基于電壓頻率和測量阻抗結(jié)合的逆變器擾動式孤島檢測法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電力系統(tǒng)分析技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種基于電壓頻率和測量阻抗結(jié) 合的逆變器擾動式孤島檢測法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在世界范圍內(nèi)，常規(guī)化石能源日趨枯竭，同時環(huán)境污染問題日益引起人們的關(guān)注， 因此，各國政府越來越重視可再生能源的發(fā)展。光伏系統(tǒng)等分布式電源越來越多的接入配 電網(wǎng)，隨著分布式電源容量的逐步增大，配電系統(tǒng)從一個功率單向流動的福射式網(wǎng)絡(luò)變?yōu)?一個功率能雙向流動的多電源和電網(wǎng)互聯(lián)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。由此出現(xiàn)了分布式發(fā)電并網(wǎng)保護的 問題，孤島保護就是其中之一。
[0003] 分布式光伏系統(tǒng)的孤島運行是指電網(wǎng)由于電氣故障、人為原因或者自然因素等原 因中斷供電時，光伏系統(tǒng)未能檢測出停電狀態(tài)并脫離電網(wǎng)，繼續(xù)向就近系統(tǒng)輸送電能，和本 地負(fù)載一同形成的一個不受公共電網(wǎng)控制的自給的供電孤島。在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)處 于孤島運行狀態(tài)時，會影響電能質(zhì)量甚至損壞電氣設(shè)備、孤島運行線路繼續(xù)帶電會影響故 障電弧焰滅，使得重合閩失敗、嚴(yán)重時會危及維護人員的人身安全。因此，無論是從安全方 面還是從可靠性方面考慮，非計劃的孤島運行狀態(tài)都是不允許的，應(yīng)該及時有效地檢測出 孤島運行狀態(tài)，并將光伏逆變器從系統(tǒng)公共禪合點（PointofCommonCoupling,PCC)處斷 開，即孤島保護。
[0004] 孤島檢測方法根據(jù)工作原理又分為遠(yuǎn)程式方法、主動式方法與被動式方法。其中， 被動檢測法分析孤島后由于分布式電源出力與就近負(fù)荷不匹配造成保護安裝處的電氣量 變化，運類方法實現(xiàn)簡單，但在分布式電源出力與就近負(fù)荷近似匹配時存在檢測盲區(qū)；主動 檢測法通常利用逆變器向系統(tǒng)注入擾動，測量系統(tǒng)孤島前后響應(yīng)變化，能減小或消除檢測 盲區(qū)，但會影響系統(tǒng)電能質(zhì)量。
[0005] 目前經(jīng)逆變器入網(wǎng)分布式電源孤島檢測的主要研究方向是主動式檢測法，W減小 或消除檢測盲區(qū)。然而，隨著系統(tǒng)向多樣時變負(fù)荷、多逆變器并網(wǎng)發(fā)展，主動法中各逆變器 的擾動信號相互作用導(dǎo)致孤島檢測失敗，因此需要進行針對傳統(tǒng)基于逆變器擾動的主動式 檢測法失效問題的孤島檢測法的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決上述問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為如下：
[0007] -種基于電壓頻率和測量阻抗結(jié)合的逆變器擾動式孤島檢測法，其特征在于，所 述方法包括W下步驟：
[0008] 步驟1、分析孤島前后頻率無功關(guān)系；
[0009] 步驟2、控制設(shè)置頻率-無功反饋法的逆變器，系統(tǒng)的無功功率擾動選取公共禪合 點電壓頻率f。和電網(wǎng)額定頻率fg之差，為了使得較小的頻率變化獲得足夠的無功擾動W提 高檢測速度，在擾動量中增加了頻率的反饋，加入一個反饋系數(shù)k，則逆變器輸出的無功功 率Qim=k(fa-fg);
[0010] 步驟3、若各逆變器輸出的無功功率之和EQiw聲0,則根據(jù)并網(wǎng)逆變器的電壓頻 率超出正常運行的限制，檢測出孤島運行狀態(tài)，若電壓頻率未超出正常運行的限制則系統(tǒng) 未處于孤島運行狀態(tài)；若各逆變器輸出的無功功率之和EQiw= 0,則根據(jù)并網(wǎng)逆變器的電 壓頻率超出是否正常運行的限制來檢測是否出現(xiàn)孤島運行狀態(tài)的檢測方法失效，執(zhí)行步驟 4;
[0011] 步驟4、在系統(tǒng)公共禪合點處集中注入一個電壓源信號，該信號為單一頻率信號， 注入方式為=相注入，采集系統(tǒng)公共禪合點處測得的注入電壓和電流響應(yīng)的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù) 處理后，算得系統(tǒng)公共禪合點處的測量阻抗；通常電網(wǎng)的阻抗Zwfd遠(yuǎn)小于分布式電源的阻 抗Zd(；和負(fù)荷的阻抗Z had,
[0014] 孤島前，系統(tǒng)公共禪合點處的測量阻抗Zme。歷：
[0015]
[0016] 孤島后，系統(tǒng)公共禪合點處的測量阻抗Z'為：
[0017] Z' meas=Z Islanding〉>Zmeas
[001引 表示孤島發(fā)生后的系統(tǒng)測量阻抗，基于W上孤島前后阻抗特征差異進行 阻抗測量法進行孤島檢測。
[0019] 所述步驟3中，根據(jù)并網(wǎng)逆變器的電壓頻率超出是否正常運行的限制來檢測是否 出現(xiàn)孤島運行狀態(tài)的檢測方法失效的機理為：該方法依據(jù)系統(tǒng)實時頻率的變化輸出相應(yīng)的 無功功率，使得孤島后由于無功功率的不均衡，孤島系統(tǒng)的電壓頻率因正反饋放大超出正 常運行的限制，從而檢測出孤島運行狀態(tài)；然而，由于本地負(fù)載也是實時變化的，負(fù)載變化 具有隨機性，如果本地負(fù)載的無功變化和光伏系統(tǒng)孤島檢測檢測輸出的無功功率變化的剛 好抵消，此時該檢測法是失效的；另外，多逆變器或多機集群系統(tǒng)中，因逆變器數(shù)量眾多，各 逆變器輸出的無功擾動能相互消減或抵消，運時的該檢測法也是失效的。
[0020] 有益效果
[0021] (1)分析出并驗證了主動類方法孤島檢測失效的原因機理，為避免孤島檢測失效 提供針對性參考；
[0022] (2)因采用集中式特定頻率擾動信號注入，該方法不依賴逆變器，不受電源類型局 限；
[0023] (3)提出的一種基于電壓頻率和測量阻抗結(jié)合的逆變器擾動式孤島檢測法能避免 多逆變器系統(tǒng)場景下多擾動信號互擾失效，具有較高的可靠性；
[0024] (4)不需要頻率偏差逐漸放大至動作闊值的過程，具有較高的檢測速度；原理簡 單有效。
【附圖說明】
[00巧]圖1為并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖2為=相頻率-無功反饋孤島檢測法的控制結(jié)構(gòu)圖。
[0027] 圖3為本發(fā)明的防孤島檢測失效方法的等值示意圖。
[0028] 圖4a-4b為根據(jù)本發(fā)明【具體實施方式】正常運行情況下逆變器出口電壓頻率和輸 出無功波形圖。
[0029] 圖5a-化為根據(jù)本發(fā)明【具體實施方式】應(yīng)用=相頻率-無功反饋法的孤島情況下頻 率和無功波形圖。
[0030] 圖6a-化為根據(jù)本發(fā)明【具體實施方式】孤島檢測失效情況下頻率和無功波形圖。
[0031] 圖7為根據(jù)本發(fā)明【具體實施方式】應(yīng)用防失效孤島檢測方法的時域在線測量阻抗 特征曲線結(jié)果圖。
[0032] 圖8 -種基于電壓頻率和測量阻抗結(jié)合的逆變器擾動式孤島檢測法的流程圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細(xì)說明。圖8 -種基于電壓頻率和測量阻抗結(jié)合的 逆變器擾動式孤島檢測法的流程圖。
[0034] 根據(jù)并網(wǎng)逆變器的輸出電壓的幅值和頻率判斷光伏系統(tǒng)是否處于孤島運行狀態(tài)。 為了提高光伏系統(tǒng)的效益，一般光伏系統(tǒng)只發(fā)出有功功率，即工作于單位功率因數(shù)下。光伏 系統(tǒng)并入大電網(wǎng)時，逆變器輸出端的參考電壓是受大電網(wǎng)的錯制，為額定工作電壓。對于= 相平衡系統(tǒng)，并網(wǎng)逆變器輸出功率為：
[0035] 、 - (1)
[0036] 式中，Pmy為逆變器輸出的有功功率、Q為逆變器輸出的無功功率，U d、Uq和id、iq 分別為光伏系統(tǒng)逆變器輸出的=相電壓和電流變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓和電流，由 于d-q坐標(biāo)系的d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量，此時有Uq=0,得：
[0037] (2)
[003引在光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，Ud、Uq是常量，在恒功率控制策略下，光伏系統(tǒng)輸出的有功 功率和無功功率分別對應(yīng)id、iq。因此，研究孤島保護時，并網(wǎng)逆變器近似為本地負(fù)載為并 聯(lián)的RLC負(fù)載且運行在單位功率下的電流源。并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的原理電路如圖1所示。 [0039] K1、K2閉合時，逆變器電源并網(wǎng)運行，則有：
[0042] 式中Phgd為系統(tǒng)正常運行時負(fù)載吸收的有功功率、Q為系統(tǒng)正常運行時負(fù)載吸 收的無功功率；Pmy為逆變器輸出的有功功率、Q1。、為逆變器輸出的無功功率；AP為本地負(fù) 載與發(fā)電系統(tǒng)有功功率不匹配程度、AQ本地負(fù)載與發(fā)電系無功功率不匹配度；Ug為逆變器 并網(wǎng)運行時輸出端電壓幅值、fg為逆變器并網(wǎng)運行時輸出端頻率。
[0043] 當(dāng)K2跳開后，本地負(fù)載由并網(wǎng)逆變器單獨供電。并網(wǎng)逆變器工作于恒功率控制模 式時，孤島運行后，本地負(fù)載端的電壓Uub"d、本地負(fù)載端的頻率fubnd，P' 1。。4負(fù)載消耗有 功功率、Q' 負(fù)載消耗無功功率。此時，則有：
[004引由式做計算出孤島運行時本地負(fù)載端電壓Uub"d，即：
[0047]
巧）
[0048] 并網(wǎng)逆變器運行于單位功率條件，即Qiw= 0時，在孤島運行發(fā)生后，逆變器和電 網(wǎng)皆不向負(fù)載提供無功功率，根據(jù)式（4)計算出孤島運行時本地負(fù)載端的頻率fubnd，即：
[004引
餓）
[0050]因此，本地負(fù)載與發(fā)電系統(tǒng)有功功率不匹配程度AP與Uub"d的關(guān)系為：
[0051]
(穿）
[0052] 本地負(fù)載與發(fā)電系無功功率不匹配度AQ與的關(guān)系為
[0053]
(10)
[0054] 式中，
，為負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)。
[00巧]當(dāng)逆變器與電網(wǎng)斷開，如果逆變器輸出的有功功率Piw、逆變器輸出的無功功率Qmy和負(fù)載所需的功率不匹配，即AP和AQ不等于0時，從公式（9)和（10)推出，逆變器 輸出的電壓和頻率都將發(fā)生變化。如果逆變器和電網(wǎng)斷開后，逆變器輸出的有功功率Pi。、、 逆變器輸出的無功功率Qi。、和負(fù)載所需功率幾乎相等，即AP= 0,AQ= 0,代入公式巧） 和（10)得到Uub"d=Ug，fg。系統(tǒng)的無功功率擾動選取PCC電壓頻率和電網(wǎng)額定 頻率之差孤島運行后，PCC電壓頻率和逆變器輸出的無功功率有關(guān)，因此通過擾動逆變器無 功的輸出來改變PCC電壓頻率，W此判斷并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)是否存在孤島運行。（沒提到頻率 和無功的關(guān)系）
[0056]主動移頻法（Active化equen巧化ift,A抑）是主動式孤島檢測法的一種，單相頻 率偏移法的工作原理是通過頻率擾動使得PCC電壓的頻率發(fā)生偏移，由于孤島前受大電網(wǎng) 錯制，頻率保持50化，孤島后失去大電網(wǎng)的調(diào)節(jié)作用，頻率偏移出允許的范圍，W此來判斷 孤島，方法實現(xiàn)簡單，孤島識別率局，但當(dāng)本地品質(zhì)因數(shù)較局時，容易引起檢測失敗。在二相 頻率偏移的孤島檢測中，采用基于d-q變換控制方法的基準(zhǔn)電流為直流量，無法直接通過 改變基準(zhǔn)電流的頻率和相位對電流的頻率進行偏移?，F(xiàn)在對于=相頻率偏移的孤島檢測方 法中，比較常用的是S相無功擾動法，通過無功功率或電流擾動，使得大電網(wǎng)斷開后PCC電 壓的頻率偏移。在=相無功擾動法中，有無功功率擾動和無功電流擾動，分別針對恒功率控 制和恒電流控制。
[0057]系統(tǒng)的無功功率擾動選取PCC電壓頻率和電網(wǎng)額定頻率之差，為了使得較小的頻 率變化獲得足夠的無功擾動W提高檢測速度，在擾動量中增加了頻率的反饋，加入一個反 饋系數(shù)，即=相頻率-無功反饋法，其控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其表達(dá)式如下：
[005引Qmv=k(fa-fg) (11)
[005引式中，k為頻率反饋系數(shù)；fa為PCC電壓的頻率；f