CN106226623B - 一种孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种孤岛检测方法，包括以下步骤：(1)在微电网实际运行时，在变换器的输出电压上，至少分别叠加第一频率谐波电压与第二频率谐波电压，检测微电网和电网的连接点的第一电流与第二电流；(2)如果第一电流大于或等于第一检测阈值且第二电流大于或等于第二检测阈值，微电网通过断路器断开与电网的连接，进入孤岛运行；否则执行步骤(1)。本发明提供的孤岛检测方法，根据微电网所接入的电网的变压器的参数获得电网等效阻抗，实现对微电网系统特征的精确定量分析；通过定量分析微电网系统的阻抗特性，准确选择判断孤岛的电流检测阀值；通过多个干扰信号的加入，降低负载端对孤岛检测的影响，提高了检测孤岛状态的精度。

Description

一种孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及微电网保护与控制领域，具体涉及一种用于孤岛检测方法。

背景技术

孤岛是微电网系统的一种特殊故障状态，进入孤岛运行后，容易对配网端和用户端的设备造成危害，甚至危及人身安全。

反孤岛是微电网的重要要求，即能够快速检测孤岛效应并快速与电网切离，其中的难点就是快速、准确的检测出孤岛现象。

孤岛检测的方法包括被动法和主动法，前者主要通过检测基波电压的幅值、频率、谐波含量、功率变化等状态量进行判断，存在检测盲区较大或检测时间较长等问题；后者主要通过向电网注入一定的干扰信号，通过检测反馈信息来进行判断，检测速度较快，但要通过变换器实现。

一种光伏和储能系统输出端并联后再逆变的微电网，其等效电路如图1所示，图中SW1的通断分别表示并网状态和孤岛状态。可看出微电网通过单一逆变器和电网连接，具备采用主动法检测孤岛的条件。

主动孤岛检测法在逆变器的输出信号中加入频率偏移、功率扰动等扰动信号，当逆变器并网时，扰动信号几乎不起作用；一旦进入孤岛状态，扰动信号会使电压、频率、相位等出现明显的变化。但容易导致输出功率的波动，造成输出谐波含量增加，易受负载跳变的干扰，有的方法存在检测盲区，影响反孤岛的速度和精度。若在逆变器的输出信号中加入谐波信号，这种方法通常建立在定性分析的基础上，检测阀值不容易确定，会带来检测盲区较大或结果受电网干扰较大的问题。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种孤岛检测方法，通过定量分析系统特征，获得谐波信号的频率和检测阀值，能够更准确地检测孤岛状态。

由于低压配电网的等效阻抗难以确定，根据微电网所接入的电网的变压器的参数获得电网等效阻抗，实现对微电网系统特征的精确定量分析；通过定量分析微电网系统的阻抗特性，准确选择判断孤岛的电流检测阀值；通过多个干扰信号的加入，降低负载端对孤岛检测的影响，提高了检测孤岛状态的精度。

本发明提供一种孤岛检测方法，孤岛检测方法包括以下步骤：

(1)在微电网实际运行时，在变换器的输出电压上，至少分别叠加第一频率谐波电压与第二频率谐波电压，检测微电网和电网的连接点的第一电流与第二电流；

(2)如果第一电流大于或等于第一检测阈值且第二电流大于或等于第二检测阈值，微电网通过断路器断开与电网的连接，进入孤岛运行；否则执行步骤(1)。

进一步地，第一频率与第二频率的选择方法包括以下步骤：

(11)建立微电网系统的等效电路；

(12)根据等效电路，获得并网状态和孤岛状态的传递函数；

(13)获取孤岛状态的电流大于并网状态的电流的取值范围；

(14)所述第一频率与所述第二频率从取值范围中选择。

进一步地，步骤(13)包括以下步骤：

(131)针对设定的负载，分别获得并网状态幅频响应曲线、孤岛状态幅频响应曲线以及其相交区域，相交区域为取值范围。

进一步地，步骤(13)包括以下步骤：

(132)针对不同的负载，分别获得并网状态幅频响应曲线、孤岛状态幅频响应曲线以及其相交区域；

(133)获得针对不同的负载的相交区域的公共区域，公共区域为取值范围。

进一步地，步骤(11)建立微电网系统的等效电路的方法包括以下步骤：

(111)将变换器视为电压源，负载端包括滤波电路、负载以及电网等效阻抗；

(112)根据微电网接入的电网的变压器参数，计算电网的等效阻抗；

(113)将微电网负载和所接入的电网负载以RLC并联电路等效。

进一步地，第一检测阈值的选择方法包括以下步骤：

(21)利用仿真工具建立微电网的仿真模型；

(22)针对不同的负载，在变换器的输出电压上，叠加第一频率谐波电压，分别获得微电网和所接入的电网的连接点的并网状态的电流与孤岛状态的电流；

(23)选择第一检测阈值，第一检测阈值大于所有并网状态的电流且小于所有孤岛状态的电流。

进一步地，孤岛检测方法用于通过单一变换器与电网连接的微电网。

与现有技术相比，本发明提供的孤岛检测方法，具有以下有益效果：

(1)根据微电网所接入的电网的变压器的参数获得电网等效阻抗，实现对微电网系统特征的精确定量分析；

(2)通过定量分析微电网系统的阻抗特性，准确选择判断孤岛的电流检测阀值；

(3)通过多个干扰信号的加入，降低负载端对孤岛检测的影响，提高了检测孤岛状态的精度。

附图说明

图1是集成式光伏微电网的电路图；

图2是微电网接入电网的变压器的等效电路；

图3是将漏抗、铜耗折算到低压侧并省略激磁阻抗的变压器等效电路；

图4是Ipcc/Vinv的幅频响应曲线；

图5是判断孤岛的Ipcc阀值的选择方法的示意图。

具体实施方式

本发明的一个实施例的孤岛检测方法，孤岛检测方法包括以下步骤：

(1)在微电网实际运行时，在变换器的输出电压上，至少分别叠加第一频率谐波电压与第二频率谐波电压，检测微电网和电网的连接点的第一电流与第二电流；

(2)如果第一电流大于或等于第一检测阈值且第二电流大于或等于第二检测阈值，微电网通过断路器断开与电网的连接，进入孤岛运行；否则执行步骤(1)。

第一频率与第二频率的选择方法包括以下步骤：

(11)建立微电网系统的等效电路；

(12)根据等效电路，获得并网状态和孤岛状态的传递函数；

(13)获取孤岛状态的电流大于并网状态的电流的取值范围；

(14)所述第一频率与所述第二频率从取值范围中选择。

本实施例中的微电网为集成式光伏微电网，其电路图如图1所示，用于从图1中可以看出，通过单一变换器与电网连接，具备采用本实施例的孤岛检测方法的条件。

步骤(11)建立微电网系统的等效电路的方法包括以下步骤：

(111)将变换器视为电压源，负载端包括滤波电路、负载以及电网等效阻抗；

(112)根据微电网接入的电网的变压器参数，计算电网的等效阻抗；

(113)将微电网负载和所接入的电网负载以RLC并联电路等效。

其中，L1、R1、Cf、Rf、L2、R2为步骤(111)中的滤波电路，Rl、Cl、Ll并联电路为步骤(113)中的微电网负载和所接入的电网负载的等效电路，Rl由有功损耗决定，Ll和Cl根据品质因数(Qf)决定；Tr为所接入的电网的变压器，Vs为所接入的电网电压。

微电网接入电网的变压器Tr的等效电路，如图2所示，R1、L1是高压侧铜耗和漏抗，R2、L2是低压侧铜耗和漏抗，Rm、Lm是激磁阻抗。

将漏抗R1、铜耗L1折算到低压侧，并省略激磁阻抗Rm、Lm，变压器Tr等效电路如图3所示，其中：

Rs＝R1(N2/N1)²+R2，

Ls＝L1(N2/N1)²+L2，

Rs为所接入的电网的等效电阻、Ls为所接入的电网的等效电感，Vs(N2/N1)为所接入的电网等效电压。

步骤(12)根据等效电路，获得并网状态和孤岛状态的传递函数，具体地，取变换器的输出电压Vinv作为输入，微电网与所接入的电网的连接点PCC的电流Ipcc作为输出，可以得到并网状态和孤岛状态的传递函数，如下所示：

其中：

Zs＝Rs+s·Ls。

步骤(13)获取孤岛状态的电流大于并网状态的电流的取值范围。

步骤(13)包括以下步骤：

(131)针对设定的负载，分别获得并网状态幅频响应曲线、孤岛状态幅频响应曲线以及其相交区域，相交区域为取值范围。

具体地，在一定负载条件下，例如将变换器的输出设置为额定值，获得幅频响应曲线，如图3所示，实线表示在并网状态的幅频响应曲线，虚线表示孤岛状态的幅频响应曲线。二者的相交区域--阴影部分表示电压幅值在孤岛状态大于在并网状态的区域，也就是Vinv相同时，孤岛状态的Ipcc大于并网状态的Ipcc。

不同的负载会影响幅频响应曲线，这也是现有技术中检测孤岛状态的结果受电网干扰较大的原因。为了减小不同的负载对于检测孤岛状态的结果的影响，步骤(13)包括以下步骤：

(132)针对不同的负载，分别获得并网状态幅频响应曲线、孤岛状态幅频响应曲线以及其相交区域；

(133)获得针对不同的负载的相交区域的公共区域，公共区域为取值范围。

获得针对不同的负载的相交区域的公共区域，这样，进一步减小了不同负载对第一频率与第二频率选取的影响，提高检测孤岛状态的精度。

步骤(14)第一频率与第二频率从取值范围中选择。

具体地，设置品质因数为2.5，以5％的额定负载功率作为步长，从零负载开始，取20种负载状况，画出每种负载状况下的并网状态和孤岛状态的幅频响应曲线及其相交区间，在相交区间的公共部分取两个频率点，即第一频率与第二频率。

本实施例中的孤岛检测方法，根据等效电路获得并网状态和孤岛状态的传递函数，再获取孤岛状态的电流大于并网状态的电流的取值范围，从中选取第一频率与第二频率，也就是通过定量分析系统特征，获得谐波信号的频率，能够更准确地检测孤岛状态。

第一检测阈值的选择方法包括以下步骤：

(21)利用仿真工具建立微电网的仿真模型；

(22)针对不同的负载，在变换器的输出电压上，叠加第一频率谐波电压，分别获得微电网和所接入的电网的连接点的并网状态的电流与孤岛状态的电流；

(23)选择第一检测阈值，第一检测阈值大于所有并网状态的电流且小于所有孤岛状态的电流。

具体地，根据并网状态和孤岛状态的传递函数，利用仿真工具建立微电网的仿真模型，针对不同的负载，在变换器的输出电压上，叠加第一频率谐波电压，分别获得微电网和所接入的电网的连接点的并网状态的电流与孤岛状态的电流；如图4所示，状态1、2、3、…n表示不同负载状态，例如将变换器的输出分别设置为额定值、额定值的80％、额定值的50％以及额定值的20％，从图5中可以看出，孤岛状态的电流Ipcc位于上方，并网状态的电流Ipcc位于下方，两种状态的电流Ipcc并不相交，因此可以将孤岛检测的电流阀值设在两组电流值之间，从而准确地判断孤岛状态。

本实施例中的孤岛检测方法，根据等效电路获得并网状态和孤岛状态的传递函数，再针对不同的负载，在变换器的输出电压上，叠加第一频率谐波电压，分别获得微电网和所接入的电网的连接点的并网状态的电流与孤岛状态的电流；也就是通过定量分析系统特征，获得孤岛检测的电流阀值，能够更准确地检测孤岛状态。

第二检测阈值采用同样的方法获得。

当然也可以采用两个以上的频率的谐波信号，例如三个，在取值范围内选择三个频率点，并相应选择三个检测阈值，能够准确地检测孤岛状态。

本发明充分利用了微电网系统本身的传输特性，干扰谐波的注入更符合电网阻抗特性，检测阀值的设定更准确，并可达到检测无盲区的效果；由于被检测量是谐波电流，检测时间可控制在一个工频周波内，而其它检测基波含量的方法，检测时间多大于1个周波；由于采用了多个检测点，减小了电网干扰对检测结果的影响。检测精度和速度的提高，对保障用电安全，推动分布式发电系统的应用具有积极意义。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种孤岛检测方法，其特征在于，所述孤岛检测方法包括以下步骤：

(1)在微电网实际运行时，在变换器的输出电压上，至少分别叠加第一频率谐波电压与第二频率谐波电压，检测微电网和电网的连接点的第一电流与第二电流；

(2)如果第一电流大于或等于第一检测阈值且第二电流大于或等于第二检测阈值，微电网通过断路器断开与电网的连接，进入孤岛运行；否则执行步骤(1)；所述孤岛检测方法用于通过单一变换器与电网连接的微电网；

其中，所述第一频率与所述第二频率的选择方法包括以下步骤：

(11)建立微电网系统的等效电路；

(12)根据等效电路，获得并网状态和孤岛状态的传递函数；

(13)获取孤岛状态的电流大于并网状态的电流的取值范围；

(14)所述第一频率与所述第二频率从(13)中获取的电流的取值范围相对应的频率中选择。

2.如权利要求1所述的孤岛检测方法，其特征在于，步骤(13)包括以下步骤：(131)针对设定的负载，分别获得并网状态幅频响应曲线、孤岛状态幅频响应曲线以及其相交区域，所述相交区域为所述取值范围。

3.如权利要求1所述的孤岛检测方法，其特征在于，步骤(13)后还包括以下步骤：

(132)针对不同的负载，分别获得并网状态幅频响应曲线、孤岛状态幅频响应曲线以及其相交区域；

(133)获得针对不同的负载的相交区域的公共区域，所述公共区域为所述取值范围。

4.如权利要求1所述的孤岛检测方法，其特征在于，步骤(11)建立微电网系统的等效电路的方法包括以下步骤：

(111)将变换器视为电压源，负载端包括滤波电路、负载以及电网等效阻抗；

(112)根据微电网接入的电网的变压器参数，计算电网的等效阻抗；

(113)将微电网负载和所接入的电网负载以RLC并联电路等效。

5.如权利要求1所述的孤岛检测方法，其特征在于，所述第一检测阈值的选择方法包括以下步骤：

(21)利用仿真工具建立微电网的仿真模型；

(22)针对不同的负载，在变换器的输出电压上，叠加第一频率谐波电压，分别获得微电网和所接入的电网的连接点的并网状态的电流与孤岛状态的电流；

(23)选择所述第一检测阈值，所述第一检测阈值大于所有并网状态的电流且小于所有孤岛状态的电流。

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