人员将明显的是，随着技术进步，能够以各种方式实施该创造性构思。本发明及其实施方式不限于以上所描述的示例，而可以在权利要求的范围内改变。
【权利要求】
1.一种检测分布式发电机的孤岛运行的方法，其特征在于，所述方法包括: 确定所述分布式发电机连接到的电网的频率， 测量所述分布式发电机的输出处的所述电网的频率的变化率， 确定针对变化速度的阈值， 将所述电网的频率的变化率与所述阈值进行比较，以及 当测得的频率的变化率超过所述阈值达一定时间段时检测出孤岛运行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对所述电网的频率的变化率的所述阈值通过下述步骤来确定: 根据频率的瞬时变化率的绝对值来形成包络曲线， 对所形成的包络曲线进行平均，以及 将经过平均的曲线乘以常数用于获得所述阈值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述所形成的包络曲线进行平均包括对所述所形成的包络曲线进行低通滤波。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述所形成的包络曲线进行平均包括对所述所形成的包络曲线的移动平均进行计算。
5.根据前述权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，将测得的频率的变化率与所述阈值进行比较的步骤包括: 将所述所形成的包络曲线与所述阈值进行比较。
6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括: 通过所述分布式发电机将无功功率馈送至所述电网，其中，所述无功功率具有与由所述分布式发电机产生的有功功率成比例的幅度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，馈送至所述电网的所述无功功率具有方波波形。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，馈送至所述电网的所述无功功率具有包括变化的波形，所述变化在孤岛网络形成时改变频率的变化率。
9.根据前述权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括: 当检测出孤岛运行时将所述分布式发电机与所述电网断开。
10.一种用于检测分布式发电机的孤岛运行的布置，其特征在于，所述布置包括: 用于确定所述分布式发电机连接到的电网的频率的装置， 用于测量所述分布式发电机的输出处的所述电网的频率的变化率的装置， 用于确定针对变化速度的阈值的装置， 用于将所述电网的频率的变化率与所述阈值进行比较的装置，以及 用于当测得的频率的变化率超过所述阈值达一定时间段时检测出孤岛运行的装置。
【文档编号】G01R31/00GK103728504SQ201310467252
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年10月9日 优先权日:2012年10月10日
【发明者】扬内·赫尔贝里, 基莫·海诺宁, 亚里·乌西迈基 申请人:Abb公司