CN108445424A

CN108445424A - 一种混合式逆变型分布式电源孤岛检测方法

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Publication number: CN108445424A
Application number: CN201810150130.1A
Authority: CN
Inventors: 陈晓龙; 王心怡; 简洁; 谭志遥; 姚为; 刘鸿达; 李永丽
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2018-02-13
Filing date: 2018-02-13
Publication date: 2018-08-24
Anticipated expiration: 2038-02-13
Also published as: CN108445424B

Abstract

本发明涉及一种混合式逆变型分布式电源孤岛检测方法，该方法在实时测量PCC处电压有效值V_PCC及其频率f和IBDG有功功率输出P_DG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，判断无功扰动与频率偏移量间互相关系数与整定值的大小，自适应调整施加在IBDG额定无功参考值上扰动的变化率。

Description

一种混合式逆变型分布式电源孤岛检测方法

技术领域

本发明属于电力***保护与控制领域，针对基于可再生能源的逆变型分布式电源可能出现的非计划孤岛问题，提出了一种充分利用被动式检测信息来自适应调整无功扰动大小的混合式孤岛检测方法。

背景技术

非计划孤岛是指在主电网因故障事故或停电检修而跳闸断开后，分布式电源未能及时检测出主电网处于停电状态，仍然向本地负载供电，形成了一个无法安全稳定运行的自给供电孤岛。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，比如无法彻底清除故障、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。因此，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等均要求并网运行的分布式电源具有防孤岛保护功能，即分布式电源需配置孤岛检测方法，当检测到非计划孤岛运行状态时，立即退出运行。

常见的非计划孤岛检测方法包括通信法、被动法和主动法三大类：1)通信法是借助通信技术将电网断路器的开合状态发送给分布式电源以实现运行模式判断，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)被动法通过检测电压、相位、频率及其变化率、谐波等基本电气量是否在允许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，通常与主动法配合使用；3)主动法通常在分布式电源的控制***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，并且现有方法多数仅针对单个分布式电源有效，当其应用于多个分布式电源时，因无法保证扰动信号的同步性，可能使得扰动相互抵消而稀释，大大降低了孤岛检测的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种的混合式逆变型分布式电源孤岛检测方法。本发明借助公共耦合点(PCC)处电压变化量、谐波阻抗变化量、无功扰动与频率偏移间的互相关系数等信息，可以自适应调整线性无功扰动斜率，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)既能减小正常并网运行时施加的无功扰动及其对***电能质量的影响，又能保证了孤岛发生后无功扰动快速增大，有效实现孤岛检测； 4)充分利用被动检测信息，缩短疑似孤岛判断时间；5)适用于多IBDG运行，无需通信就能保证无功扰动的同步性；6)仅改变IBDG无功参考值整定公式及其判据，且无需适时测量负载无功值，更加简单易行。本发明的技术方案如下：

一种混合式逆变型分布式电源孤岛检测方法，该方法在实时测量PCC处电压有效值V_PCC及其频率f 和IBDG有功功率输出P_DG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，判断无功扰动与频率偏移量间互相关系数与整定值的大小，自适应调整施加在IBDG 额定无功参考值上扰动的变化率，步骤如下：

1)当f大于或等于50Hz时，IBDG的无功参考值为Q_ref＝-k(f-49.9)+Q_{ref_rated}，k取值为6％P_DG，另外，无功扰动与频率偏移量间互相关系数为C_f＝-100k(f-49.9)(50-f)；

若PCC处电压变化量大于或等于0.04p.u.，即满足时，则k值由6％P_DG变为8％P_DG，并开始计时，若1s内C_f连续增大并且最终大于12％P_DG，则k值由8％P_DG变为10％P_DG，否则k值重新恢复为6％P_DG；

若PCC处电压变化量没有超过0.04p.u.，即满足时，若C_f连续增大并且最终大于 12％P_DG，则k值由6％P_DG变为8％P_DG，并开始计时，若1s内C_f连续增大并且最终大于96％P_DG，则k值由8％P_DG变为10％P_DG，否则k值重新恢复为6％P_DG；

2)当f小于50Hz时，IBDG的无功参考值为Q_ref＝-k(f-50.1)+Q_{ref_rated}，k取值为6％P_DG，另外，无功扰动与频率偏移量间互相关系数为C_f＝-100k(f-50.1)(50-f)；

若PCC处电压变化量超过0.04p.u.，即满足时，则k值由6％P_DG变为8％P_DG，并开始计时，若1s内C_f连续增大并且最终大于12％P_DG，则k值由8％P_DG变为10％P_DG，否则k值重新恢复为 6％P_DG；

式中，k为无功扰动变化率，其值为预先设定好的一组正数，根据运行条件在6％P_DG、8％P_DG和10％P_DG之间变化；Q_{ref_rated}为IBDG额定无功参考值，对于整功率因数运行的IBDG，其值为0Var，对于非整功率因数运行的IBDG，其值取决于额定有功功率和功率因数；

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49.3Hz和 50.5Hz进行比较，若超出门槛值，则判定为孤岛状态。

本发明与现有技术相比，提出了一种混合式逆变型分布式电源孤岛检测方法，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，本发明能够自适应改变无功扰动大小，既保证了正常运行时在额定频率下无功扰动值为0.6％P_DG，其对电能质量的影响可以忽略不计，又使得整个频率范围内都存在无功不匹配，消除了孤岛检测盲区，并且在疑似孤岛情况下，或者不断增大无功不匹配度，快速实现孤岛检测，或者在短时间内增大无功扰动后又恢复较小扰动值，防止伪孤岛造成的大幅扰动；再次，孤岛发生后，若频率不低于50Hz，则无功扰动使得频率继续上升以超出50.5Hz，若频率低于50Hz时，则无功扰动使得频率持续降低以小于49.3Hz，不会发生频率由接近某一门槛值的数值不断变化以超出另一门槛值的情况，从而进一步缩短了孤岛检测时间；再次，本发明适用于多IBDG运行工况，各IBDG以***频率的大小作为设置无功扰动值，无需通信就能使得IBDG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，有利于实现IBDG即插即用；最后，本发明只需实时测量PCC处电压有效值 V_PCC及其频率f和IBDG有功功率输出P_DG三个非常容易测量得到的电气量，而无需测量可能分散分布负载所消耗的无功，更加容易实施。

附图说明

图1为IBDG的PQ解耦控制框图；

图2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3为负载的Q-f曲线(额定频率50Hz下，负载消耗的有功功率P_Load＝200kW，消耗的无功功率 Q_Load＝0Var，负载品质因数Q_f＝2.5)；

图4为图3所示负载和整功率因数运行IBDG的Q-f曲线；

图5为所提混合式逆变型分布式电源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***频率的大小设计了施加在IBDG上的无功扰动，同时根据孤岛发生后电压和频率变化特性设计了用于自适应改变无功大小的判据，提供了一种混合式逆变型分布式电源孤岛检测方法。该方法同时适用于整功率因数运行和非整功率因数运行的IBDG，在正常运行时无功扰动及其对电能质量的影响均可忽略不计，在孤岛发生后无功扰动能快速迫使频率超出门槛值，并且各IBDG间无需通信就能保证无功扰动的同步性，同时消除了孤岛检测盲区，也易于实施。

1.IBDG的PQ解耦控制策略及孤岛前后电气量基本关系分析

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分布式电源和IBDG。其中，IBDG通过电力电子装置与电网并联，是目前分布式电源并入电网的主要形式。基于瞬时功率理论，IBDG通常采用 PQ解耦控制策略。PQ解耦控制策略的控制框图如图1所示，包括锁相环、功率外环和电流内环[1,2]。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：

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[2,3]。

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[4,5]。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：

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IBDG 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IBDG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。另外，RLC负载谐振频率f₀和品质因数Q_f的表达式分别如下所示：

当图1中所示开关打开时，IBDG和负荷形成孤岛，负载所需电能完全由IBDG提供。孤岛发生后，如果存在有功不匹配ΔP(ΔP＝P_Load-P_DG＝P_Grid)，则其将引起电压偏移，其关系式如式(7)所示。而无功不匹配ΔQ(ΔQ＝Q_Load-Q_DG＝Q_Grid)则会引起频率偏移，对于整功率因数运行的IBDG，无功不匹配与频率偏移之间的关系式如式(8)所示，对于非整功率因数运行的IBDG，无功不匹配与频率偏移之间的关系式如式(9)所示[6,7]。

由上述三式可知，非计划孤岛发生后，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。

根据新能源并网标准，PCC电压正常运行范围为0.88p.u.～1.1p.u.，频率正常运行范围为49.3Hz～50.5 Hz。若孤岛发生后不存在有功不匹配，则至少需要-17.4％P_DG和29.1％P_DG的有功扰动量来迫使PCC电压超出其门槛值；对于整功率因数运行的IBDG，若孤岛发生后不存在无功不匹配，则至少需要-5％P_DG和 7％P_DG的无功扰动量来迫使频率超出其门槛值[8]。因此,与有功扰动相比，无功扰动的数值更小，对并网运行时***电能质量也就更小，利用无功扰动实现孤岛检测是更好选择。

上述段落及第2部分中所涉及到的参考文献的出处如下：

[1]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.

[2]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.

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

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

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

[6]H.H.Zeineldin,E.F.EI-Saandany,and M.M.A.Salama.Impact of DGinterface control on islanding detection and nondetection zones,IEEETransactions on Power Delivery,2006,21(3):1515–1523.

[7]X.L.Chen,Y.L.Li.An Islanding Detection Algorithm for Inverter-based Distributed Generation Based on Reactive Power Control,IEEETransactions on Power Electronics,2014,29(9):4672-4683.

[8]X.L.Chen,Y.L.Li.An islanding detection method for inverter-baseddistributed generators based on the reactive power disturbance,IEEETransactions on Power Electronics,2016,31(5):3559-3574.

[9]刘益青,袁文广.一种用于频率偏移时有效值计算的修正方法.电力***自动化,2008,32(2): 80-83.

2.混合式逆变型分布式电源孤岛检测方法

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额定输出无功的参考值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，随着IBDG并网容量的不断增加，为充分发挥IBDG控制策略灵活性，新能源并网相关标准均做出了相应修改，允许IBDG主动参与有功和无功调节，以改善电压质量等，即孤岛发生时IBDG输出无功的额定参考值可能不再持续为零。

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。为了消除检测盲区，需要保证在电压和频率均处于正常运行范围内时注入扰动以迫使功率不匹配。然而，对于扰动的设计需要同时满足两方面的要求——既需要满足并网运行时尽量小以降低对***电能质量的影响，又需要满足在孤岛发生后足够大以快速实现孤岛检测。这就要求对施加在IBDG上的扰动进行更加精细的控制，而自适应无功扰动设计就是一种很好的选择。

由公式(8)和公式(9)可知，孤岛发生后，若IBDG输出的无功小于负载消耗的无功，则***频率将变大，反之，则***频率将减小，即孤岛发生后无功不匹配与频率变化存在互相关关系。同时，考虑到不同位置的IBDG测量到的***频率变化特性是相同的，因此以频率作为扰动方向判据，就能实现在不借助通信的前提下，保证施加在不同位置的IBDG无功扰动扰动方向的一致性，即施加的无功扰动同时迫使 ***频率升高或下降。综上分析，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_ref＝-k(f-49.9)+Q_{ref_rated} (10)

b.当PCC处电压的频率f小于50Hz时

Q_ref＝-k(f-50.1)+Q_{ref_rated} (11)

式中，k为无功扰动变化率，其值为预先设定好的一组正数，根据运行条件在6％P_DG、8％P_DG和10％P_DG之间变化；Q_{ref_rated}为IBDG额定无功参考值，对于整功率因数运行的IBDG，其值为0Var，对于非整功率因数运行的IBDG，其值取决于额定有功功率和功率因数。

另外，根据孤岛发生后有功不匹配将造成PCC电压偏移以及IBDG无功参考值造成的无功不匹配与频率偏移存在互相关关系的变化特性，设计了两组疑似孤岛判据，作为自适应切换IBDG无功参考值中k值的依据，并最终通过频率是否超出门槛值作为最终判定是否发生孤岛的判据。

设计无功扰动与频率偏移量之间互相关系数的关系式如下：

由式(12)可知，在正常并网情况下，C_f的数值很小，当***频率发生波动时，C_f也将上下波动。然而，无论孤岛发生前***频率为何值，在孤岛发生后，除了孤岛发生瞬间有功不匹配引起频率发生短暂波动外， C_f的值终将随着频率的变化而逐渐增大。另外，孤岛发生后，有功不匹配将引起PCC电压发生偏移，但是正常并网运行时，PCC电压也可能随着负载投切等而发生波动。同时，C_f判据与PCC电压无关，是PCC 电压偏移量判据的后备判据。因此，将PCC电压偏移量的标幺值设计为0.04p.u.，使得只有PCC电压发生较大变化时才增大无功扰动，以避免正常运行情况下PCC电压波动引发较大的无功扰动。

根据上述两个判据实现的k值自适应切换机制具体步骤如下：

若PCC处电压变化量超过0.04p.u.，即满足时，则k值由6％P_DG变为8％P_DG，并开始计时，若1s内C_f连续增大并且最终大于12％P_DG，则k值由8％P_DG变为10％P_DG，否则k值重新恢复为 6％P_DG。

若PCC处电压变化量没有超过0.04p.u.，即满足时，若C_f连续增大并且最终大于 12％P_DG，则k值由6％P_DG变为8％P_DG，并开始计时，若1s内C_f连续增大并且最终大于96％P_DG，则k值由8％P_DG变为10％P_DG，否则k值重新恢复为6％P_DG。

本发明设计的方法能够保证300ms内实现孤岛检测，因此通过上述计时以恢复最小扰动变化率的设计，能够保证在伪孤岛情况下无功扰动快速恢复最小值。另外，需要说明的是，PCC电压有效值的计算通常通过傅里叶算法实现，孤岛发生后，无功扰动将迫使频率持续升高或降低，若仍按照额定频率50Hz利用傅里叶算法计算PCC电压有效值，将会引起计算结果大幅波动。为使得频率发生偏移的情况下更为准确地计算PCC电压有效值，需对傅里叶算法进行修正，具体修正方法可参考前文罗列的文献[9]。

由上述判据可知，在正常并网运行时，k值一般保持为6％P_DG，而***频率通常为其额定值50Hz，由式(8)可知，此时无功扰动值为0.6％P_DG，该数值非常小，其对***电能质量的影响可以忽略不计。在额定频率50Hz下，假设负载消耗的有功功率P_Load为200kW，消耗的无功功率Q_Load为0Var，负载品质因数Q_f为2.5，则根据式(4)可知其Q-f曲线如图3所示。相应地，当额定工况下IBDG为整功率因数运行时，对应的情况为孤岛检测最困难的工况，根据式(10)和式(11)所示IBDG无功参考值以及上述 k值自适应改变判据，则负载和IBDG的Q-f曲线关系图如图4所示。

孤岛发生后，IBDG与负载之间的有功和无功不匹配将引起PCC处电压及其频率的变化，被动 OVP/UVP和OFP/UFP法虽然存在检测盲区，但是当功率不匹配程度足够大时，能够直接快速判断孤岛发生。综合前述IBDG无功控制策略及相关自适应判据、OVP/UVP法和OFP/UFP法，形成如图5所示的混合式逆变型分布式电源孤岛检测方法。该方案的具体步骤为：

第一步：实时测量IBDG输出的有功功率P_DG，k值取为6％P_DG。

第二步：实时测量PCC处电压有效值V_PCC和频率f。

第三步：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，根据频率大小设置IBDG无功参考值，转入下一步。

第四步：判断V_PCC偏移量的标幺值与所设门槛值0.04比较，若其值大于或等于0.04，则无功扰动变化率k由6％P_DG变为8％P_DG，并开始计时，转入下一步；否则，转入第六步。

第五步：若1s内无功扰动与频率偏移互相关系数C_f连续增大并且最终大于12％P_DG，则k值由8％P_DG变为10％P_DG，并转入第八步，否则k值重新恢复为6％P_DG，并转入第八步。

第六步：若V_PCC偏移量的标幺值小于0.04，则判断C_f是否连续增大并且最终大于12％P_DG，若是，则 k值由6％P_DG变为8％P_DG，并开始计时，转入下一步，否则k值保持6％P_DG不变，并转入第八步。

第七步：判断1s内C_f是否连续增大并且最终大于96％P_DG，若是，则k值由8％P_DG变为10％P_DG，并转入下一步，否则k值重新恢复为6％P_DG，并转入下一步。

第八步：自适应切换k值，并转入第二步。

上述被动检测法OVP/UVP和OFP/UFP法中电压和频率门槛值为新能源并网标准中设定的电压和频率正常运行范围的边界值。

上述混合式逆变型分布式电源孤岛检测方法不存在检测盲区，能够根据本地电压和频率信息自适应改变无功扰动大小，既最大限度减小了并网运行时对电能质量的影响，又能够快速实现孤岛检测，并且方法有效性不受IBDG数量及运行方式影响，为IBDG即插即用提供了基础技术保障。

光伏、永磁直驱式风机等逆变型分布式电源(IBDG)，是新能源并网的主要形式。针对该类型分布式电源，本发明充分利用被动式检测信息作为自适应调整无功扰动的主要判据，提出了一种融合被动式和主动式思想的混合式孤岛检测方法。该方法能够大大减小并网运行时的扰动量，从而降低对电能质量的影响，同时能够在疑似孤岛情况下自适应地快速增大无功扰动值，缩短孤岛检测时间。另外，该方法没有检测盲区，在不借助通信的前提下能够保证应用于多IBDG时扰动的同步性，并且非常易于实施，具有优秀的可靠性和有效性。

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

1.一种混合式逆变型分布式电源孤岛检测方法，该方法在实时测量PCC处电压有效值V_PCC及其频率f和IBDG有功功率输出P_DG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，判断无功扰动与频率偏移量间互相关系数与整定值的大小，自适应调整施加在IBDG额定无功参考值上扰动的变化率。步骤如下：

若PCC处电压变化量没有超过0.04p.u.，即满足时，若C_f连续增大并且最终大于12％P_DG，则k值由6％P_DG变为8％P_DG，并开始计时，若1s内C_f连续增大并且最终大于96％P_DG，则k值由8％P_DG变为10％P_DG，否则k值重新恢复为6％P_DG；

若PCC处电压变化量超过0.04p.u.，即满足时，则k值由6％P_DG变为8％P_DG，并开始计时，若1s内C_f连续增大并且最终大于12％P_DG，则k值由8％P_DG变为10％P_DG，否则k值重新恢复为6％P_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49.3Hz和50.5Hz进行比较，若超出门槛值，则判定为孤岛状态。