CN105334390A - 适用于多机集群的外部集中扰动式阻抗测量孤岛检测法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力***分析技术领域，特别是涉及一种适用于多机集群的外部集中扰动式阻抗测量孤岛检测法，其特征在于：首先利用独立外部集中扰动发生装置，生成一定大小和波形的扰动电流信号i_Inj；监测***公共耦合点处电压u_PCC，在***公共耦合点处进行间歇性过零点注入控制，同时将在注入过程中测量采集***公共耦合点处电压u_PCC和扰动电流信号i_Inj的数据经过数据处理后进行测量阻抗特征量计算；根据特征量变化判别孤岛状态。本发明适用于含多逆变器分布式电源***，同时也适用于同步发电机等不含逆变器的电源，提高了阻抗测算准确度，降低了对注入装置直流电压等级的要求，宽频域高频电抗计算放大了孤岛前后特征量差异，具有较高的检测灵敏度和精度。

Description

适用于多机集群的外部集中扰动式阻抗测量孤岛检测法

技术领域

本发明涉及电力***分析技术领域，特别是涉及一种适用于多机集群的外部集中扰动式阻抗测量孤岛检测法。

背景技术

能源高效利用的需求与电力电子技术的发展促使大量的光伏和风电等新能源分布式电源并网，对就近负荷供电。分布式电源(DistributedGenerator，DG)入网后，由于主网故障以及开关误动作等造成DG与就近负荷的非计划性孤岛运行，会危及电网线路维护人员和用户的生命安全；影响孤岛***内设备正常运行以及重合闸动作。所以分布式并网发电***须具备孤岛检测能力。

孤岛检测方法根据是否依赖通信分为远程方法与本地方法。其中本地方法根据工作原理又分为主动式与被动式：被动检测法分析孤岛后由于DG出力与就近负荷不匹配造成保护安装处的电气量变化，有过/欠电压、过/欠频率检测法、相位跳变检测法、电压谐波检测法等，这类方法实现简单，但在分布式电源出力与就近负荷近似匹配时存在检测盲区；主动检测法通常利用逆变器向***注入扰动，测量***孤岛前后响应变化，有阻抗测量法、频率偏移法、Sandia频率偏移法和滑模频率偏移法等，主动检测法能减小或消除检测盲区，但会影响***电能质量甚至造成故障范围扩大。

传统的基于单机逆变器机端扰动的阻抗测量法孤岛检测，依据PCC注入处孤岛前后***阻抗变化判别孤岛运行状态。在含有分布式电源的***中，由于容量差别，主电网的等效阻抗通常比负荷的等效阻抗小得多，使得孤岛状态前后在PCC点测得的***阻抗将发生显著变化，便于准确识别。然而这类方法无法用于多机时存在的扰动相互影响问题，也因其依赖于逆变器扰动控制从而受限于电源类型。

目前经逆变器入网分布式电源孤岛检测的主要研究方向是主动式检测法，以减小或消除检测盲区。然而，随着***向多逆变器、多电源类型并网发展，主动法扰动信号能被放大破坏***稳定和电能质量，也能相互抵消导致孤岛检测失败，存在多机间扰动相互干扰现象，其孤岛检测有效性面临新的挑战，因此需要研究适用于多类型电源、多台并网逆变器集群***的孤岛检测技术。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于外部集中扰动方式的阻抗测量孤岛检测法，利用孤岛前后***公共耦合点(PCC)处测量阻抗特征的差异，采用了含丰富连续频率成分的暂态量短脉冲小电流扰动、间歇性过零点注入控制、宽频域高频电抗计算方法，避免了多机扰动信号相互干扰而失效，提高了检测灵敏度和检测精度，并降低了主动法对***电能质量的影响。在***PCC处装设独立的集中扰动发生装置、本地监测和注入控制***、电压电流数据采集装置及相应的数据处理计算***，并由此测算***测量阻抗特征量并检测判断孤岛运行状态。

为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下：

一种适用于多机集群的外部集中扰动式阻抗测量孤岛检测法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：利用独立外部集中扰动发生装置，生成扰动电流信号i_Inj；

步骤二：监测***公共耦合点处电压u_PCC，进行间歇性过零点注入控制，在注入过程中同时测量并采集***公共耦合点处电压u_PCC和扰动电流信号i_Inj的数据；

步骤三：将采集到的***公共耦合点处电压u_PCC和扰动电流信号i_Inj经过数据处理后进行测量阻抗特征量计算；

步骤四：根据特征量变化判别孤岛状态；

所述步骤A中的扰动发生装置是独立于***的唯一的扰动发生源，扰动的生成和注入不依赖于逆变器，装置出口端接于***公共耦合点处。

所述步骤一中的扰动发生装置由一个耦合电感L_c和一个并网控制开关串联后接入单相全桥逆变电路的并联电路间，负载侧连接一个直流电压源组成；耦合电感L_c的取值由直流电压V_AIE的大小和所需扰动电流信号i_Inj的大小决定，并网控制开关控制扰动发生装置与***的通断，单项全桥逆变电路采用全控型器件IGBT。

所述步骤一中的扰动电流信号i_Inj为含丰富连续频率成分的短脉冲三角电流波，其为通过控制扰动发生装置中的桥臂中IGBT的通断，产生的阶跃电压波形经耦合电感L_c后形成的脉冲三角电流波；通过控制扰动发生装置中的桥臂中IGBT的通断组合能控制扰动电流信号i_Inj的脉冲宽度，通过控制直流电压V_AIE和耦合电感L_c的取值能控制扰动电流信号i_Inj的峰值大小。

所述步骤二中的间歇性过零点注入控制，其方法为：通过监测***公共耦合点处电压u_PCC的过零点，在u_PCC的过零点处闭合并网控制开关，控制桥臂中IGBT的通断来生成并注入扰动电流信号i_Inj，扰动电流信号i_Inj注入结束后，断开并网开关；在注入扰动电流信号i_Inj的过程中，***公共耦合点处电压u_PCC的过零点监测闭锁，避开因注入引起的***公共耦合点处电压u_PCC的变化，注入结束后闭锁解除；根据电能质量和检测速动性要求，灵活选择在每个或相邻几个过零点处向***注入扰动电流信号i_Inj；在注入扰动电流信号i_Inj的过程中同时测量采集***公共耦合点处电压u_PCC和扰动电流信号i_Inj的数据；通过在***公共耦合点电压u_PCC过零点处的时段注入扰动电流信号，使采集到的***公共耦合点处电压u_PCC中原***电压成分最小化，而有效成分即扰动的电压响应成分最大化，以提高信噪比和阻抗计算精度，同时减小所需的扰动注入量级；扰动发生装置的直流电压V_AIE高于并网控制开关闭合期间的***公共耦合点处电压u_PCC的最高值。

所述步骤三中测量阻抗特征量的计算方法为将高频电抗X作为判断孤岛的特征量，利用ΔX＝ω·ΔL中高频ω放大孤岛前后的特征量差异，高频下容抗被极大弱化，使得其中ΔX为高频电抗的变化量，ΔL为***等值电感的变化量，f为频率，L为***等值电感，C为电容，从而在高频段范围内实现良好频域电抗线性关系，在此基础上，取该高频段线性部分的数据，进行宽频域等值电抗计算，然后并非直接取某单频点计算，而是归算至某频点下，将该频域内所有频点的计算结果取平均值作为测量阻抗特征量。

所述步骤四中根据特征量变化判别孤岛状态的方法为将高频电抗X作为孤岛判别特征量，设置特征量阈值和时限，当在线计算特征量的值高于所设特征量阈值，并在所设时限内连续高于阈值，则判定为孤岛运行状态。

通过采用本发明的适用于多机集群的外部集中扰动式阻抗测量孤岛检测法，能够获得有益效果如下：

(1)***只存在一个扰动源，避免了多扰动信号相互影响问题，适用于含多逆变器分布式电源***；

(2)因采用了独立注入装置，该方法中扰动信号产生不依赖逆变器，不受电源类型局限，也适用于不含逆变器的电源；

(3)通过注入控制，提高了阻抗测算准确度，并降低了主动法对***扰动，保证了良好的电能质量，同时降低了对注入装置直流电压等级的要求，保证了实用性；

(4)宽频域高频电抗计算放大了孤岛前后特征量差异，提高了检测灵敏度和精度。

附图说明

图1为外部集中扰动式测量阻抗孤岛检测法***结构示意图。

图2为外部集中扰动式测量阻抗孤岛检测法***等值示意图。

图3为独立扰动发生装置原理图。

图4为扰动发生装置生成电压、电流扰动波形。

图5a-5b为根据本发明具体实施方式采集的注入电流和对应的PCC处电压波形示意图。

图6a-6b为根据本发明具体实施方式稳态和孤岛情况下频域测量阻抗计算结果示意图。

图7a-7c为根据本发明具体实施方式时域在线测量阻抗特征曲线结果图。

图8a-8b为根据本发明具体实施方式在2台机与白噪声情况下时域在线测量阻抗特征曲线结果图。

图9为根据本发明具体实施方式扰动注入前后***谐波含量分析结果图。

图10是适用于多机集群的外部集中扰动式阻抗测量孤岛检测法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

分布式发电并网***结构示意如图1所示，由分布式电源、本地负荷和电网构成。正常运行时，电源、负荷与主网相连。故障或***发生较大扰动时，断路器动作，分布式电源与主网脱离，与就近负荷形成孤岛。

本发明提出的外部集中扰动式测量阻抗法，其等值结构示意如图2，不同于传统的逆变器机端扰动方式，本发明采用在PCC处施加独立的集中扰动注入。

其注入点测量阻抗特征及检测基本原理如下：

***中，通常电网阻抗Z_Grid远小于分布式电源阻抗Z_DG和负荷阻抗Z_load。

Z_Grid<<Z_DG,Z_Grid<<Z_load(1)

$Z_{Islanding}=\frac{Z_{DG}{Z}_{load}}{Z_{DG}+Z_{load}}>>Z_{Grid}---\left(2\right)$

式中，Z_Islanding表示孤岛发生后的***测量阻抗。

孤岛前PCC处的测量阻抗Z_meas为：

$Z_{meas}=\frac{Z_{Grid}{Z}_{Islanding}}{Z_{Grid}+Z_{Islanding}}<Z_{Grid}---\left(3\right)$

孤岛后PCC处的测量阻抗Z′_meas为：

Z′_meas＝Z_Ιslanding>>Z_Grid>Z_meas(4)

式(3)和式(4)表明，孤岛后PCC处的测量阻抗Z′_meas显著大于孤岛前PCC处的测量阻抗Z_meas，因此采用此阻抗特征的差异进行阻抗测量法孤岛检测。该方法中***只存在一个扰动源，避免了多扰动信号相互影响问题，适用于含多逆变器分布式电源***，同时采用了独立注入的扰动发生装置，因此也适用于直接并网电源。

扰动发生装置原理结构如图3所示，由在单相全桥逆变电路的并联电路间接一个耦合电感L和并网控制开关，负载侧连接一个直流电压源组成；耦合电感L的取值与直流电压V_AIE、扰动电流信号i_Inj的大小有关，并网控制开关控制扰动发生装置与***的通断，产生阶跃电压波形，经耦合电感L后形成脉冲三角电流波，如图4所示。该信号脉宽可控，能实现间歇性注入，与特定频率持续注入方式相比而言能降低对***扰动，且该信号包含丰富、连续的频率成分，能用于高频线性段宽频域的计算。

在注入策略上，本发明提出了间歇性过零点注入控制的方法。通过监测***公共耦合点处电压u_PCC的过零点，在u_PCC的过零点处闭合并网控制开关，控制桥臂中IGBT的通断来生成并注入扰动电流信号i_Inj，扰动电流信号i_Inj注入结束后，断开并网开关；在注入扰动电流信号的过程中，***公共耦合点处电压u_PCC的过零点监测闭锁，避开因注入引起的***公共耦合点处电压u_PCC的变化，注入结束后闭锁解除；根据电能质量和检测速动性要求，灵活选择在每个或相邻几个过零点处向***注入扰动电流信号i_Inj；在注入扰动电流信号i_Inj的过程中同时测量采集***公共耦合点处电压u_PCC和扰动电流信号i_Inj的数据；将采集到的***公共耦合点处电压u_PCC和扰动电流信号i_Inj经过数据处理后进行测量阻抗特征量计算；通过在***公共耦合点电压u_PCC过零点处的时段注入扰动电流信号，使采集到的***公共耦合点处电压u_PCC中原***电压成分最小化，而有效成分即扰动的电压响应成分最大化，以提高信噪比和阻抗计算精度，同时减小所需的扰动注入量级。

以往的并网扰动注入装置的直流电压V_AIE要高于***公共耦合点电压u_PCC，否则注入装置中反并联二极管能在***电压下导通,这对直流电容及绝缘提出很高的要求。而本发明提出的扰动发生装置,如图3，将检测***公共耦合点处电压u_PCC，在其马上到过零点时闭合并网控制开关，注入扰动电流信号i_Inj，短时扰动结束后，断开并网控制开关，这样只要求V_AIE高于并网控制开关闭合期间的***公共耦合点处电压u′_PCC的最高值。

同时，本发明采用高频电抗X作为判断孤岛的特征量，利用ΔX＝ω·ΔL中高频ω放大孤岛前后的特征量差异，从而提高检测精度和灵敏度。高频下容抗被极大弱化，使得从而在高频段范围内实现良好频域电抗线性关系，如图6所示。在此基础上，取该高频段线性部分的数据，进行宽频域等值电抗计算，然后并非直接取某单频点计算，而是归算至某频点下，从而提高阻抗测算精度和可靠性。

图10是适用于多机集群的外部集中扰动式阻抗测量孤岛检测法的流程图。以下用更加具体的示例来说明本发明一种适用于多机集群的外部集中扰动式阻抗测量孤岛检测法的技术效果，在示例中使用如图1所示的电路模型，PMSG风机采用了***经典的type4windturbine模型。

PMSG风机容量2MW，RLC负荷容量2MW，这使得被动检测法在风机与负荷相同时无法检测，***侧电源为理想电压源，输电线路电压等级110kV，配网***电压等级35kV，线路均采用π模型，***侧变压器容量为50MVA，风机变压器容量为2.5MVA。

1.单机情景

图5a和5b所示分别为采用本发明的过零点注入法注入后***公共耦合点电压u_PCC和注入扰动电流信号i_Inj的波形。注入电流峰值为22.5A，远小于***运行电流，u_PCC波形所示，对***电压带来的扰动量较小且扰动时间短。

通过滤波、稳态波形削减及FFT算法处理，对u_PCC中的原***量成分进行滤除，其频域阻抗计算结果如图6所示。将阻抗Z进行了实/虚部(R/X)分解，红色虚线为理论阻抗值，蓝色实线为应用本发明方法与等值模型测算的阻抗值。图中显示测算值与理论值保持了较小的计算误差，尤其在高频段，测量电抗X的准确度比电阻R的准确度高，且X-f曲线高频段呈现出良好的线性。

由图6中孤岛后频域测量阻抗看出，即便在孤岛后的***基频电气量动态变化情景下，本发明方法的测量阻抗计算值依然有着很高的准确度。选用较高频段的测量阻抗，形成孤岛前后时域的测量阻抗特征曲线如图7所示。阻抗计算采用了前面提出的宽频域高频电抗特征量算法，计算结果为归算到4kHz的高频X归算值。

图7中，孤岛发生在5s时刻，图a)为在线阻抗计算的R特征曲线，图b)为采用固定间隔注入方式下的高频电抗X特征曲线，图c)为本发明的采用间歇性过零点注入法控制的高频电抗X特征曲线。图中理论值、测算值对比及各子图对比，得到，采用间歇性过零点注入法测算***高频电抗X，具有较高的测量精度，适用于孤岛检测。且高频电抗特征量计算显著放大了孤岛前后的特征量差异，提高了孤岛检测灵敏度。

2.多机情景及信噪分析、电能质量分析

图8a)所示为2台机情景下，采用不同的控制策略、不同的输出功率场景下，应用本文方法的孤岛检测仿真结果。加入1％白噪声下测量阻抗计算结果如图8b)所示。与图7c)不加白噪声的原始测算结果对比，由于过零点注入时***自身波形(包含噪声)被最小化，本发明方法的测算值仍然与理论值保持了较高的吻合性。

主动式方法通常会给***带来电能质量的影响。一周波内，在有、无注入时谐波含量对比如图9所示。实线为无注入时***PCC处电压谐波含量，虚线为注入后的谐波含量，为方便谐波对比，图中已剔除50Hz基波成分。***无注入正常运行时，***总谐波畸变率THD为0.020292％，注入后THD为0.024654％，该方法对***电能质量影响不大。

因此，通过使用本发明的适用于多机集群的外部集中扰动式阻抗测量孤岛检测法，***只存在一个扰动源，避免了多扰动信号相互影响问题，适用于含多逆变器分布式电源***；因采用了独立注入装置，该方法中扰动信号产生不依赖逆变器，不受电源类型局限，也适用于同步发电机等不含逆变器的电源；通过注入控制，提高了阻抗测算准确度，并降低了主动法对***扰动，保证了良好的电能质量，同时降低了对注入装置直流电压等级的要求，保证了实用性；宽频域高频电抗计算放大了孤岛前后特征量差异，具有较高的检测灵敏度和精度。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于多机集群的外部集中扰动式阻抗测量孤岛检测法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：利用独立外部集中扰动发生装置，生成扰动电流信号i_Inj；

步骤二：监测***公共耦合点处电压u_PCC，进行间歇性过零点注入控制，在注入过程中同时测量并采集***公共耦合点处电压u_PCC和扰动电流信号i_Inj的数据；

步骤三：将采集到的***公共耦合点处电压u_PCC和扰动电流信号i_Inj经过数据处理后进行测量阻抗特征量计算；

步骤四：根据特征量变化判别孤岛状态；

所述步骤A中的扰动发生装置是独立于***的唯一的扰动发生源，扰动的生成和注入不依赖于逆变器，装置出口端接于***公共耦合点处。

2.根据权利要求1中所述的适用于多机集群的外部集中扰动式阻抗测量孤岛检测法，其特征在于，所述步骤一中的扰动发生装置由一个耦合电感L_c和一个并网控制开关串联后接入单相全桥逆变电路的并联电路间，负载侧连接一个直流电压源组成；耦合电感L_c的取值由直流电压V_AIE的大小和所需扰动电流信号i_Inj的大小决定，并网控制开关控制扰动发生装置与***的通断，单项全桥逆变电路采用全控型器件IGBT。

3.根据权利要求1中所述的适用于多机集群的外部集中扰动式阻抗测量孤岛检测法，其特征在于，所述步骤一中的扰动电流信号i_Inj为含丰富连续频率成分的短脉冲三角电流波，其为通过控制扰动发生装置中的桥臂中IGBT的通断，产生的阶跃电压波形经耦合电感L_c后形成的脉冲三角电流波；通过控制扰动发生装置中的桥臂中IGBT的通断组合能控制扰动电流信号i_Inj的脉冲宽度，通过控制直流电压V_AIE和耦合电感L_c的取值能控制扰动电流信号i_Inj的峰值大小。

4.根据权利要求1中所述的适用于多机集群的外部集中扰动式阻抗测量孤岛检测法，其特征在于，所述步骤二中的间歇性过零点注入控制，其方法为：通过监测***公共耦合点处电压u_PCC的过零点，在u_PCC的过零点处闭合并网控制开关，控制桥臂中IGBT的通断来生成并注入扰动电流信号i_Inj，扰动电流信号i_Inj注入结束后，断开并网开关；在注入扰动电流信号i_Inj的过程中，***公共耦合点处电压u_PCC的过零点监测闭锁，避开因注入引起的***公共耦合点处电压u_PCC的变化，注入结束后闭锁解除；根据电能质量和检测速动性要求，灵活选择在每个或相邻几个过零点处向***注入扰动电流信号i_Inj；在注入扰动电流信号i_Inj的过程中同时测量采集***公共耦合点处电压u_PCC和扰动电流信号i_Inj的数据；通过在***公共耦合点电压u_PCC过零点处的时段注入扰动电流信号，使采集到的***公共耦合点处电压u_PCC中原***电压成分最小化，而有效成分即扰动的电压响应成分最大化，以提高信噪比和阻抗计算精度，同时减小所需的扰动注入量级；扰动发生装置的直流电压V_AIE高于并网控制开关闭合期间的***公共耦合点处电压u_PCC的最高值。

5.根据权利要求1中所述的适用于多机集群的外部集中扰动式阻抗测量孤岛检测法，其特征在于，所述步骤三中测量阻抗特征量的计算方法为将高频电抗X作为判断孤岛的特征量，利用ΔX＝ω·ΔL中高频ω放大孤岛前后的特征量差异，高频下容抗被极大弱化，使得其中ΔX为高频电抗的变化量，ΔL为***等值电感的变化量，f为频率，L为***等值电感，C为电容，从而在高频段范围内实现良好频域电抗线性关系，在此基础上，取该高频段线性部分的数据，进行宽频域等值电抗计算，然后并非直接取某单频点计算，而是归算至某频点下，将该频域内所有频点的计算结果取平均值作为测量阻抗特征量。

6.根据权利要求1中所述的适用于多机集群的外部集中扰动式阻抗测量孤岛检测法，其特征在于，所述步骤四中根据特征量变化判别孤岛状态的方法为将高频电抗X作为孤岛判别特征量，设置特征量阈值和时限，当在线计算特征量的值高于所设特征量阈值，并在所设时限内连续高于阈值，则判定为孤岛运行状态。