CN106053987A - 一种多逆变器型微电网快速孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于多逆变器型微电网的快速孤岛检测方法，该方法在实时测量PCC处电压有效值V_PCC及其频率和负载无功功率的基础上，通过比较电压测量值与正常情况下电压额定值、频率与其额定值50Hz的大小情况，采取相应的IBDG无功控制策略；在进行孤岛判断时，首先预设电压门槛值和频率门槛值，并将V_PCC与电压门槛值进行比较，若超出电压门槛值，则直接判定为孤岛状态，结束本轮的孤岛检测；否则，将所测得的频率f与频率门槛值进行比较，若超出频率门槛值，则判定为孤岛状态。本发明不存在孤岛检测盲区，具有通用性，既适用于整功率因数运行的IBDG，也适用于非整功率因数运行的IBDG。

Description

一种多逆变器型微电网快速孤岛检测方法

技术领域

本发明属于电力***微电网保护与控制领域，针对可能出现的微电网非计划孤岛问题，提出了一种适用于多逆变器型微电网的快速孤岛检测方法。

背景技术

微电网非计划孤岛运行的发生具有偶然性和不确定性。当由于误操作、***发生故障等原因引起公共耦合点或其上游断路器跳闸时，微电网内分布式电源可能无法及时检测到微电网已经与***断开而继续保持运行。此时，微电网的非计划孤岛运行可能会给电力***的安全稳定运行带来一系列问题，比如重合闸失败、备自投时间延长甚至失败、孤岛***内电能质量恶化等，同时也会危害运维人员的人身安全。为了保证供电的可靠性和稳定性，美国电气电子工程师协会(IEEE)相关标准、我国国家标准以及电网公司企业标准要求分布式电源(DG)具有防孤岛保护的功能，即DG能够检测到非计划孤岛运行状态并退出运行。因此，非计划孤岛检测方法是防孤岛保护的核心技术。

现有的非计划孤岛检测方法包括开关状态监测法、被动检测法和主动检测法三大类：1)开关状态监测法是基于通讯技术将配电网侧断路器的开合状态发送给DG来判断微电网的运行模式，该方法不存在检测盲区，也不影响电能质量，但是该方法的实施较为复杂，经济性也较差，并且当通信网络发生故障时，该方法也随之失效；2)被动检测法通过检测电压、相位、频率及其变化率等基本电气量是否在允许变化范围之内来判定孤岛，该方法不会对***电能质量造成影响，但是存在较大检测盲区，通常与主动检测法配合使用；3)主动检测法通常在DG的控制信号中注入扰动信号，并通过正反馈环节使得孤岛发生后相关电气量超出门槛值，从而判定孤岛，该方法能够减小甚至消除检测盲区，但同时也对电能质量造成了一定影响，并且由于多个DG中的扰动信号无法保证同步，也大大降低了孤岛检测的可靠性。

目前，接入到低压电网中的DG主要是光伏发电***、永磁直驱式风力发电***以及微型燃气轮机发电***等逆变型分布式电源(IBDG)。为快速实现微电网孤岛检测，申请人曾提出一种微电网孤岛检测方法^[1]，该方法通过对比并网点电压的有效值和额定值，采取相应的无功控制策略，当孤岛发生时，***频率将超出门槛值，从而判定孤岛。对于多逆变器型微电网，当多个IBDG通过同一个PCC并网时，上述方法能够有效实现孤岛检测。然而，当多个IBDG的并网点位置不同时，尤其是不同并网点之间的距离较远并且两个并网点之间的线路上传输的功率较大的情况下，如果发生非计划孤岛，则不同位置IBDG的并网点电压值可能分别在额定电压值之上和之下，其无功扰动将相互抵消，无法保证孤岛检测的有效性。

[1]李永丽，陈晓龙.一种微电网孤岛检测方法，授权发明专利，专利授权号：ZL201210319516.3，专利授权日：2014.10.15

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于自适应无功扰动的、适用于多逆变器型微电网的快速孤岛检测方法。本发明的实质性特点是：1)不存在孤岛检测盲区；2)具有通用性，既适用于整功率因数运行的IBDG，也适用于非整功率因数运行的IBDG；3)根据PCC处电压及其频率的测量值和频率测量值的变化情况，自适应调整无功扰动斜率，减小了***正常并网运行时IBDG的无功扰动，同时也缩短了孤岛检测时间；4)当微电网中含有多个IBDG时，无需通信就能保证无功扰动的同步性，从而保证孤岛检测的可靠性和有效性，简单易行。本发明的技术方案如下：

一种适用于多逆变器型微电网的快速孤岛检测方法，该方法在实时测量PCC处电压有效值V_PCC及其频率f和负载无功功率Q_load的基础上，通过比较电压测量值V_PCC与正常情况下电压额定值V_N、频率f与其额定值50Hz的大小情况，采取相应的IBDG无功控制策略：

1)当f大于或等于50Hz时，需根据V_PCC和V_N比较结果确定IBDG无功参考值；若V_PCC大于或等于V_N，则设置IBDG输出的无功功率为否则，设置IBDG输出的无功功率为Q_DG＝-k₁(f-49.2)+Q_Load；

2)当f小于50Hz时，也根据V_PCC和V_N比较结果确定IBDG无功参考值；若V_PCC大于或等于V_N，则设置IBDG输出的无功功率为Q_DG＝-k₁(f-50.6)+Q_Load；否则，设置IBDG输出的无功功率为

式中，k₁和k₂为无功控制策略中可调变量，其值均为正数；另外，根据f的大小自适应改变k₁取值，设置如下：

$k_1=\left\{\begin{array}{cc}0.01P_{DG},& |f-50|\&le;0.1Hz\\ 0.02P_{DG},& 0.1Hz<|f-50|\&le;0.2Hz\\ 0.03P_{DG},& 0.2Hz<|f-50|\&le;0.3Hz\\ 0.04P_{DG},& 0.3Hz<|f-50|\&le;0.4Hz\\ 0.05P_{DG},& 0.4Hz<|f-50|\end{array}\right.$

式中，P_DG为DG输出的有功功率，当***频率f满足|f-50|>0.1Hz时，若在一定时间内频率没有超出频率门槛值，则k₁仍取为0.01P_DG；

在进行孤岛判断时，首先预设电压门槛值和频率门槛值，并将V_PCC与电压门槛值进行比较，若超出电压门槛值，则直接判定为孤岛状态，结束本轮的孤岛检测；否则，将所测得的频率f与频率门槛值进行比较，若超出频率门槛值，则判定为孤岛状态。

为快速有效地实现多逆变器型微电网孤岛检测，本发明以不同位置IBDG测量值均相同的频率作为扰动方向的依据，提出自适应改变无功扰动斜率的快速孤岛检测方法。与现有技术相比，该方法所能产生的积极效果是：首先，本发明具有通用性，既适用于整功率因数运行的IBDG，也适用于为本地负载同时提供无功补偿的非整功率因数运行的IBDG；其次，本发明通过自适应改变无功扰动斜率，保证了正常运行时较小的无功扰动，减小了对电能质量的影响，缩短了检测时间，并且不存在孤岛检测盲区；再次，在微电网并网运行时，本发明根据***电压状态进行无功补偿，能够改善并网点电压质量；最后，本发明适用于含有多个IBDG的微电网，各个IBDG以***频率的大小作为改变无功扰动斜率的依据，在无需通信的前提下能够同时输出使得***频率增大或减小的无功扰动，保证了孤岛检测的可靠性和有效性。

附图说明

图1为标准孤岛测试***主电路拓扑图，其中(a)为并网运行模式，(b)为孤岛运行模式；

图2为IBDG的PQ解耦控制框图；

图3为负载的Q-f曲线(负载消耗的有功功率P_Load＝200kW，功率因数为0.9)；

图4为IBDG整功率因数运行时负载和IBDG的Q-f曲线(P_DG＝200kW、负载品质因数Q_f＝2.5)；

图5为所提适用于多逆变器型微电网快速孤岛检测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合实施例及参照附图对该发明的技术方案进行详细说明。

本发明根据***频率的大小自适应改变施加在IBDG上无功扰动的斜率，提供了一种适用于多逆变器型微电网的快速孤岛检测方法。该方法不存在孤岛检测盲区，能够减小正常运行时的无功扰动，从而减小了对电能质量的影响，同时适用于整功率因数运行和非整功率因数运行的IBDG，并且各个IBDG无需通信、仅通过本地信息就能保证无功扰动的同步性，从而保证了孤岛检测的可靠性和有效性。

1.针对IBDG的孤岛测试***及PQ解耦控制策略

按照运行方式的不同，分布式电源一般可以分为传统旋转机型DG和IBDG。其中，IBDG通过电力电子装置与电网并联，是目前DG并入配电网的主要形式，IEEE Std.929-2000和IEEE Std.1547-2003中规定的分布式电源和并网逆变器的标准孤岛测试***如图1所示[1,2]。在并网运行模式下，IBDG通过公共耦合点(PCC)和配电网相连，同时为负荷提供功率，负荷消耗的有功和无功与负荷等效阻抗之间的关系式分别为：

$P_{Load}=P_{DG}+P_{Grid}=3\frac{V_{PCC}^2}{R}---\left(1\right)$

$Q_{Load}=Q_{DG}+Q_{Grid}=3V_{PCC}^2(\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}fL}-2\mathrm{\&pi;}fC)---\left(2\right)$

式中，V_PCC为PCC处的电压，f为PCC处电压的频率，P_Load和P_DG分别为负载消耗的有功功率和DG输出的有功功率，Q_Load和Q_DG分别为负载消耗的无功功率和DG输出的无功功率，R、L和C分别为等效负载的电阻、电感和电容值。当图1中所示开关打开时，IBDG和负荷形成孤岛，负荷所需电能完全由IBDG提供。当发生非计划孤岛时，若IBDG提供的功率等于或者接近负荷消耗所需要的功率，则PCC处电压和频率将在正常运行允许范围之内，被动检测法过压/欠压法(OVP/UVP)和过频/欠频法(OFP/UFP)将无法检测到非计划孤岛的发生，从而进入检测盲区。

基于瞬时功率理论，IBDG采用PQ解耦控制策略，从而可以通过借助IBDG的无功控制策略实现快速孤岛检测。PQ解耦控制策略的控制框图如图2所示，包括锁相环、功率外环和电流内环[3,4]。通过引入PCC处的三相电压，锁相环可以提供实现同步派克变换的电压相位角，并能够计算出PCC处电压的频率。在功率外环中，通过一组比例积分(PI)调节器，将有功和无功的参考值与实际功率之间的误差分别调制为逆变器输出电流的有功和无功分量的参考值。电流内环则通过前馈控制算法，实现对逆变器输出电流的有功和无功分量的解耦控制。逆变器输出的有功功率和无功功率的公式如下：

$P_{DG}=\frac{3}{2}{u}_d{i}_d---\left(3\right)$

$Q_{DG}=\frac{3}{2}{u}_d{i}_q---\left(4\right)$

式中，i_d和i_q分别为DG输出电流的有功和无功分量，u_d为并网点电压的d轴分量。由上述两个公式可知，通过对输出电流的有功和无功分量的调节，可以实现对其有功和无功的独立控制，并达到所设定的功率参考值P_ref和Q_ref[4,5]。

上述段落里所涉及到的参考文献的出处如下：

[1]IEEE Standard 929-2000.IEEE Recommended Practice for UtilityInterface of Photovoltaic(PV)Systems，2000.

[2]IEEE Standard 1547-2003.IEEE Standard for InterconnectingDistributed Resources with Electric Power Systems，2003.

[3]田小禾，光储混合***的控制与保护：[硕士学位论文]，天津：天津大学，2011.

[4]Zeineldin H.H.A Q-f droop curve for facilitating islandingdetection of inverter-based distributed generation.IEEE Transactions on PowerElectronics,2009,24(3):665-673.

[5]Schauder C,Mehta H.Vector analysis and control of advanced staticVAR compensators.IEE Proceedings C–Generation,Transmission and Distribution,1993,15(3):299-306.

2.适用于多逆变器型微电网的快速孤岛检测方法

基于PQ解耦控制的IBDG能够以整功率因数或者非整功率因数运行。通常情况下，IBDG输出无功的参考值Q_ref设定为零，即IBDG按照单位功率因数运行，以便最大限度提高逆变器的运行效率。然而，当PCC处负荷无功需求大或者无功波动时，并网处电压将受到严重影响。因此，通过IBDG对负载进行无功补偿，能够减少配电网向PCC处负荷提供的无功，提高了负荷的功率因数，同时降低了输送无功造成的电压降落以及传输损耗。

当发生非计划孤岛时，无论IBDG按照整功率因数运行还是按照非整功率因数运行，若其提供的功率等于或者接近负荷消耗所需要的功率，则PCC处电压和频率将在正常运行允许范围之内，OVP/UVP和OFP/UFP均将无法检测到非计划孤岛的发生，从而进入检测盲区。另外，若IBDG对负载进行无功补偿，则减小了孤岛后无功的不匹配度，从而增大加了检测盲区。

为实现孤岛检测，虽然主动式方法通过引入扰动能够减小甚至消除孤岛检测盲区，但是当其应用在含有多个IBDG的微电网中时，现有大部分主动式方法无法保证扰动的同步性，从而可能无法实现孤岛检测。因此，必须探索一种适用于含有多个IBDG微电网的快速孤岛检测方法，不仅对整功率因数和非整功率因数运行的IBDG具有通用性，能够消除检测盲区，在***正常运行时引入尽量小的扰动，而且能够在不借助通信的前提下仅通过本地信息就能保证多个IBDG中扰动的同步性，从而保证其可靠性和有效性。

无论正常运行还是非计划孤岛发生，负荷消耗的无功满足式(2)，并且结合式(1)，可进一步整理为下式：

$Q_{Load}=P_{Load}R(\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}fL}-2\mathrm{\&pi;}fC)---\left(5\right)$

若***频率为50Hz，RLC负载消耗的有功功率为200kW，并且负载的功率因数为0.9，则负载的无功功率与***频率之间关系图(即负载的Q-f曲线)如图3所示。由图3可知，在***正常运行的频率范围附近(49.3Hz～50.5Hz的正常运行范围及其附近)，负载无功与***频率的关系图近似线性，并且负载无功随着频率的增大而减小。

在非计划孤岛发生后，对于整功率因数运行的IBDG，在没有无功扰动的情况下，***的频率值将最终等于负载的谐振频率值。若此时IBDG和负载之间的有功匹配，则无功不匹配与频率偏移之间的关系满足下式：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}Q=\frac{3V_{PCC}^2}{2\mathrm{\&pi;}fL}(1-\frac{f^2}{{(f+\mathrm{\&Delta;}f)}^2})\\ \mathrm{\&Delta;}f=f_i-f\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，f_i为孤岛发生后的***频率。对于非整功率因数运行的IBDG，则有功和无功不匹配均能够引起频率偏移，其关系分别满足下式：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}P=-\frac{P_{DG}(1+4{\mathrm{\&pi;}}^2{\mathrm{LCf}}^2)}{f(1-4{\mathrm{\&pi;}}^2{\mathrm{LCf}}^2)}\mathrm{\&Delta;}f\\ \mathrm{\&Delta;}Q=\frac{Q_{DG}(1+4{\mathrm{\&pi;}}^2{\mathrm{LCf}}^2)}{f(1-4{\mathrm{\&pi;}}^2{\mathrm{LCf}}^2)}\mathrm{\&Delta;}f\end{array}\right.---\left(7\right)$

由式(7)可知，非计划孤岛发生后，若IBDG提供的有功和无功分别同时大于或同时小于负载所需有功和无功时，有功和无功不匹配将引起频率朝着不同方向变化，从而降低了孤岛检测速度，甚至进入孤岛检测盲区。因此，IBDG所采取的无功控制策略应尽量使得有功和无功不匹配同时引起频率增大或减小，从而实现快速孤岛检测。

为消除孤岛检测盲区，无功不匹配需要在频率允许范围内恒存在，即IBDG的Q-f曲线和负载的Q-f曲线之间在频率允许范围之内存在偏差。另外，无论***正常运行还是发生非计划孤岛，不同位置的IBDG测量到的***频率是相同的。因此，在不借助通信的前提下，为保证不同位置的IBDG仅根据本地信息就能保证无功扰动的同步性，则需要以***频率值作为扰动判据。综上，IBDG的无功控制策略设计为：

a.当PCC处电压的频率f大于或等于50Hz时

Q_DG＝-k₁(f-49.2)+Q_Load (8)

b.当PCC处电压的频率f小于50Hz时

Q_DG＝-k₁(f-50.6)+Q_Load (9)

式中，k₁为无功控制策略中可调变量，其值为正数。另外，k₁能够根据f的大小自适应改变取值，具体设置如下：

$k_1=\left\{\begin{array}{cc}0.01P_{DG},& |f-50|\&le;0.1Hz\\ 0.02P_{DG},& 0.1Hz<|f-50|\&le;0.2Hz\\ 0.03P_{DG},& 0.2Hz<|f-50|\&le;0.3Hz\\ 0.04P_{DG},& 0.3Hz<|f-50|\&le;0.4Hz\\ 0.05P_{DG},& 0.4Hz<|f-50|\end{array}\right.---\left(10\right)$

式中，P_DG为DG输出的有功功率。k₁的自适应变化，能够加快孤岛检测速度。另外，需要说明的是，当***频率f满足|f-50|>0.1Hz时，若在1s内频率没有超出门槛值，则k₁仍取为0.01P_DG，这一设置能够避免***发生短时扰动时无功扰动过大，从而保证***的安全稳定运行。

根据式(7)分析可知，若有功和无功不匹配引起的频率偏移方向一致，则能够进一步提高孤岛检测速度。另外，在并网情况下，当PCC处电压偏高时，若IBDG发出的无功小于负载无功，则配电网向负载提供无功，能够使得PCC处电压降低；当PCC处电压偏低时，若IBDG发出的无功大于负载无功，则向配电网输入无功，从而使得PCC处电压恢复。即在并网情况下，IBDG的无功控制策略能够使得IBDG等效于无功补偿装置，改善PCC处电压质量。本发明所提IBDG无功控制策略的首要目标是实现含多个IBDG微电网的快速孤岛检测，在实现该目标的基础上可以兼顾电压质量调节功能，并将前述无功控制策略进一步改进如下：

a.当PCC处电压的频率f大于或等于50Hz，并且电压V_PCC大于或等于V_N时

$Q_{DG}=-(k_1+(\frac{V_{PCC}-V_N}{V_N})\&times;k_2)(f-49.2)+Q_{Load}---\left(11\right)$

b.当PCC处电压的频率f大于或等于50Hz，并且电压V_PCC小于V_N时

Q_DG＝-k₁(f-49.2)+Q_Load (12)

c.当PCC处电压的频率f小于50Hz，并且电压V_PCC大于或等于V_N时

Q_DG＝-k₁(f-50.6)+Q_Load (13)

d.当PCC处电压的频率f小于50Hz，并且电压V_PCC小于V_N时

$Q_{DG}=-(k_1+(\frac{V_N-V_{PCC}}{V_N})\&times;k_2)(f-50.6)+Q_{Load}---\left(14\right)$

按照上述无功控制策略，不仅能够在并网情况下通过动态无功补偿实现动态改善PCC处电压质量，而且孤岛发生时有功的不匹配能够进一步加大无功的不匹配，从而进一步提高孤岛检测速度。

非计划孤岛发生后，IBDG与负载之间有功的不匹配也会引起PCC处电压的变化，OVP/UVP法虽然存在盲区，但是当有功的不匹配程度足够大时，能够直接判断孤岛发生。因此，综合上述IBDG无功控制策略及OVP/UVP法、OFP/UFP法，形成如图5所示的不依赖通信的、适用于多逆变器型微电网的快速孤岛检测方法。该方案的具体步骤为：

第一步：实时测量PCC处电压有效值V_PCC、频率f及负载无功Q_load。

第二步：将V_PCC和f与被动检测法OVP/UVP和OFP/UFP法中的电压和频率门槛值进行比较。若超出门槛值，则直接判定为孤岛状态；否则，转入下一步。

第三步：根据V_PCC和f的值设置IBDG无功参考值，并转入第一步。

需要说明的是，上述电压和频率门槛值可以参照被动检测法OVP/UVP和OFP/UFP法中的门槛值进行设定。

上述适用于多逆变器型微电网的快速孤岛检测方法，根据***频率值自适应改变无功扰动斜率，减小了***正常运行时的无功扰动量。该方法能够保证在正常频率运行范围内恒存在无功不匹配，因此不存在检测盲区。另外，不同位置的IBDG能够检测到相同的***频率，在不依赖通信的前提下就能够保证扰动的同步性，从而保证了检测方法的可靠性和有效性。同时，本发明具有通用性，既适用于整功率因数运行的IBDG，也适用于为本地负荷提供无功补偿的IBDG。本发明也具有一定的电压质量调节能力。

以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的***及方法的限制，本发明的保护范围以权利要求为准。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种适用于多逆变器型微电网的快速孤岛检测方法，该方法在实时测量PCC处电压有效值V_PCC及其频率f和负载无功功率Q_load的基础上，通过比较电压测量值V_PCC与正常情况下电压额定值V_N、频率f与其额定值50Hz的大小情况，采取相应的IBDG无功控制策略：

1)当f大于或等于50Hz时，需根据V_PCC和V_N比较结果确定IBDG无功参考值；若V_PCC大于或等于V_N，则设置IBDG输出的无功功率为否则，设置IBDG输出的无功功率为Q_DG＝-k₁(f-49.2)+Q_Load；

2)当f小于50Hz时，也根据V_PCC和V_N比较结果确定IBDG无功参考值；若V_PCC大于或等于V_N，则设置IBDG输出的无功功率为Q_DG＝-k₁(f-50.6)+Q_Load；否则，设置IBDG输出的无功功率为

式中，k₁和k₂为无功控制策略中可调变量，其值均为正数；另外，根据f的大小自适应改变k₁取值，设置如下：

$k_1=\left\{\begin{array}{cc}0.01P_{DG},& |f-50|\&le;0.1Hz\\ 0.02P_{DG},& 0.1Hz<|f-50|\&le;0.2Hz\\ 0.03P_{DG},& 0.2Hz<|f-50|\&le;0.3Hz\\ 0.04P_{DG},& 0.3Hz<|f-50|\&le;0.4Hz\\ 0.05P_{DG},& 0.4Hz<|f-50|\end{array}\right.$

式中，P_DG为DG输出的有功功率，当***频率f满足|f-50|>0.1Hz时，若在一定时间内频率没有超出频率门槛值，则k₁仍取为0.01P_DG；

在进行孤岛判断时，首先预设电压门槛值和频率门槛值，并将V_PCC与电压门槛值进行比较，若超出电压门槛值，则直接判定为孤岛状态，结束本轮的孤岛检测；否则，将所测得的频率f与频率门槛值进行比较，若超出频率门槛值，则判定为孤岛状态。