针对大规模风力发电的分层分域防孤岛保护方法

针对大规模风力发电的分层分域防孤岛保护方法
【专利说明】针对大规模风力发电的分层分域防孤岛保护方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及大规模风力发电防孤岛保护领域，具体地，涉及一种针对大规模风力发电的分层分域防孤岛保护方法。
【背景技术】
[0003]大型风电场(基地)孤岛状态是指大型风电场(基地)中，部分风电机组与主网脱离后，继续向其下所带负荷供电的运行状态。在大规模风力发电系统中，有效及时的检测孤岛对风电机组及本地负荷具有重要意义。大规模风电接入孤岛引发的原理和情形与配网中的孤岛有所不同，所以，大规模风电接入发生孤岛的危害与孤岛在配网中的危害相比也有不同。首先，大规模风电接入发生孤岛后，电能质量也是不可控的。但是更为严重的威胁在于，孤岛系统中的过电压问题。
[0004]造成大型风电场(基地)孤岛系统中过电压的原因有很多，总结概括一下，有如下几种:1)在一些故障情形下，孤岛系统失去系统接地；风机一般是通过升压变压器的中心点获得系统零点，当馈线故障时，风机及馈线失去系统接地，非故障相电压升至1.73倍的故障前相电压。2)风机的特有的故障特性，风机变流器一般是进行电流控制，风机通过逐级变压器进行升压，风机也需要通过较长的集电馈线将电能送至升压站，在此系统中存在较大的电抗，系统阻抗大，且电磁环境较为复杂，突然断电下，会产生较大的暂态过电压。3)孤岛系统是不稳定系统，且其阻尼较小，会产生较大的暂态过电压。4)如果在重合闸开始时，系统仍未断电，会出现冲击电压，更严重的情况是发生非同期重合闸，这时，将会出现很大的暂态过电压。
[0005]目前，常用的配电网孤岛检测方法主要分为三类:(1)被动检测方法；(2)主动检测方法；(3)基于通信信号的检测方法。
[0006]被动检测方法监测一个或多个电网电气量，根据电气量与所设阈值直接的偏差，可以判定所关注区域是否发生孤岛运行状态。一般通过寻找频率、电压或相位角的异常数值或检测系统中谐波的异常变化等多个判断因素，综合分析后可以确定孤岛的存在。
[0007]被动检测方法的优点在于，由于并网逆变器本身的控制策略就需要检测端电压，此法不需要增加额外的硬件电路或者独立的保护继电器；对电网无干扰，对电能质量无影响；在多台逆变器下，检测效率不会降低。其问题在于非检测区域(Non-Detect1n Zone，NDZ)有可能相当大，门槛阈值难以设定，既要高于正常运行时的值，又要小于孤岛时的值。为了减小NDZ，常提高装置的灵敏度，但会引发设备无故障跳闸，影响系统的正常运行；在某些特定的情况下，NDZ很大；某些参数不能直接测量，需要复杂的计算才能得到，其计算误差以及计算时间对检测效果也会产生影响。
[0008]主动检测方法是在电网中注入电压、频率或相位角，从而造成电网电压、频率或相位角的扰动，这些扰动对于并网运行状态时的配电网，由于受到主网的平衡钳制，扰动信号作用不明显；但当孤岛发生时，这些扰动作用就较明显，可以通过检查公共连接点(PCC)的系统响应，来判断是否发生孤岛。
[0009]主动检测方法的优点在于NDZ较小，检测精度较高，能够准确地检测孤岛。此方法的缺点在于由于引入了扰动量，引起电网电能质量下降及电网不必要的暂态响应；控制算法较复杂，实际应用困难；在不同的负载性质下，检测效果存在很大差异，严重时甚至失效。
[0010]基于通信信号的检测方法采用有线或无线的通信方式来检测断路器的开断状态，根据断路器状态的变化来确定是否发生了孤岛。
[0011]基于通信信号的检测方法优点:无非检测区(NDZ)、检测准确可靠；对于单个或多个逆变器的孤岛检测都有效；它的性能与DG装置的类型无关，也不会对电网的正常运行造成干扰，因此是非常可靠的孤岛检测方法。此法缺点:需要添置设备，实现成本高，操作复杂，需要很多认证，经济性低。
[0012]目前的主要方法都是在低压配电网中进行孤岛检测，针对大规模风力发电的高电压等级的孤岛检测并未见相关文献。目前，已有的配电网孤岛检测相关专利主要分为如下几类:
被动检测法:专利号为201510084241.3的专利提出了一种新型的光伏电站被动式防孤岛保护方法。此方法应用于大规模光伏电站集中并入电网变电站，通过计算工频故障阻抗和功率因数变化，经阻抗判据和功率因数判据，综合判断是否出现光伏电站单独带负荷运行的小孤岛以及光伏电站和变电站一起带负荷运行的大孤岛，一旦检测出孤岛立即跳开相应并网开关，以保护运行检修人员及设备的安全。该方法属于被动检测法，且以光伏电站为研究对象。
[0013]主动检测法:专利号为201410221942.2的专利提供了一种风电机组孤岛测试方法。将一个孤岛发生装置连接于风电机组出口变压器和风电场升压变压器之间，通过调节孤岛发生装置使风电机组处于孤岛状态，并检测风电机组并网点三相电流、三相电压及风电机组并网开关状态信号，考察风电机组是否具备孤岛运行能力，及在防孤岛下的脱网时间。该方法属于主动检测法。
[0014]专利号为201410741339.7的专利提出了一种光伏防孤岛试验检测装置和检测方法。这种防孤岛试验检测装置，由上位机、一个以上智能电力监控模块、I/O继电器控制板、电键K和可调RLC负载模块组成，能对光伏电站等大容量电源类设备进行孤岛效应测试。通过加载负载模块，检测并网电压V来判断孤岛现象是否发生。该方法属于主动测试法，且属于光伏电站防孤岛检测。
[0015]专利号为201510037485.6的专利提出了一种分布式电源系统防孤岛效应的并网开关保护方法及并网开关装置。此方法是针对配电网侧的分布式电源系统进行的主动保护，通过控制并网逆变器，给其输出功率、频率或相位等注入一定的扰动，同时检测逆变器的输出情况；当电网正常工作时，由于电网的平衡作用，扰动信号不足以改变并网逆变器的输出特性；当电网故障或者掉电时，由于扰动信号的反馈作用，并网逆变器的输出特性就会快速累积并且超出允许范围，产生一信号触发并网开关的保护装置，使其跳闸。该方法对低压配电网进行防孤岛检测。
[0016]专利号为201510242085.9的专利提出了一种基于定阻抗负荷模拟的防孤岛保护测试电路及方法。用定阻抗负荷模拟单元精确模拟并联RLC负荷的负荷特性，将并网光伏逆变器输出的有功功率以单位功率因数馈送至配电网，确保在测试过程中触发并网光伏逆变器的防孤岛保护。该方法属于主动检测方法。
[0017]基于通信信号的检测法:专利号为201180043345.X的专利提出了一种用于检测低压(LV)电力网络中孤岛状况的方法，该方法用于多开关信号的网络中，通过检测网络中断路器的位置信号，并与真值表进行对比，采用查表的方法，并通过断开电力电单元的方法对系统进行保护。该方法针对配电网进行孤岛检测，同时该方法采用效率较低的查表法。
[0018]专利号为201210124330.2的专利提供了一种站域孤岛保护方法及一种站域孤岛保护系统，通过获取变电站区域内与产生孤岛运行状态相关的断路器的位置信息，判断是否出现孤岛运行状态，并通过跳开发电系统联网处的一个断路器即可完成孤岛保护动作。该方法针在变电站范围进行孤岛检测，并采用跳开发电系统联网处的一个断路器来实现孤岛保护，这种方法并不适用于大规模风力发电系统的防孤岛保护，由于大规模风力发电系统，各风机到风电场升压变电站的电气距离较长，采用该方法会造成风机馈线的过电压问题，从而影响风机的运行寿命。
[0019]专利号为201310039649.X的专利提供了一种分布式发电并网系统防孤岛保护系统及其保护方法，基于载波通信和分散检测技术，通过上位载波机获取电网侧的信息进行孤岛判别和下位载波机对用户侧分布式电源的并网点开关进行控制，切除分布式电源，防止孤岛效应的发生，提高分布式发电并网系统的可靠性和安全性。该方法针对分布式发电系统进行防孤岛保护，并不针对大规模集中式风力发电的防孤岛进行保护。
[0020]专利号为201310086985.X的专利提供了一种基于广域信息的开关变位孤岛检测及直接跳闸式孤岛保护方法。分布式电源系统并