基于電壓諧波序分量的孤島檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電壓諧波序分量的孤島檢測方法，該方法利用滑動數(shù)據(jù)窗計算并網(wǎng)逆變器端電壓特定次諧波正負(fù)序分量的變化量|ΔU2(1)|、|ΔU2(2)|、|ΔU4(1)|、|ΔU4(2)|；根據(jù)變化量|ΔU2(1)|、|ΔU2(2)|、|ΔU4(1)|、|ΔU4(2)|來判斷是否發(fā)生孤島。目的在于，在不影響電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的情況下，能夠快速有效地檢測出孤島效應(yīng)。本發(fā)明原理簡單，適用范圍較廣，在各種斷路以及孤島最嚴(yán)重的情況下能夠快速有效地檢測出孤島。
【專利說明】
基于電壓諧波序分量的孤島檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于分布式電源并網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種基于電壓諧波序分量的孤島檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]孤島效應(yīng)指的是在分布式發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)供電因為停電維修或者故障事故而跳閘時，在各個用戶端的分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，未能及時檢測出停電狀態(tài)從而將自身切離市電網(wǎng)絡(luò)，最終形成了由分布電站并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和其相連的負(fù)載組成了一個自給供電的孤島發(fā)電系統(tǒng)。
[0003]孤島效應(yīng)會使一些被認(rèn)為已經(jīng)與所有電源斷開的線路帶電，這會給電網(wǎng)維修人員或者用戶帶來觸電的危險。因此，快速并且有效地檢測出孤島效應(yīng)并將故障切除是很有必要的。
[0004]孤島效應(yīng)有可能會導(dǎo)致故障不能切除，從而導(dǎo)致相應(yīng)電氣設(shè)備的損害，并且干擾電網(wǎng)正常供電系統(tǒng)的自動或手動恢復(fù)。
[0005]在從孤島運行變?yōu)椴⒕W(wǎng)運行時，由于重合閘系統(tǒng)當(dāng)中的分布式發(fā)電裝置可能與電網(wǎng)不同步從而導(dǎo)致電路斷路器裝置受到損壞，還有可能產(chǎn)生較高的沖擊電流，從而危害孤島系統(tǒng)中的設(shè)備，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)重新跳閘。
[0006]孤島效應(yīng)會使電壓及頻率失去控制，如果分布式發(fā)電系統(tǒng)沒有調(diào)節(jié)電壓和頻率的能力，并且沒有電壓和頻率保護(hù)繼電器來限制電壓和頻率的偏移，那么孤島系統(tǒng)中的電壓和頻率必然會產(chǎn)生較大的波動，從而對電網(wǎng)和用戶設(shè)備造成危害。
[0007]目前，孤島檢測方法主要可以分成兩類，即局部孤島檢測方法和基于通信的孤島檢測方法。第一類局部孤島檢測方法是通過監(jiān)控并網(wǎng)發(fā)電裝置的端電壓或者電流信號來實現(xiàn)的。局部孤島檢測方法又可以進(jìn)一步分成被動式和主動式兩種:被動式方法僅根據(jù)并網(wǎng)逆變器輸出的電壓或頻率的異常來判斷孤島的發(fā)生，通常被動式方法存在相對較大的檢測盲區(qū)；而主動式方法則通過向電網(wǎng)注入擾動，并利用該擾動信號引起的系統(tǒng)電壓、頻率以及阻抗等的相應(yīng)變化來判斷孤島的發(fā)生，該方法雖然能夠有效地減少檢測盲區(qū)，但是會對電能質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。
[0008]第二類基于通信的孤島檢測方法主要是利用無線電通信來檢測孤島效應(yīng)，該方法能夠減小檢測盲區(qū)，但是設(shè)計復(fù)雜，并未得到廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提出了一種基于電壓諧波序分量的孤島檢測方法。其目的在于，在不影響電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的情況下，能夠快速有效地檢測出孤島效應(yīng)。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:
[0011]基于電壓諧波序分量的孤島檢測方法，該方法包括以下步驟:
[0012]步驟1:利用滑動數(shù)據(jù)窗計算并網(wǎng)逆變器端電壓特定次諧波正負(fù)序分量的變化量AU2 ⑴ 1、I AU2 ⑵ 1、I AU4⑴ 1、I AU4⑵ I;
[0013]步驟2:根據(jù)變化量IΔυ2(1)|、| Δυ2(2)|、| AU4(1)|、| AU4⑵I來判斷是否發(fā)生孤島:
[0014]當(dāng)I Δ u2(1) 1、I δ u2(2) 1、I Δ U4(1) 1、I Δ U4(2) I 分別小于或等于整定值Usetl、Uset2、Uset3、Uset4時，則未發(fā)生孤島；
[0015]當(dāng)I AU2(1)|>Usetii^ AU2(2)|>Uset2或 I Δ U4(1) I >Uset3或 | Δ 山⑵ I >Uset4時，則孤島發(fā)生。
[0016]所述滑動數(shù)據(jù)窗的長度為20毫秒。
[0017]所述整定值的計算公式為:
[0018]AU2(1)|>Useti = 0.0012Ui
[0019]AU2(2)|>Uset2 = 0.0012Ui
[0020]AU4(1)|>Uset3 = 0.0006Ui
[0021]AU4(2)|>Uset3 = 0.0006Ui
[0022]其中:
[0023]山為基波相電壓有效值；
[0024]U2(1)為2次諧波相電壓正序分量有效值；
[0025]U2⑵為2次諧波相電壓負(fù)序分量有效值；
[0026]U4(1)為4次諧波相電壓正序分量有效值；
[0027]U4⑵為4次諧波相電壓負(fù)序分量有效值；
[0028]Usetl為2次諧波相電壓正序分量整定值；
[0029]Use3t2為2次諧波相電壓負(fù)序分量整定值；
[0030]Uset3為4次諧波相電壓正序分量整定值；
[0031 ]Uset4為4次諧波相電壓負(fù)序分量整定值。
[0032]本發(fā)明基于電壓諧波序分量的孤島檢測方法，主要有以下優(yōu)點:
[0033](I)能夠在IEEE Std.1547.1標(biāo)準(zhǔn)里所定義的孤島最嚴(yán)重的情況下快速并且有效地檢測出孤島效應(yīng)；
[0034](2)不會對并網(wǎng)逆變器輸出電能的質(zhì)量產(chǎn)生影響，并且不會干擾系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)；
[0035](3)不僅適用于三相斷路的孤島檢測情況，對于不對稱斷路情況同樣適用；
[0036](4)對采樣頻率要求較低，易于硬件實現(xiàn)。
[0037]該方法原理簡單，適用范圍較廣，在各種斷路以及孤島最嚴(yán)重的情況下能夠快速有效地檢測出孤島。
【附圖說明】
[0038]圖1為分布式發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)示意圖；
[0039]圖2為反孤島策略動作邏輯圖；
[0040]圖3為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型主電路示意圖；
[0041]圖4為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)運行參數(shù)圖；
[0042]圖4(a)為逆變器輸出電壓波形圖；
[0043]圖4(b)為逆變器輸出電流波形圖；
[0044]圖5為三相斷路對稱故障下發(fā)生孤島，應(yīng)用本發(fā)明的孤島檢測各特征量波形圖；
[0045]圖5(a)為100HzA相電壓正負(fù)序故障分量波形圖:
[0046]圖5(b)為200HzA相電壓正負(fù)序故障分量波形圖；
[0047]圖6為單相斷路故障情況下，應(yīng)用本發(fā)明的孤島檢測各特征量波形圖；
[0048]圖6(a)為100Hz A相電壓正負(fù)序故障分量波形圖:
[0049]圖6(b)為200HzA相電壓正負(fù)序故障分量波形圖；
[0050]圖7為兩相斷路故障情況下，應(yīng)用本發(fā)明的孤島檢測各特征量波形圖；
[0051 ]圖7(a)為100Hz A相電壓正負(fù)序故障分量波形圖:
[0052]圖7(b)為200HzA相電壓正負(fù)序故障分量波形圖。
【具體實施方式】
[0053]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0054]當(dāng)分布式電源與電網(wǎng)相連時，電網(wǎng)可看作為一個容量很大的電壓源，并網(wǎng)逆變器所產(chǎn)生的諧波電流將會流入較低阻抗的電網(wǎng)中，這些較小的諧波電流與較低的電網(wǎng)阻抗在并網(wǎng)逆變器輸出端點的電壓響應(yīng)1^只含少量的諧波，即電壓畸變率接近于零。
[0055]當(dāng)電網(wǎng)供電因為停電維修或者故障事故而斷開后，將會有兩個因素使得1^中諧波的含量增加:
[0056]諧波電流流入阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電網(wǎng)阻抗的負(fù)載中，使Ua產(chǎn)生較大的失真。
[0057]若并網(wǎng)開關(guān)位于變壓器的原邊側(cè)，并網(wǎng)逆變器輸出的電流將流過變壓器的副邊，由于變壓器的其非線性特性及磁滯現(xiàn)象，將會使得變壓器的電壓響應(yīng)產(chǎn)生失真，從而導(dǎo)致了逆變器輸出端電壓1^的諧波含量有所增加。
[0058]當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不同類型的故障時，并網(wǎng)開關(guān)的斷開情況也會有所不同。無論何種斷開情況均可用序網(wǎng)絡(luò)將其等效。
[0059]本方法通過監(jiān)測100Hz、200Hz、的特定頻率信號在正常并網(wǎng)運行和孤島運行時所表現(xiàn)的差異實現(xiàn)了孤島故障的檢測。具體步驟如下:
[0060]首先，利用滑動數(shù)據(jù)窗計算并網(wǎng)逆變器端電壓特定次諧波正負(fù)序分量的變化量AU2 ⑴ 1、I AU2 ⑵ 1、I AU4⑴ 1、I AU4⑵ I;
[0061]設(shè)定的整定值Usetl、Uset2、Uset3、Uset4分別取為0.0OUUh0.0OUUh0.00061^、0.0006ο
[0062]根據(jù)變化量IΔυ2(1)|、| Δυ2(2)|、| Δυ4(1)|、| Δυ4(2)|來判斷是否發(fā)生孤島，判據(jù)如下:
[0063](I)當(dāng) I Δυ2(1)|、| Δυ2(2)|、| AU4(1)|、| AU4(2)| 分別小于或等于整定值 Usetl、Uset2、Uset3、Uset4時，則未發(fā)生孤島；(2)當(dāng) I δ u2(1) I >Usetii^ AU2(2)|>Uset2或 I Δ U4(1) I >Uset3或 I AU4⑵I >Uset4時，則孤島發(fā)生。
[0064]參照圖1、圖2、圖3，PV陣列輸出電壓為600V，逆變裝置選取IGBT三相全橋逆變電路，輸出線電壓為270V，輸出電流1000A，輸出功率為470kW。本地負(fù)載選取三角形接法的RLC并聯(lián)電路進(jìn)行仿真(此時處于孤島最嚴(yán)重的情況)，品質(zhì)因數(shù)取為1.5，1? = 0.465 0，1^ =
0.000987H，C=10268uF。經(jīng)由兩級升壓變壓器將電壓等級升至IlOkV饋送至電網(wǎng)。
[0065]如圖4兩個框圖分別代表光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓(kV)、輸出電流(kA)。系統(tǒng)運行時間為1.2s，孤島故障發(fā)生在t = Is時刻。由圖4可知，在正常運行狀態(tài)以及孤島運行狀態(tài)時，系統(tǒng)的運行參數(shù)基本沒有發(fā)生改變，說明此時處于孤島最嚴(yán)重的情況。應(yīng)用本發(fā)明進(jìn)行檢測，其中采樣頻率為4.8kHz，采樣時間為0.2s (0.9-1.1s)，由于正、負(fù)序分量完全對稱，本發(fā)明僅給出了 A相正負(fù)序故障分量波形，圖5為三相斷路故障情況下，應(yīng)用本發(fā)明的孤島檢測各特征量波形圖:圖5(a)為10Hz A相電壓正負(fù)序故障分量波形圖:圖5(b)為200Hz A相電壓正負(fù)序故障分量波形圖。在正常并網(wǎng)運行狀態(tài)時，各次諧波電壓正負(fù)序故障分量基本為0，當(dāng)發(fā)生孤島故障時(采樣點數(shù)為480)，各次諧波正負(fù)序故障分量沒有發(fā)生變化，經(jīng)過兩個周波(40毫秒，采樣點數(shù)為672)后，100Hz、200Hz電壓正負(fù)序故障分量中正序、負(fù)序分量均大于整定值，與設(shè)定的條件一致，孤島檢測成功。
[0066]圖6為單相斷路故障情況下，應(yīng)用本發(fā)明的孤島檢測各特征量波形圖:圖6(a)為100Hz A相電壓正負(fù)序故障分量波形圖:圖6(b)為200Hz A相電壓正負(fù)序故障分量波形圖。在正常并網(wǎng)運行狀態(tài)時，各次諧波電壓正負(fù)序故障分量基本為0，當(dāng)發(fā)生孤島故障時(采樣點數(shù)為480 )，各次諧波正負(fù)序故障分量沒有發(fā)生變化，經(jīng)過兩個周波(40毫秒，采樣點數(shù)為672)后，100Hz、200Hz電壓正負(fù)序故障分量中正序、負(fù)序分量均大于整定值，與設(shè)定的條件一致，孤島檢測成功。
[0067]圖7為兩相斷路故障情況下，應(yīng)用本發(fā)明的孤島檢測各特征量波形圖:圖7(a)為100Hz A相電壓正負(fù)序故障分量波形圖:圖7(b)為200Hz A相電壓正負(fù)序故障分量波形圖。在正常并網(wǎng)運行狀態(tài)時，各次諧波電壓正負(fù)序故障分量基本為0，當(dāng)發(fā)生孤島故障時(采樣點數(shù)為480 )，各次諧波正負(fù)序故障分量沒有發(fā)生變化，經(jīng)過兩個周波(40毫秒，采樣點數(shù)為672)后，100Hz、200Hz電壓正負(fù)序故障分量中正序、負(fù)序分量均大于整定值，與設(shè)定的條件一致，孤島檢測成功。
[0068]圖5、圖6、圖7表明所提供的基于電壓諧波序分量的孤島檢測方法在不影響電能質(zhì)量的情況下，能夠快速有效地檢測出孤島效應(yīng)，在并網(wǎng)開關(guān)單相以及兩相斷開情況下仍然能夠進(jìn)行判別。能夠?qū)崿F(xiàn)無盲區(qū)孤島檢測。該方法的原理簡單，適用范圍較廣。
[0069]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1.基于電壓諧波序分量的孤島檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:利用滑動數(shù)據(jù)窗計算并網(wǎng)逆變器端電壓特定次諧波正負(fù)序分量的變化量I A U2(1)|、I Δυ2(2)|、I AU4(1)|、I Δυ4(2)| ； 步驟2:根據(jù)變化量I au2(1)|、| au2(2)U au4(1)|、| AU4⑵I來判斷是否發(fā)生孤島: 當(dāng) I Δ u2(1) 1、I Δ U2⑵ 1、I Δ u4(1) 1、I Δ U4⑵ I 分別小于或等于整定值Usetl、Uset2、Uset3、Uset4時，則未發(fā)生孤島；當(dāng) I AU2(1)|>Usetl或 I Δ U2⑵ I >Uset2或 I Δ U4(1) I >Uset3或 I AU4⑵ |>uset4時，則孤島發(fā)生。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電壓諧波突變量的孤島檢測方法，其特征在于，所述滑動數(shù)據(jù)窗的長度為20毫秒。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電壓諧波突變量的孤島檢測方法，其特征在于，所述整定值的計算公式為:AU2(1)|>Useti = 0.0012UiAU2(2)|>Uset2 = 0.0012UiAU4(1)|>Uset3 = 0.0006UiAU4(2)|>Uset3 = 0.0006Ui 其中: 瓜為基波相電壓有效值； U2(1)為2次諧波相電壓正序分量有效值； u2(2)為2次諧波相電壓負(fù)序分量有效值； U4(1)為4次諧波相電壓正序分量有效值； U4(2)為4次諧波相電壓負(fù)序分量有效值； 仏—為2次諧波相電壓正序分量整定值； Use3t2為2次諧波相電壓負(fù)序分量整定值； Uset3為4次諧波相電壓正序分量整定值； Use3t4為4次諧波相電壓負(fù)序分量整定值。
【文檔編號】H02H7/28GK105977936SQ201610292555
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月5日
【發(fā)明人】高淑萍, 李文浩, 羅娟, 楊忠禮, 宋國兵, 付周興
【申請人】西安科技大學(xué)