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分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法

阅读：484发布：2020-05-12

专利汇可以提供分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法。本发明采用电压相位突变检测法与改进型主动电流扰动法相结合进行检测；所述的两种方法分别作为独立的检测模块，电压相位突变检测法主要针对本地负载呈电抗性的情况，改进型主动电流扰动法检测负载呈纯阻性或负载阻抗角 |φ| 输出电压的变化情况，然后施加与电压变化方向相同的扰动，使电流扰动不会存在孤岛检测中失效的情况。本发明在电网失压时能够有效的检测出孤岛的发生，避免了孤岛效应给系统设备和相关人员带来的安全隐患。，下面是分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法，其特征在于，采用电压相位突变检测法与改进型主动电流扰动法相结合进行检测；
所述的两种方法分别作为独立的检测模块，电压相位突变检测法主要针对本地负载呈电抗性的情况，改进型主动电流扰动法检测负载呈纯阻性或负载阻抗角|φ|<3.6°时的孤岛情况；
所述的改进型主动电流扰动法，其在加周期性的扰动之前，首先判断输出电压的变化情况，然后施加与电压变化方向相同的扰动，使电流扰动不会存在孤岛检测中失效的情况。
2.根据权利要求1所述的分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法，其特征在于，所述的改进型主动电流扰动法，在不加扰动时，输出电流跟随给定电流ig，即与电网同频同相的正弦信号，则逆变器输出电流io＝ig，添加扰动信号igd之后，逆变器输出电流为：
io＝ig+igd＝(Ig+Id)sin wt，
式中：Ig为电流给定幅值；Id为周期性扰动信号的幅值；w为电网角频率；t为时间；
式中：UO(k)为本周期逆变器输出电压最大幅值；UO(k-1)为上一个周期逆变器输出最大幅值；设检测阀值范围为(0.88-1.10)Un，Un为电网额定电压幅值。
3.根据权利要求1或2所述的分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法，其特征在于，所述的电压相位突变检测法，只需要检测逆变器输出电流和端电压的相位误差，若超过相位阈值则关断逆变器。
4.根据权利要求3所述的分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法，其特征在于，所述的电压相位突变检测法中，设定的相位阀值为3.6°。
5.根据权利要求1或2所述的分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法，其特征在于，按检测位置分为电网侧的远程检测法和逆变器端检测法。
6.根据权利要求1或2所述的分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法，其特征在于，发生孤岛时，若逆变器输出功率与本地负荷功率不匹配，则逆变器端输出电压和频率会发生很大变化，当超过检测阈值时，电压/频率继电器保护动作检测出孤岛。
7.根据权利要求1或2所述的分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法，其特征在于，发生孤岛时，当逆变器的输出功率与本地负荷功率相匹配时，其断网时输出电压和频率与并网工作时几乎相同，导致电压/频率继电器保护失败，进入检测盲区。
8.根据权利要求1或2所述的分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法，其特征在于，在Matlab仿真环境下对该组合式检测法进行仿真分析，分别在负载电阻呈电抗性和在负载呈纯阻性或负载阻抗角|φ|<3.6°时进行孤岛检测分析；
当负载电阻呈电抗性，运用电压相位突变检测法分别做出感性与容性两种情况下的仿真波形；负载呈纯阻性或负载阻抗角|φ|<3.6°时，用改进型主动电流扰动法做出仿真波形。
9.根据权利要求1或2所述的分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法，其特征在于，所述的电压相位突变检测法，当电压的相位差大于3.6°或者小于-3.6°时，直接检测到孤岛发生，判断系统出现孤岛情况。
10.根据权利要求2所述的分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法，其特征在于，所述的改进型主动电流扰动法，首先进行公共连接点A的电压判断，设置的检测阀值为(0.88-1.10)Um，其中Um为电网额定电压幅值，当A点电压在0.88UmU0(k-1)情况，即当本周期逆变器输出电压最大幅值大于上一个周期逆变器输出电压最大幅值时，开始施加电流扰动；当施加扰动电流Iref＝Ig+Id后，电压超出阀值检测范围出现UA>1.1Um时或者当施加扰动电流Iref＝Ig-Id后，电压出现UA<0.88Um时，判断为孤岛发生。

说明书全文

分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法

技术领域

[0001] 本发明属于分布式电源运行检测技术领域，涉及一种分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法。

背景技术

[0002] 如今能源危机正在加剧，人们对电能需求量的增大以及对电能质量要求的提高，分布式发电系统(DG)应运而生。当分布式发电系统与电网并网运行时，其本身以及整个系统的结构和运行方式都将发生重大变化。当电网的部分线路因故障或维修而停电时，停电线路由所连的并网发电装置继续供电，并连同周围负载构成一个自给供电的孤岛现象，这种现象叫做DG的孤岛效应。孤岛一旦产生，将会带来很多问题：电能质量下降，孤岛小系统内功率不平衡，频率和电压都发生变化，很难保证电能质量；危及电网输电线路上维修人员的安全，因为一般认为主电网断开后系统将不会带电；影响自动重合闸，形成孤岛运行后，分布式电源可能仍对跳闸线路的另一端供电，造成检无压重合闸失败，或因孤岛与主系统失步，检同期合闸失败，从而引起不必要的停电。

[0003] 因此，当孤岛效应发生的时候，需要对其进行检测并采取保护措施，检测出孤岛的发生并对孤岛运行状态进行控制，使危害降低为最小，再根据具体情况控制计划孤岛运行或断开分布式发电装置阻止非计划孤岛的运行。

[0004] 孤岛效应与孤岛检测方法的研究是保证新式电力系统安全稳定可靠运行的关键问题，因此也就成为分布式发电技术的一个重要研究方向。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，其在分析逆变器端被动式检测方法中电压相位突变监测方法的基础上，提供一种基于电压相位突变检测与改进型主动电流扰动法相结合的分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法。

[0006] 为此，本发明采用如下的技术方案：分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法，其采用电压相位突变检测法与改进型主动电流扰动法相结合进行检测；

[0007] 所述的两种方法分别作为独立的检测模块，电压相位突变检测法主要针对本地负载呈电抗性的情况，改进型主动电流扰动法检测负载呈纯阻性或负载阻抗角时的孤岛情况；

[0008] 所述的改进型主动电流扰动法，其在加周期性的扰动之前，首先判断输出电压的变化情况，然后施加与电压变化方向相同的扰动，使电流扰动不会存在孤岛检测中失效的情况。

[0009] 电压相位突变检测法具有检测速度快、不影响系统输出的电能质量，但存在检测盲区，改进型主动电流检测法只有在扰动周期到来的情况下才能检测出孤岛，二者组合式检测法理论上兼顾了两者优点，克服了各自的不足。

[0010] 进一步地，所述的改进型主动电流扰动法，在不加扰动时，输出电流跟随给定电流ig，即与电网同频同相的正弦信号，则逆变器输出电流io＝ig，添加扰动信号igd之后，逆变器输出电流为：

[0011] io＝ig+igd＝(Ig+Id)sinwt，

[0012] 式中：Ig为电流给定幅值；Id为周期性扰动信号的幅值；w为电网角频率；t为时间；

[0013]

[0014] 式中：UO(k)为本周期逆变器输出电压最大幅值；UO(k-1)为上一个周期逆变器输出最大幅值；设检测阀值范围为(0.88-1.10)Un，Un为电网额定电压幅值。

[0015] 进一步地，所述的电压相位突变检测法，只需要检测逆变器输出电流和端电压的相位误差，若超过相位阈值则关断逆变器，不影响电能质量和系统的暂态响应。缺点是电压相位突变检测法很能难提供可靠的孤岛检测阀值。

[0016] 进一步地，所述的电压相位突变检测法中，设定的相位阀值为3.6°。

[0017] 进一步地，按检测位置分为电网侧的远程检测法和逆变器端检测法。

[0018] 进一步地，发生孤岛时，若逆变器输出功率与本地负荷功率不匹配，则逆变器端输出电压和频率会发生很大变化，当超过检测阈值时，电压/频率继电器保护动作检测出孤岛。

[0019] 进一步地，发生孤岛时，当逆变器的输出功率与本地负荷功率相匹配时，其断网时输出电压和频率与并网工作时几乎相同，导致电压/频率继电器保护失败，进入检测盲区。

[0020] 进一步地，在Matlab仿真环境下对该组合式检测法进行仿真分析，分别在负载电阻呈电抗性和在负载呈纯阻性或负载阻抗角时进行孤岛检测分析；

[0021] 当负载电阻呈电抗性，运用电压相位突变检测法分别做出感性与容性两种情况下的仿真波形；负载呈纯阻性或负载阻抗角时，用改进型主动电流扰动法做出仿真波形。

[0022] 仿真结果表明，在负载电阻呈电抗性时，电压相位突变检测能快速地检测孤岛的发生；而当负载呈电阻性时，则利用改进型主动电流扰动法检测出孤岛现象，在多个并网发电系统并联运行的情况下也能实现无盲区检测。

[0023] 进一步地，所述的电压相位突变检测法，当电压的相位差大于3.6°或者小于-3.6°时，直接检测到孤岛发生，判断系统出现了孤岛情况。

[0024] 进一步地，所述的改进型主动电流扰动法，首先进行公共连接点A的电压判断，设置的检测阀值为(0.88-1.10)Um，其中Um为电网额定电压幅值，当A点电压在0.88UmU0(k-1)情况，即当本周期逆变器输出电压最大幅值大于上一个周期逆变器输出电压最大幅值时，开始施加电流扰动；当施加扰动电流Iref＝Ig+Id后，电压超出阀值检测范围出现UA>1.1Um时或者当施加扰动电流Iref＝Ig-Id后，电压出现UA<0.88Um时，判断为孤岛发生。

[0025] 本发明在电网失压时能够有效的检测出孤岛的发生，避免了孤岛效应给系统设备和相关人员带来的安全隐患。附图说明

[0026] 图1为现有分布式电源孤岛检测方法的分类图；

[0027] 图2为现有孤岛效应监测原理图(即基于逆变器侧的孤岛检测电路图)；

[0028] 图3为现有电压相位突变检测原理图；

[0029] 图4为现有主动电流扰动法控制原理图；

[0030] 图5为本发明组合式孤岛检测方法的流程图；

[0031] 图6为本发明感性负载情况下的仿真波形图；

[0032] 图7为本发明容性负载情况下的仿真波形图；

[0033] 图8为本发明P>PL时的仿真波形图；

[0034] 图9为本发明P

具体实施方式

[0035] 本实施例提供一种基于电压相位突变检测与改进型主动电流扰动法相结合的分布式电源并网模式下防孤岛的运行检测方法。下面对本发明方法的形成过程作如下说明。

[0036] (1)分布式电源孤岛的检测方法

[0037] 孤岛检测方法按检测位置可分为两类：电网侧的远程检测法和逆变器端检测法，逆变器端检测法又可分为被动式检测法和主动式检测法，具体见图1。被动式检测方法是指通过直接测量分布式发电系统的输出功率的变化或PCC处电压或频率的变化来判断孤岛情况的，这类方法实现简单，不会影响电能质量，但是存在较大的检测盲区。主动式检测方法是通过对分布式发电系统的输出产生一个小的扰动，当分布式发电系统与电网正常并网运行时，小扰动对系统不足以产生影响；当孤岛产生时,主动产生的小扰动将会造成孤岛状态大的变化。即使在分布式发电系统输出功率与负载需求功率完全匹配的情况下,也会通过外部施加的扰动破坏系统平衡，造成系统电压、频率明显变动，从而检测出“孤岛”的存在，这类方法减小了检测盲区，但需要向并网电流注入扰动，可能会降低输出电能质量。

[0038] (2)孤岛效应的检测原理

[0039] 图2为基于逆变器侧的孤岛检测电路图，发生孤岛时，若逆变器输出功率与本地负荷功率不匹配，则逆变器端输出电压和频率会发生很大变化，当超过检测阈值时，电压/频率继电器保护动作检测出孤岛，这种情况比较简单。对于逆变器输出功率与本地负荷功率相匹配，分析如下：

[0040] 1)断路器开关S2闭合时，本地负荷PLC所消耗的有功功率PL及无功功率QL分别为：

[0041]

[0042] [1/(ωgL)-ωgC]U2＝Q+ΔQ＝QL (2)

[0043] 式中，U为变压器二次侧电压，ωg为电网端电压波形的角频率，L表示用户侧感性负载，C表示用户侧容性负载；R表示用户侧电阻；P和Q表示分布式电源侧提供的有功功率和无功功率；ΔP、ΔQ表示电网侧提供的有功功率和无功功率。

[0044] 2)断路器开关S2断开工作时，此时功率平衡方程式为：

[0045]

[0046] [1/(ωinvL)-ωinvC]UA2＝Q＝QL1 (4)

[0047] 式中UA为公共连接点A的输出电压，ωinv为逆变器端输出电压波形的角频率。

[0048] 联立(1)和(3)式得：

[0049]

[0050] 联立(2)和(4)式得：

[0051]

[0052] 式中：QC＝ωgCU，为电容C的无功功率。

[0053] 联立(5)式和(6)式可得：

[0054]

[0055] 当断路器开关S1断开时，并网逆变器输出的功率几乎全部提供给本地负荷，即ΔP＝0，ΔQ＝0，将其带入式(7)，可得到：

[0056]

[0057] 对式8进行求解：ωg＝ωinv，将ΔP＝0带入式(5)得U＝UA。

[0058] 由上可知，当逆变器的输出功率与本地负荷功率相匹配时，其断网时输出电压和频率与并网工作时几乎相同，导致电压/频率继电器保护失败，进入检测盲区。

[0059] (3)电压相位突变检测法

[0060] 电压相位突变检测法是监测逆变器输出端电压和电流之间的相位是否发生突变，若发生突变且超过设定阀值，则可以检测到孤岛。正常工作时，电流源型逆变器检测到电压过零点，使输出波形与系统电压同步，如图3所示。电压源型逆变器正好相反。

[0061] 对于电流源型逆变器与电网断开后，逆变器端电压不再被电网电压所固定，而逆变器的电流由于锁相环的作用是固定的，只有在过零点时输出电流和端电压是同步的。在过零点之间，逆变器工作在开环状态，由于电流频率没有发生变化，负载相位必然与电网断开前相同，因此电压必须跳到新的相位。在下一个过零点，“新”电压和逆变器输出电流之间的相位差即可用来检测孤岛。此方法的优点是易于实现，只需要检测逆变器输出电流和端电压的相位误差，若超过阈值则关断逆变器。既不影响电能质量也不影响系统的暂态响应。而且对于具有多台逆变器的DG系统，孤岛检测的效果也不会减弱。缺点是PJD很难提供可靠的孤岛检测阈值。某些负荷启动时，尤其是电动机，可能会产生大幅度瞬间相位突变，阈值过低将会导致逆变器误动作。

[0062] (4)改进型主动电流扰动法

[0063] 主动电流扰动法是针对电流型并网系统而提出的一种简单易行的主动型孤岛效应检测方法。该方法通过对逆变器输出电流的幅值周期性地扰动，在电网断电时影响公共节点的电压，使其超出过电压/欠电压保护阈值，从而检测出孤岛。其控制原理框图如图4所示。

[0064] 主动电流扰动法的主要优点是控制简单，实现方便，对电网无谐波污染，但其对并网系统的输出效率有较大的影响。若孤岛时刻负载有功需求恰好与扰动输出有功需求相匹配，则孤岛检测失败。同时，在连接有多台并网逆变器的系统中，即使所有并网逆变器都采用该方案，也会产生稀释效应，最终使公共点的电压变化很小，不足以被检测到，从而导致检测失败。为此，下面介绍一种改进型主动电流扰动方案。

[0065] 改进的检测算法是：在加周期性的扰动之前，首先判断输出电压的变化情况，然后施加与电压变化方向相同的扰动。在不加扰动时，输出电流跟随给定电流ig(与电网同频同相的正弦信号)，则逆变器输出电流io＝ig，添加扰动信号igd之后，逆变器输出电流为：

[0066] io＝ig+igd＝(Ig+Id)sin wt (9)

[0067] 式中：Ig为电流给定幅值；Id为周期性扰动信号的幅值；w为电网角频率。

[0068]

[0069] 式中：UO(k)为本周期逆变器输出电压最大幅值；UO(k-1)为上一个周期逆变器输出最大幅值。设检测阀值范围为(0.88-1.10)Un(其中，Un为电网额定电压幅值)。若要实现无盲区检测，则常规的主动电流扰动法由于不判断输出电压的变化方向，其扰动比例至少为0.10+0.12即0.22，则并网时对进网功率的变化比例为0.22。而改进后的方案，扰动比例为
0.12，于是，并网时对进网功率的变化比例为0.12。

[0070] 从以上分析可以看出：这种控制方法不会存在孤岛检测中失效的情况，所需要的扰动量较小，对进网功率的影响较小。同时，对于多个分布式发电系统并联的情况，也能够作到扰动一致，使耦合点端电压向相同的方向变化，从而快速准确地检测出孤岛的发生。

[0071] (5)组合式检测法，即本发明的方法

[0072] 电压相位突变检测法具有检测速度快、算法简单，不影响系统输出的电能质量，当负载阻抗角接近0°即负载近似呈阻性时,该方法失效。改进型主动电流扰动法虽然能实现无盲区检测，但是改进型主动电流检测法只有在扰动周期到来的情况下才能检测出孤岛，由于孤岛检测具有快速性，改进型主动电流扰动检测法不能单独使用，因此提出一种基于电压相位突变检测与改进型主动电流扰动法相结合的组合式检测方法。

[0073] 组合式孤岛检测方法的检测流程如下：

[0074] 左侧为改进型主动电流扰动法检测，右侧为电压相位突变检测，分别作为独立的模块检测。电压相位突变检测主要针对本地负载呈电抗性的情况。IEEE Std 929-2000标准规定，电压频率超出额定频率0.5Hz或低于额定频率0.7Hz时需要进行孤岛保护。本发明中按照0.5Hz折算的相位超前或滞后角度为3.6°，因此电压相位突变检测中设定的相位阀值为3.6°。当电压的相位差大于3.6°或者小于-3.6°时，直接检测到孤岛发生，判断系统出现了孤岛情况，如图5所示。

[0075] 改进型主动电流扰动法，首先进行公共连接点A的电压判断，设置的检测阀值为(0.88-1.10)Um(其中Um为电网额定电压幅值)，当A点电压在0.88UmU0(k-1)情况，即当本周期逆变器输出电压最大幅值大于上一个周期逆变器输出电压最大幅值时，开始施加电流扰动。当施加扰动电流Iref＝Ig+Id后，电压超出阀值检测范围出现UA>1.1Um时或者当施加扰动电流Iref＝Ig-Id后，电压出现UA<0.88Um时，判断为孤岛发生，如图5所示。这种检测方法兼顾了主动与被动式检测两者的有点，克服了各自的不足。该方法整定参数简单容易实现，因此可以广泛应用。

[0076] 为了验证理论分析的正确性，在Matlab仿真环境下对本发明的组合式检测法仿真分析方法进行仿真分析。仿真参数设为：主电路为单相全桥逆变器，滤波电感为1mH，500V直流电源等效分布式电源，电网相电压为220V/50Hz。电压阀值设为最低88％Un即273.6V，最高阀值设为110％Un即342.1V。其中：Un为正常电网电压幅值311V；扰动比例取0.15；仿真时间为0.5s。

[0077] 在负载电阻呈电抗性时，可以分感性与容性两种情况进行讨论。在感性负载情况下，设置系统在0.04s时孤岛发生，其仿真波形如图6所示。从图6可见：A点电压在0.058s处提前正向过0°，且相位突变角大于3.6°，从而判断孤岛发生；在容性负载情况下，设置系统在0.06s时孤岛发生，其仿真波形如图7所示。PCC点电压在0.082s处延迟正向过0°，且相位突变角小于-3.6°，同样检测到孤岛现象发生。

[0078] 当负载呈纯阻性或负载阻抗角时，电压突变检测法失效，此时，可通过改进型主动电流法检测出孤岛的发生。针对逆变器输出功率P与负载功率PL的匹配度，分别对P＞PL与P＜PL下两种情况进行验证。图8所示为P＞PL时的仿真波形。由图8可知：电网电压在0.1s处断电，并判断输出电压变化方向是变大，然后施加和电压变化方向相同的扰动，该扰动加强了输出电压的变化。在断网后输出电压幅值变为360V，超出了规定的电压阀值，逆变器在0.38s时检测到孤岛的发生。而对于图9的情况，分析结果类似。

[0079] 由图8和图9可知：在负载电阻呈电抗性时，电压相位突变检测能快速地检测孤岛的发生；而当负载呈电阻性时，则利用改进型主动电流扰动法检测出孤岛现象。本发明的组合式检测法兼顾了两者优点，克服了各自的不足；同时，在多个并网发电系统并联运行的情况下也能实现无盲区检测，因此，本发明的方法具有较大的工程应用价值。

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