基于谐波阻抗dq分量的孤岛检测方法与流程

本发明属于新能源并网与控制技术领域，具体涉及到一种基于谐波阻抗dq分量的孤岛检测方法。

背景技术：

孤岛故障的产生，将会危害到电网运行维护、安全、保护等各个方面。尤其在多pv发电并网系统中，孤岛故障的危害显得尤为突出，具体表现在以下几点：

孤岛效应会使频率和电压失去控制，若是光伏发电并网系统没有调率和调压的能力，且没有相应的保护装置加以限制，那么电压和频率势必会产生较大波动，从而对用户设备和电网造成危害。

在由孤岛运行变为并网运行时，还可能出现较高的冲击电流，从而危害孤岛系统中的设备，乃至使电网重新跳闸。

孤岛效应有可能会使故障不能切除，导致设备的损害，对供电系统的自动或者手动恢复产生干扰。

孤岛效应会使部分被认为已经与所有电源断开的线路带电，这会给电网维修人员或者用户带来电击的危险。综上所述，必须配备相应的反孤岛方案以避免上述后果的发生。

目前，已有的反孤岛方案基本可以划分成两种，即远程反孤岛方案和局部反孤岛方案。多年以来，海内外专家就反孤岛方案的关注热点大都集中在局部反孤岛方案。局部反孤岛方案分为主动式与被动式两种，其中，被动式反孤岛方案通过监测系统运行参数的改变来判定孤岛是否发生。而主动式反孤岛方案则是不断地向系统加入一定的扰动，当某项运行参数超过允许范围时，则判定此时处于孤岛状态。被动式和主动式反孤岛方案均有优劣，一般而言，被动式反孤岛方案具有一定的检测盲区，主动式反孤岛方案优点在于能够缩小检测盲区，但与此同时也会使系统的电能质量降低。

技术实现要素：

针对上述背景技术中所提到的目前孤岛检测方法的优劣，本发明提出了一种基于谐波阻抗dq分量的孤岛检测方法。其目的在于，无论系统发生何种断路故障导致孤岛的产生，均能在不影响电力系统电能质量的情况下，快速有效地检测出孤岛效应。

本发明的技术方案是，基于谐波阻抗dq分量的孤岛检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：利用滑动数据窗计算公共连接点处特定次谐波阻抗dq分量的故障分量|δz3d|、|δz3q|、|δz5d|、|δz5q|；

步骤2：根据故障分量|δz3d|、|δz3q|、|δz5d|、|δz5q|来判断是否发生孤岛：

当|δz3d|、|δz3q|、|δz5d|、|δz5q|分别小于或等于整定值zset1、zset2、zset3、zset4时，则未发生孤岛；

当|δz3d|＞zset1或|δz3q|＞zset2或|δz5d|＞zset3或|δz5q|＞zset4时，则孤岛发生。

所述滑动数据窗的长度为20毫秒。

所述整定值的计算公式为：

|δz3d|＞zset1＝0.2ω

|δz3q|＞zset2＝0.2ω

|δz5d|＞zset3＝0.2ω

|δz5q|＞zset4＝0.2ω

其中：

z3d为3次谐波d轴阻抗；

z3q为3次谐波q轴阻抗；

z5d为5次谐波d轴阻抗；

z5q为5次谐波q轴阻抗；

zset1为3次谐波d轴阻抗整定值；

zset2为3次谐波q轴阻抗整定值；

zset3为5次谐波d轴阻抗整定值；

zset4为5次谐波q轴阻抗整定值。

本发明基于谐波阻抗dq分量的孤岛检测方法，主要有以下优点：

(1)无论系统发生何种断路故障导致孤岛的产生，均能在不影响电力系统电能质量的情况下，快速有效地检测出孤岛效应，且不会干扰系统的暂态响应；

(2)能够在孤岛最严重的情况下快速并且有效地检测出孤岛效应，满足ieeestd.1547中对孤岛检测的时间要求。

(3)所需采样频率低，硬件实现简单。

附图说明

图1为分布式发电系统的孤岛效应示意图；

图2为并网光伏逆变器控制策略框图；

图3为并网光伏发电系统拓扑结构；

图4为并网光伏发电系统运行参数图；

图5为逆变器输出电压波形图；

图6为三相断路对称故障下发生孤岛，应用本发明的孤岛检测各特征量波形图；

图6(a)为150hz(3次谐波)阻抗dq故障分量波形图：

图6(b)为250hz(5次谐波)阻抗dq故障分量波形图；

图7为单相断路故障情况下，应用本发明的孤岛检测各特征量波形图；

图7(a)为150hz(3次谐波)阻抗dq故障分量波形图：

图7(b)为250hz(5次谐波)阻抗dq故障分量波形图；

图8为两相断路故障情况下，应用本发明的孤岛检测各特征量波形图；

图8(a)为150hz(3次谐波)阻抗dq故障分量波形图：

图8(b)为250hz(5次谐波)阻抗dq故障分量波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

利用谐波阻抗dq分量检测孤岛故障的方法是通过监测pcc处谐波阻抗在正常并网运行和孤岛运行所产生差异实现的。

当并网运行时，电网可近似等效为无穷大电源，此时pcc点电位与主网侧相同，谐波电流流入阻抗较小的电网当中，此时谐波电压含量趋近于零。而当孤岛发生时，由于失去了电网的支撑，分布式发电系统单独向本地负载供电，谐波电流流入阻抗远远大于系统阻抗的本地负载中，此时谐波含量将大大提升，通过快速傅里叶变换(fft)提取出特定次谐波(150hz、250hz、350hz)阻抗dq分量，快速检测出孤岛的发生。由于谐波的产生是逆变器自身作用，而与主网侧功率缺额无关，所以此反孤岛方案能够实现无盲区检测。

光伏逆变器采用电网电压定向的矢量控制，通过监测150hz、250hz的特定频率阻抗信号在正常并网运行和孤岛运行时所表现的差异实现了孤岛故障的检测。具体步骤如下：

首先，利用滑动数据窗计算公共连接点处特定次谐波阻抗dq分量的故障分量|δz3d|、|δz3q|、|δz5d|、|δz5q|；

设定的整定值均取为0.2ω。

根据故障分量|δz3d|、|δz3q|、|δz5d|、|δz5q|来判断是否发生孤岛，判据如下：

当|δz3d|、|δz3q|、|δz5d|、|δz5q|分别小于或等于整定值zset1、zset2、zset3、zset4时，则未发生孤岛；当|δz3d|＞zset1或|δz3q|＞zset2或|δz5d|＞zset3或|δz5q|＞zset4时，则孤岛发生。

参照图1—图4所示，逆变侧输出线电压为270v，输出电流为1000a，输出功率为470kw。本地负荷采用rlc并联电路(此时孤岛处于最严重的状态)，品质因数取为1.2，r＝0.465ω，l＝0.00123h，c＝8214uf。其中系统运行时间为1.2秒，孤岛发生在t＝1s时刻，采样频率为4.8khz，采样时间为0.2s(0.9-1.1s)。

如图5两个框图分别代表光伏并网逆变器输出电压(kv)、输出电流(ka)。由图5可知，在正常并网运行及孤岛运行时，系统运行参数基本没有发生改变，说明此时孤岛处于最严重的状态。

应用本发明进行检测，图6为三相断路情况下，应用本发明提出的反孤岛方案测得的各特征量波形图：图(a)为150hz阻抗：图(b)为250hz。在并网运行时，各次谐波阻抗dq故障分量基本为0，当孤岛故障发生时(采样点数为480)，各次谐波阻抗dq故障分量没有发生变化，经过两个周波(40毫秒，采样点数为672)后，谐波阻抗故障分量逐渐发生变化，其中150hz阻抗dq故障分量中dq分量均大于整定值，250hz阻抗d轴故障分量虽有改变，但故障分量小于整定值，250hz阻抗q轴故障分量大于整定值，与设定的条件一致，孤岛检测成功。

图7为单相断路情况下，应用本发明提出的反孤岛方案测得的各特征量波形图：图(a)为150hz阻抗：图(b)为250hz阻抗。在并网运行时，各次谐波阻抗dq故障分量基本为0，当孤岛故障发生时(采样点数为480)，各次谐波阻抗dq故障分量没有发生变化，经过两个周波(40毫秒，采样点数为672)后，谐波阻抗故障分量逐渐发生变化，其中150hz阻抗dq故障分量中dq分量均大于整定值，250hz阻抗q轴故障分量虽有改变，但故障分量小于整定值，250hz阻抗d轴故障分量大于整定值，虽有改变，但故障分量小于整定值，与设定的条件一致，孤岛检测成功。

图8为两相断路情况下，应用本发明提出的反孤岛方案测得的各特征量波形图：图(a)为150hz阻抗：图(b)为250hz阻抗。在并网运行时，各次谐波阻抗dq故障分量基本为0，当孤岛故障发生时(采样点数为480)，各次谐波阻抗dq故障分量没有发生变化，经过两个周波(40毫秒，采样点数为672)后，谐波阻抗故障分量逐渐发生变化，其中150hz阻抗dq故障分量中dq分量均大于整定值，250hz阻抗d轴故障分量虽有改变，但故障分量小于整定值，250hz阻抗q轴故障分量大于整定值，与设定的条件一致，孤岛检测成功。

图6、图7、图8表明所提供的基于谐波阻抗dq分量的孤岛检测方法无论系统发生何种断路故障导致孤岛的产生，均能在不影响电力系统电能质量的情况下，快速有效地检测出孤岛效应。

能够在孤岛最严重的情况下快速有效地检测出孤岛，满足ieeestd.1547中对孤岛检测的时间要求，并且具有原理较为简单，适用范围广，对于采样频率的要求低，硬件实现方便等优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但是本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。