直流输电系统的并网孤岛检测方法及装置与流程

本发明属于直流输配电并网技术领域，尤其涉及直流输电系统的并网孤岛检测方法及装置。

背景技术：

光伏发电及其它分布式发电系统接入公共电网时，孤岛检测是其必备的重要功能。“孤岛”是指公共电网停止供电后，由于分布式发电的存在(与电网相连并输送电能)，使电网停电区的部分线路仍维持带电状态，形成自给电力供应的孤岛，而在这种孤岛状态下，电力公司失去对线路电压、频率的控制，会带来一系列的安全隐患，主要集中在以下两个方面：

第一，人身安全，电网停电后电气维护人员进入停电区作业，如果此时分布式发电系统继续供电，可能导致作业人员不慎接触带电体，引发人身伤亡。

第二，设备损害，例如：(1)电网供电中断后恢复供电时，如果电网与光伏发电系统相位(频率)失步，将产生大的冲击电流，摧毁光伏发电装置，或损坏当地负载，引发更长时间的电力中断；(2)电网正常，由于雷电等自然灾害引起输电线路自动开关跳闸，在自动重合闸过程中分布式发电系统的存在可能引起重合闸失败(自动开关重合闸时会间隔几秒作N次尝试，每次间隔时间逐渐缩短，失败后放弃合闸)。

孤岛运行不仅仅会带来上述安全隐患，还使电力公司失去了对电压、频率的控制，从而因光伏发电系统输出电压、频率的不正常卷入事故纠纷当中。因此，为保证安全以及避免纠纷，电力公司亟待解决的问题是：并网的分布式发电系统必须能及时检测出孤岛，并将分布式发电装置与公共电网间的连线断开。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的为提供一种直流输电系统的并网孤岛检测方法及装置，以解决现有技术中无法及时检测出并网的分布式发电系统处于孤岛状态的技术问题。

为实现上述目的，一方面，

本发明提供了一种直流输电系统的并网孤岛检测方法，包括：

向直流输电母线输入周期性的脉动电流；

测量所述直流输电母线两端产生的电压脉动波形幅值，并根据所述电压脉动波形幅值和所述脉动电流计算得到公共耦合点处阻抗的幅值；

如果所述阻抗的幅值大于预设阈值，则直流电源被切断，处于孤岛状态。

根据本发明的一个实施例，光伏发电最大功率点跟踪控制器控制主动向所述直流输电母线输入周期性的脉动电流。

根据本发明的另一个实施例，所述脉动电流为正脉动电流、负脉动电流或交流脉动电流。

根据本发明的另一个实施例，所述脉动电流的频率为0.1Hz～10MHz。

根据本发明的另一个实施例，实时或周期性地检测所述阻抗的幅值是否大于所述预设阈值。

根据本发明的另一个实施例，所述预设阈值根据测量直流电源切断前所述直流输电系统的阻抗幅值以及直流电源切断后所述直流输电系统的阻抗幅值来决定。

根据本发明的另一个实施例，所述阻抗的幅值大于预设阈值的标准为所述阻抗的幅值大于所述预设阈值的K倍，其中K为大于等于1.2的常数。

根据本发明的另一个实施例，K值为通过测量实际直流输电系统公共耦合点处切断和投入直流电源后阻抗的变换得到。

另一方面，

本发明还提供了一种直流输电系统的并网孤岛检测装置，包括：

输入单元，用于向直流输电母线输入周期性的脉动电流；

测量单元，用于测量所述直流输电母线两端产生的电压脉动波形幅值，并根据所述电压脉动波形幅值和所述脉动电流计算得到公共耦合点处阻抗的幅值；

检测单元，用于判断是否处于孤岛状态，如果所述阻抗的幅值大于预设 阈值，则直流电源被切断，处于孤岛状态。

根据本发明的一个实施例，所述输入单元中还包括光伏发电最大功率点跟踪控制器，用于控制主动向所述直流输电母线输入周期性的脉动电流。

通过本发明提供的直流输电系统的并网孤岛检测方法及装置，由于向直流输电系统中主动输入脉动电流，根据测量的电压脉动波形幅值计算得到阻抗的幅值，一旦处于孤岛状态，从直流输电系统耦合端看直流光伏并网系统孤岛形成后的阻抗要比与直流输电系统并联连接运行时的阻抗大的多，因此可以通过在直流并网光伏发电系统中实时监测耦合端的阻抗，来持续测量直流输电系统耦合点处的阻抗来检测孤岛状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明专利实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明专利的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种直流输电系统的并网孤岛检测方法的步骤流程图。

图2为带光伏并网发电的直流输电系统。

图3光伏并网发电直流输电系统的内阻分布示意图。

图4为直流电源切断后的内阻分布示意图。

图5为从光伏发电系统注入到正脉冲电流到直流输电系统的波形以及脉冲电压响应。

图6为从光伏发电系统注入到交流脉冲电流到直流输电系统的波形以及脉冲电压响应。

图7为从光伏发电系统注入到负脉冲电流到直流输电系统的波形以及脉冲电压响应。

图8为本发明提供的一种直流输电系统的并网孤岛检测装置的组成示意图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是，本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

在美国电气及电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，简称IEEE)制订的光伏发电系统并网标准IEEE Std.929-2000中是这样定义与电网接口的“无孤岛逆变器(non-islanding inverter)”的：

(1)光伏(Photovoltaic，简称PV)逆变器输出有功功率与负载消耗功率的失配度大于50％；或本地负载功率因数小于95％时，电网失压后必须在10个波形周期内停止向电网供电。

(2)有功功率失配度在50％以内且本地负载功率因数大于95％时，逆变器应能在电网失压后2s内停止对电网供电，上述指标所指的负载对象为品质因数Qf≤2.5的并联谐振负载。

在交流输电系统中对于孤岛检测有一种主动谐波注入测量方法，由于从公共耦合端看光伏并网系统孤岛形成后的阻抗要比与电网并联连接运行时的阻抗大的多。因此，可以通过持续测量公共耦合点处的阻抗来检测孤岛状态，这使得光伏并网系统需要实时在线监测公共耦合点的阻抗。对于孤岛检测技术，欧洲一些国家对于阻抗测量技术要求较高。如德国ENS标准规定公共耦合点阻抗变化的阈值为AZ＝0.5Q，超过这个阈值，必须在5s内做出判断。主动测量方法是主动地给电网注入一个扰动信号，然后测量电网的电压和电流响应，并经过一系列的信号处理即可得到电网的阻抗。谐波注入法是以非特征频率谐波电流的注入和最终谐波电压的提取为基础的，这取决于该频率处的电网阻抗值，可见，基于谐波注入的阻抗测量法可以很好地检测出孤岛状态。

基于上述，本发明提供了一种直流输电系统的并网孤岛检测方法，步骤流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1、向直流输电母线输入周期性的脉动电流；

步骤S2、测量直流输电母线两端产生的电压脉动波形幅值，并根据电压 脉动波形幅值和脉动电流计算得到公共耦合点处阻抗的幅值；

步骤S3、如果阻抗的幅值大于预设阈值，则直流电源被切断，处于孤岛状态。

其中步骤S1中光伏发电最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)控制器控制主动向直流输电母线输入周期性的脉动电流，即光伏发电系统是通过电流控制主动向直流输电母线发出周期性脉动电流。本发明中周期性的脉动电流为正脉动电流、负脉动电流或交流脉动电流。其中，这些脉动电流的频率为0.1Hz～10MHz。

步骤S2检测周期性脉动电流所产生的电压脉动波形幅值并通过计算得到阻抗的幅值，并且在步骤S3中实时或周期性地检测阻抗的幅值，实现实时判断阻抗的幅值是否大于预设阈值，以完成对孤岛状态的判断。一旦判断出阻抗的幅值大于预设阈值，则可知是直流电源被切断，即直流输电系统处于孤岛状态，适用于光伏发电及其他分布式发电系统。

其中的预设阈值根据测量直流电源切断前直流输电系统的阻抗幅值以及直流电源切断后直流输电系统的阻抗幅值来决定。阻抗的幅值大于预设阈值的标准为阻抗的幅值大于预设阈值的K倍，其中K为大于等于1.2的常数。K值为通过测量实际直流输电系统公共耦合点处切断和投入直流电源后阻抗的变换得到。优选的，可以取K值为切断直流电源的阻抗与投入直流电源的阻抗的比值的0.8倍，且K值必须大于1.2。

现给出以下几个实施例对本发明进行解释和说明。

实施例一

如图2所示，MPPT控制器通过控制电流主动向直流输电母线发送图5所示的I_A周期性正脉动电流。在图3的情况下即直流电源切断前情况下，由于直流电源内阻很小，在直流电源切断前情况下，图5中的IA周期性正脉动电流所产生的电压脉动波形很小，如图5中直流电源切断前的波形。

在图4的情况下即直流电源切断后情况下，由于直流电源内阻很小，切断后系统阻抗显著增加，直流电源切断后情况下，图5中的IA周期性正脉动电流所产生的电压脉动波形幅值变大，如图5中直流电源切断后的波形。

通过公式Z_AN＝V_A/I_A可以计算得到AN处的阻抗的Z_AN。正常情况下，直流输电的阻抗为Z_AN＝Z_normal，当直流电源被切断时，AN处的阻抗会显著 增加。

当|Z_AN|>K*Z_normal时可以认为直流电源被切断，此时光伏发电系统应停止工作并等待重启动信号。其中K为大于等于1.2的常数，K值可以通过测量实际直流输电系统AN处切断和投入直流电源后阻抗的变换来获得。一般情况下可以取K值为切断直流电源的阻抗与投入直流电源的阻抗的比值的0.8倍，且K值必须大于1.2。

实施例二

如图2所示，MPPT控制器通过控制电流主动向直流输电母线发送图6所示的I_A周期性交流脉动电流。在图3的情况下即直流电源切断前情况下，由于直流电源内阻很小，在直流电源切断前情况下，图6中的I_A周期性交流脉动电流所产生的电压脉动波形很小，如图6中直流电源切断前的波形。

在图4的情况下即直流电源切断后情况下，由于直流电源内阻很小，切断后系统阻抗显著增加，直流电源切断后情况下，图6中的IA周期性交流脉动电流所产生的电压脉动波形幅值变大，如图6中直流电源切断后的波形。

通过公式Z_AN＝V_A/I_A可以计算得到AN处的阻抗的Z_AN。正常情况下，直流输电的阻抗为Z_AN＝Z_normal，当直流电源被切断时，AN处的阻抗会显著增加。

当|Z_AN|>K*Z_normal时可以认为直流电源被切断，此时光伏发电系统应停止工作并等待重启动信号。其中K为大于等于1.2的常数，K值可以通过测量实际直流输电系统AN处切断和投入直流电源后阻抗的变换来获得。一般情况下可以取K值为切断直流电源的阻抗与投入直流电源的阻抗的比值的0.8倍，且K值必须大于1.2。

实施例三

如图2所示，MPPT控制器通过控制电流主动向直流输电母线发送图7所示的I_A周期性负脉动电流。在图3的情况下即直流电源切断前情况下，由于直流电源内阻很小，在直流电源切断前情况下，图7中的I_A周期性负脉动电流所产生的电压脉动波形很小，如图7中直流电源切断前的波形。

在图4的情况下即直流电源切断后情况下，由于直流电源内阻很小，切 断后系统阻抗显著增加，直流电源切断后情况下，图7中的I_A周期性负脉动电流所产生的电压脉动波形幅值变大，如图7中直流电源切断后的波形。

通过公式Z_AN＝V_AN/I_A可以计算得到AN处的阻抗的Z_AN。正常情况下，直流输电的阻抗为Z_AN＝Z_normal，当直流电源被切断时，AN处的阻抗会显著增加。

当|Z_AN|>K*Z_normal时可以认为直流电源被切断，此时光伏发电系统应停止工作并等待重启动信号。其中K为大于等于1.2的常数，K值可以通过测量实际直流输电系统AN处切断和投入直流电源后阻抗的变换来获得。一般情况下可以取K值为切断直流电源的阻抗与投入直流电源的阻抗的比值的0.8倍，且K值必须大于1.2。

直流电源切断前，由于直流电源内阻很小，周期性脉动电流所产生的电压脉动波形很小，此时系统工作正常。当直流电源切断后，由于直流电源内阻很小，切断后系统阻抗显著增加，周期性脉动电流所产生的电压脉动波形幅值变大，此时可以通过周期性脉动电流所产生的电压脉动波形幅值来计算阻抗的幅值。当阻抗的幅值大于预设阈值时，可以认为直流电源被切断，此时光伏并网发电系统将主动停止发电并等待重启动信号。

根据实施例一至三，通过本发明提供的直流输电系统的并网孤岛检测方法，由于向直流输电系统中主动输入脉动电流，根据测量的电压脉动波形幅值计算得到阻抗的幅值，一旦处于孤岛状态，从直流输电系统耦合端看直流光伏并网系统孤岛形成后的阻抗要比与直流输电系统并联连接运行时的阻抗大的多，因此可以通过在直流并网光伏发电系统中实时监测耦合端的阻抗，来持续测量直流输电系统耦合点处的阻抗来检测孤岛状态。

基于上述，本发明还提供了一种直流输电系统的并网孤岛检测装置，组成示意图如图8所示，包括：

输入单元10，用于向直流输电母线输入周期性的脉动电流；

测量单元20，用于测量直流输电母线两端产生的电压脉动波形幅值，并根据电压脉动波形幅值和脉动电流计算得到公共耦合点处阻抗的幅值；

检测单元30，用于判断是否处于孤岛状态，如果阻抗的幅值大于预设阈值，则直流电源被切断，处于孤岛状态。

其中输入单元10中还包括光伏发电最大功率点跟踪控制器(图中未示出)，用于控制主动向直流输电母线输入周期性的脉动电流。

综上所述，通过本发明提供的直流输电系统的并网孤岛检测装置，由于向直流输电系统中主动输入脉动电流，根据测量的电压脉动波形幅值计算得到阻抗的幅值，一旦处于孤岛状态，从直流输电系统耦合端看直流光伏并网系统孤岛形成后的阻抗要比与直流输电系统并联连接运行时的阻抗大的多，因此可以通过在直流并网光伏发电系统中实时监测耦合端的阻抗，来持续测量直流输电系统耦合点处的阻抗来检测孤岛状态。

本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所公开的本发明的范围和精神的情况下所作的更改与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。