适用于分布式逆变系统的孤岛保护与故障穿越协调运行方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于分布式并网逆变系统的孤岛保护与故障穿越协调运行方法，即根据PCC处的电压和频率量测值的变化情况，协调分布式逆变系统的孤岛保护和故障穿越两种控制功能：在配电网发生故障时，分布式逆变系统优先通过故障穿越为配电网提供一定的电压/频率支撑；在无法实现所述故障穿越时，在满足孤岛运行条件的情况下，分布式逆变系统通过短期孤岛运行为本地负荷持续供电；只有在前述条件都不满足的情况下，分布式逆变系统才从配电网解列，停止供电。该方法不仅可以实现本地可再生能源对电网的效益最大化，同时在保证供电安全性的前提下，极大提高了系统的供电可靠性，有利于配电网中基于可再生能源的分布式并网逆变系统高比例并网。
【专利说明】
适用于分布式逆变系统的孤岛保护与故障穿越协调运行方法
技术领域
[0001]本发明涉及电力系统运行与控制领域，特别是涉及一种适用于分布式逆变系统的孤岛保护与故障穿越协调运行方法。
【背景技术】
[0002]日益严峻的能源危机和环境问题促使光伏、风电等基于清洁可再生能源的分布式发电技术得到了快速发展，进而改善了能源结构和利用效率，提高了电力传输的经济性、安全性以及可靠性。然而，光伏、风电等基于逆变器的分布式发电系统，这里称为分布式逆变系统，在电网中的渗透率会越来越高，其高渗透水平同样给配电系统调度和终端用户带来了新的挑战。
[0003]目前发布的分布式逆变系统并网要求，如IEEE Std.1547-2003和IEEE Std 929-2000，用于指导低渗透水平情形下分布式电源的并网。出于人身和设备安全考虑，要求分布式逆变系统在电网发生故障时，能够及时检测到故障，并从配电网解列，称为孤岛保护。实际上，分布式逆变系统在配电网中的比例已逐渐呈高渗透率趋势。比如，德国近70%的光伏安装与低压配电网相连。电网故障情况下若仍采用传统控制方法将其从配电网解列，将给电力系统带来严重挑战，尤其对终端用户设备。例如，导致光伏系统解列的反孤岛运行可能会造成电压闪变、用户端的低压和电能质量问题，导致用户的经济损失，进而限制电网运行商对光伏等可再生能源的接纳力。同时，也无法实现分布式逆变系统在改善电网供电可靠性、提尚系统稳定性方面的效益。
[0004]可见，传统并网准则已不适用于未来配电网中分布式逆变系统的高渗透情形。分布式逆变系统具有更灵活的控制能力，通过对其控制可以为电网提供更多的支撑。考虑未来配电网中分布式逆变系统的高渗透率，在电网发生故障时，分布式逆变系统应该具有故障穿越能力，同时为电网提供无功功率支撑等辅助服务，主动参与电网的全动态调节，改善系统的稳定性、可靠性和电能质量。欧洲部分国家已经针对分布式逆变系统在电网中的高渗透情况，对并网准则进行了修改。如德国中压电网准则中规定，并入电网的分布式电源应该具有低压穿越能力，并可以提供辅助服务，如无功功率支撑能力。
[0005]为适应未来配电网中分布式逆变系统的高渗透率情形，分布式逆变系统应该同时具有孤岛保护和故障穿越两种控制功能，在保证供电安全性的同时为电网提供可靠支撑，以改善系统的稳定性、可靠性和电能质量。然而，目前已有并网标准并没有同时考虑上述两种控制功能，且二者在控制目标和时间规定上存在矛盾性。
【发明内容】
[0006]针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于分布式逆变系统的孤岛保护与故障穿越协调运行方法。该方法可很好地协调分布式逆变系统的孤岛保护和故障穿越两种控制功能，不仅可以实现本地可再生能源对配电网的效益最大化，同时在保证供电安全性的前提下，极大地提高系统的供电可靠性，有利于配电网中基于可再生能源的分布式逆变系统高比例并网。
[0007]为达到以上目的，本发明采取的技术方案是:
[0008]—种适用于分布式逆变系统的孤岛保护与故障穿越协调运行方法，该方法是根据公共连接点(PCC，Point Of Common Connect1n)处的电压Vpcc和频率f的量测值的变化情况，协调分布式逆变系统的孤岛保护和故障穿越两种控制功能:在配电网发生故障时，分布式逆变系统优先通过故障穿越为配电网提供一定的电压/频率支撑;在所述分布式逆变系统无法实现所述故障穿越时，在满足孤岛运行条件的情况下，所述分布式逆变系统通过短期孤岛运行为本地负荷持续供电；只有在前述条件都不满足的情况下，所述分布式逆变系统才从配电网解列，停止供电。
[0009]在上述方法中，所述分布式逆变系统的孤岛保护与故障穿越协调运行方法包括如下步骤:
[0010]检测所述PCC处的电压Vpcc和频率f，
[0011]若所述PCC处的电压Vpcc和频率f在正常运行区域A，此时配电网正常运行，所述分布式逆变系统的运行状态为I;所述I为所述分布式逆变系统并网运行，采用正常控制方式；
[0012]若所述PCC处的电压Vpcc和频率f在故障穿越区域B或C，此时配电网发生故障，所述分布式逆变系统的运行状态为II，所述II为所述分布式逆变系统采用故障穿越控制方式，同时启动计时计算故障持续时间t;所述故障穿越区域B为低压故障穿越区域，所述故障穿越区域C为高压故障穿越区域；
[0013]若所述PCC处的电压Vpcc和频率f在非运行区域D，此时配电网发生故障，所述分布式逆变系统的运行状态为IV，所述IV为分布式逆变系统从配电网解列，停止运行；
[0014]当所述分布式逆变系统的运行状态为II时，实时监测所述PCC处的电压Vpcc和频率f的变化情况，判断:
[0015]当所述故障持续时间t小于允许的最大故障持续时间tFRT时，所述PCC处的电压Vpcc和频率f是否恢复到所述正常运行区域A:若为是，则切换所述分布式逆变系统的运行状态由II转到I;若为否，即所述PCC处的VP。。和f仍在故障穿越区域B或C，则所述分布式逆变系统的运行状态继续保持为II;
[0016]当所述故障持续时间t大于或等于允许的最大故障持续时间tFRT时，所述PCC处的Vp。。和f仍在故障穿越区域B或C，则根据所述分布式逆变系统与本地负荷的功率供需关系，判断所述分布式逆变系统是否满足孤岛运行条件:
[0017]若为是，则所述分布式逆变系统的运行状态由II转到III，所述III为所述短期孤岛运行状态，即所述分布式逆变系统从配电网解列，采用电压/频率控制方式，为本地负荷持续供电，当所述PCC处的VP。。和f恢复至正常运行区域A时，所述分布式逆变系统运行状态由III转到I;
[0018]若为否，则所述分布式逆变系统运行状态由II转到IV。
[0019]在上述方法中，所述孤岛运行条件为:所述分布式逆变系统与本地负荷之间需满足供需功率平衡，且可为孤岛系统提供电压/频率支撑。
[0020]在上述方法中，所述正常运行区域A为Vpcc满足Vii<Vpcc<Vhi且f满足fi<f彡fh;[0021 ] 所述低压故障穿越区域B为Vpcc满足Vi2SVpcc^Vi1且f满足fi<f Sfh;
[0022]所述高压故障穿越区域C为Vpcc满足Vhi<Vpcc<Vh2且f满足fi<f<fh;
[0023]所述非运行区域D为Vpcc满足Vpcc>Vh2或Vpcc<Vi2、或f满足f<fi或f>fh;
[0024]所述Vh2和Vhl分别为所述高压穿越区域C电压的上下限值，V11和V12分别为所述低压穿越区域B电压的上下限值，所述fdPh分别为所述正常运行区域A、低压穿越区域B和高压穿越区域C的频率的上下限值。
[0025]在上述方法中，根据现有分布式发电并网准贝Ij，所述Vh2、Vh1、Vi1、Vi2、fh和fi的标么值可取￥11 = 0.9^12 = 0;￥111 = 1.1;￥112 = 1.2;负=0.986;仇=1.01。
[0026]在上述方法中，所述孤岛运行条件中的所述供需功率平衡包括如下两种情况:
[0027]a.Pinv^Pi,此时需对分布式逆变系统采取一定的功率削减策略，使供需平衡；
[0028]b.Pinv<Pi，但通过对本地负荷进行一定的切负荷控制后可满足供需平衡；
[0029]Pinv为分布式逆变系统的发电功率，P1为本地负荷功率。
[0030]在上述方法中，当所述分布式逆变系统的运行状态为III时，若所述分布式逆变系统为多逆变器并联运行，则所述分布式逆变系统中并联运行的所述多逆变器中至少须有一台逆变器采用电压/频率控制方式为孤岛系统提供电压/频率支撑;一般选取并联运行逆变器中容量最大的采用电压/频率控制方式。
[0031]本发明所提供的适用于分布式逆变系统的孤岛保护与故障穿越协调运行方法，可很好地协调分布式逆变系统的孤岛保护和故障穿越两种控制功能，不仅可以实现本地可再生能源对配电网的效益最大化，同时在保证供电安全性的前提下，极大地提高系统的供电可靠性，有利于配电网中基于可再生能源的分布式逆变系统高比例并网。
【附图说明】
[0032]本发明有如下附图:
[0033]图1为本发明的分布式逆变系统运行状态变化示意图。
[0034]图2为本发明的分布式逆变系统运行区域示意图。
[0035]图3为本发明的流程示意图。
【具体实施方式】
[0036]以下结合附图1一3对本发明作进一步详细说明。
[0037]1、如图1所示，将分布式逆变系统的运行状态划分为:正常运行、故障穿越运行、短期孤岛运行和停机运行四种，分别用1、I1、II1、IV表示；
[0038]2、按PCC处的电压和频率的量测值VP。。和f，将分布式逆变系统的运行区域划分为图2所示的正常运行区域A、故障穿越运行区域(低压穿越区域B和高压穿越区域C)、非运行区域D，具体方法如下:
[0039]I)若Vpcc满足Vn<Vpcc^Vhi且f满足fi<f<fh，则将该电压、频率范围形成的运行区域定义为正常运行区域，用A表示，简称区域A;
[0040]2)若Vpcc满足Vi2<Vpcc^Vn且f满足fi<f<fh，则将该电压、频率范围形成的运行区域定义为低压穿越区域，用B表示，简称区域B;
[0041 ] 3)若Vpcc满足Vhi<Vpcc^Vh2且f满足fi<f<fh，则将该电压、频率范围形成的运行区域定义为高压穿越区域，用C表示，简称区域C;
[0042]将低压穿越区域和高压穿越区域统称为故障穿越区域，通常所述的故障穿越指低压穿越，这里为考虑所有可能出现的情况，包括了高压穿越；
[0043]4)若Vpcc满足Vpcc>Vh2或Vpcc<Vi2、或f满足f<fi或f>fh，则将该电压、频率范围形成的运行区域定义为非运行区域，用D表示，简称区域D;
[0044]其中，Vh2和VhAIU为区域C(高压穿越区域)电压的上下限值，V11和V12分别为区域B(低压穿越区域)电压的上下限值，fdPfi分别为区域A、B和C的频率的上下限值，且根据现有分布式发电并网准则，所述Vh2、Vh1、Vn、Vi2、fh和fi的标么值可取Vn = 0.9、Vi2 = 0、Vhi = l.l、Vh2 = 1.2、fi = 0.986、fh=1.01。
[0045]3、如图3所示，检测PCC处电压VP。。和频率f，根据PCC处量测值￥[)。。和f的变化情况，判断分布式逆变系统所在运行区域(即运行区域判断)，进行孤岛保护与故障穿越的协调控制，具体判断方法如下:
[0046]i)若PCC处的VP。。和f在区域A，分布式逆变系统的运行状态为I，分布式逆变系统并网运行，采用正常控制方式，；
[0047]ii)若PCC处的VP。。和f在区域B或C，则启动计时计算故障持续时间t，同时切换分布式逆变系统的控制方式为故障穿越控制，分布式逆变系统进入故障穿越运行状态，即运行状态为IK通常情况下，是由I转到II);
[0048]同时，实时监测PCC处的Vpcc和f的变化情况，判断在允许的最大故障持续时间tFRT(tFRT为一定故障程度下所规定的最大故障持续时间，具体取值根据相关故障穿越准则和孤岛保护规定选取，如IEEE1547等。)内(即故障持续时间t<tFRT)，PCC处的Vpcc和f是否恢复到区域A:若为是，则切换分布式逆变系统的控制方式为正常控制，即运行状态由II转到I;若为否，即PCC处的VP。。和f仍在区域B或C，则对分布式逆变系统继续进行故障穿越控制，即运行状态保持为II;当故障持续时间t^tFRT时，PCC处的Vpcc和f仍在区域B或C，则根据分布式逆变系统与本地负荷的功率供需关系，判断分布式逆变系统是否满足孤岛运行条件:若为是，则分布式逆变系统从电网解列，切换控制方式为电压/频率控制，分布式逆变系统运行状态由II转到III，当电网恢复正常运行时，分布式逆变系统恢复并网运行，运行状态由III转到I;若为否，则分布式逆变系统进入孤岛保护状态即运行状态由II转到IV，分布式逆变系统从电网解列，停止运行。
[0049]其中:
[0050]I)分布式逆变系统的孤岛运行条件为:分布式逆变系统与本地负荷之间需满足供需功率平衡，主要包括两种可能的情况:
[0051 ] a.Pinv>Pi，此时需对分布式逆变系统采取一定的功率削减策略，使供需平衡；
[0052]b.Pinv<Pi，但通过对本地负荷进行一定的切负荷控制后可满足供需平衡；
[0053]其中，Pinv为分布式逆变系统的发电功率，P1为本地负荷功率。
[0054]2)当所述分布式逆变系统的运行状态为III时，若所述分布式逆变系统为多逆变器并联运行，则所述分布式逆变系统中并联运行的所述多逆变器中至少须有一台逆变器采用电压/频率控制方式为孤岛系统提供电压/频率支撑;一般选取并联运行逆变器中容量最大的采用电压/频率控制方式。
[0055]iii)若PCC处的VP。。和f在区域D，则分布式逆变系统的运行状态为IV，通常情况下为由I转到IV，即分布式逆变系统从电网解列，停止运行。
[0056]本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1.一种适用于分布式逆变系统的孤岛保护与故障穿越协调运行方法，其特征在于:该方法是根据PCC处的电压VP。。和频率f的量测值的变化情况，协调分布式逆变系统的孤岛保护和故障穿越两种控制功能:在配电网发生故障时，分布式逆变系统优先通过故障穿越为配电网提供一定的电压/频率支撑;在所述分布式逆变系统无法实现所述故障穿越时，在满足孤岛运行条件的情况下，所述分布式逆变系统通过短期孤岛运行为本地负荷持续供电；只有在前述条件都不满足的情况下，所述分布式逆变系统才从配电网解列，停止供电。2.如权利要求1所述的分布式逆变系统的孤岛保护与故障穿越协调运行方法，其特征在于:所述分布式逆变系统的孤岛保护与故障穿越协调运行方法包括如下步骤: 检测所述PCC处的电压Vpcc和频率f， 若所述PCC处的电压Vpcc和频率f在正常运行区域A，此时配电网正常运行，所述分布式逆变系统的运行状态为I;所述I为所述分布式逆变系统并网运行，采用正常控制方式； 若所述PCC处的电压VP。。和频率f在故障穿越区域B或C，此时配电网发生故障，所述分布式逆变系统的运行状态为II，所述II为所述分布式逆变系统采用故障穿越控制方式，同时启动计时计算故障持续时间t;所述故障穿越区域B为低压故障穿越区域，所述故障穿越区域C为高压故障穿越区域； 若所述PCC处的电压VP。。和频率f在非运行区域D，此时配电网发生故障，所述分布式逆变系统的运行状态为IV，所述IV为分布式逆变系统从配电网解列，停止运行； 当所述分布式逆变系统的运行状态为II时，实时监测所述PCC处的电压VP。。和频率f的变化情况，判断当所述故障持续时间t小于允许的最大故障持续时间tFRT时，所述PCC处的电压VP。。和频率f是否恢复到所述正常运行区域A:若为是，则切换所述分布式逆变系统的运行状态由II转到I;若为否，即所述PCC处的VP。。和f仍在故障穿越区域B或C，则所述分布式逆变系统的运行状态继续保持为II; 当所述故障持续时间t大于或等于允许的最大故障持续时间tFRT时，所述PCC处的Vpcc^Pf仍在故障穿越区域B或C，则根据所述分布式逆变系统与本地负荷的功率供需关系，判断所述分布式逆变系统是否满足孤岛运行条件:若为是，则所述分布式逆变系统的运行状态由II转到III，所述III为所述短期孤岛运行状态，即所述分布式逆变系统从配电网解列，采用电压/频率控制方式，为本地负荷持续供电。当所述PCC处的Vpc^Pf恢复至正常运行区域A时，所述分布式逆变系统运行状态由III转到I;若为否，则所述分布式逆变系统运行状态由II转到IV。3.如权利要求2所述的分布式逆变系统的孤岛保护与故障穿越协调运行方法，其特征在于: 当所述分布式逆变系统的运行状态为III时，若所述分布式逆变系统为多逆变器并联运行，则所述分布式逆变系统中并联运行的所述多逆变器中至少须有一台逆变器采用电压/频率控制方式为孤岛系统提供电压/频率支撑。4.如权利要求2所述的分布式逆变系统的孤岛保护与故障穿越协调运行方法，其特征在于: 所述孤岛运行条件为:所述分布式逆变系统与本地负荷之间需满足供需功率平衡，且可为孤岛系统提供电压/频率支撑。5.如权利要求4所述的分布式逆变系统的孤岛保护与故障穿越协调运行方法，其特征在于: 所述孤岛运行条件中的所述供需功率平衡包括如下两种情况: a.Pinv^Pi，此时需对分布式逆变系统采取一定的功率削减策略，使供需平衡； b.PinvSP1，但通过对本地负荷进行一定的切负荷控制后可满足供需平衡； 其中，Pirw为分布式逆变系统的发电功率，Pi为本地负荷功率。6.如权利要求2所述的分布式逆变系统的孤岛保护与故障穿越协调运行方法，其特征在于: 所述正常运行区域A为Vpcc满足Vii<Vpcc<Vhi且f满足fi<f彡fh; 所述低压故障穿越区域B为VP。。满足ViKVpcc^Vn且f满足fi<f<fh; 所述高压故障穿越区域C为Vp。。满足Vhl<Vpcx^Vh2且f满足fi<f彡fh; 所述非运行区域D为Vpcc满足Vpcc>Vh2或Vpcc<Vi2、或f满足f<fi或f>fh; 所述Vh2和Vhl分别为所述高压穿越区域C电压的上下限值，V11和V12分别为所述低压穿越区域B电压的上下限值，所述fdPfi分别为所述正常运行区域A、低压穿越区域B和高压穿越区域C的频率的上下限值。7.如权利要求6所述的分布式逆变系统的孤岛保护与故障穿越协调运行方法，其特征在于: 所述 Vh2、Vh1、Vi1、Vi2、fh 和 fi 的标幺值分别为 Vii = 0.9； Vi2 = O; Vhi = 1.1； Vh2= .1.2；fi =.0.986；fh=l.0l0
【文档编号】H02J3/38GK105914786SQ201610322547
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】叶林, 苗丽芳, 张亚丽, 赵永宁
【申请人】中国农业大学