基於相位偏移和頻率變化的複合型孤島檢測方法

2023-05-30 02:03:16 1

專利名稱：基於相位偏移和頻率變化的複合型孤島檢測方法
技術領域：
本發明涉及屬於配電網的保護與控制技術領域和分布式發電技術領域，更具體地說是涉 及一種分布式同步發電機的基於相位偏移和頻率變化的複合型孤島檢測方法。
背景技術：
併網運行的分布式電源需安裝孤島檢測裝置，快速、準確地檢測出孤島狀態， 一旦孤島 發生立即採取相應措施，消除孤島運行可能產生的危害。由於分布式發電機(DG， Distributed Generator)的種類及其併網方式不同，其孤島檢測的方法也不同。對於同步發電機而言，一 般採用基於本地(DG側)電氣量變化的被動檢測法。其中，利用DG端電壓相位偏移進行孤 島檢測是一種運用於實際的孤島檢測方法，但該方法存在靈敏度及可靠性問題。
相位偏移法的依據是孤島發生瞬間DG輸出的有功功率與負載有功功率的不平衡，從而引 起DG端電壓頻率的變化及相位的偏移。當孤島瞬間功率不平衡的程度較小時，DG端電壓的 相位偏移量很小，而DG與電網並聯運行時負載的變化也會引起同樣大小的相位偏移值，裝置 無法區分孤島與非孤島。為防止孤島檢測裝置誤動，必須設定一個較高的相位偏移動作值， 從而降低了檢測裝置的靈敏度。僅靠檢測相位偏移不能解決靈敏度和誤動的矛盾。

發明內容
針對傳統相位偏移法存在的靈敏度和可靠性問題，本發明提出了一種基於相位偏移和頻 率變化的複合型孤島檢測方法，將頻率變化引入孤島檢測，與相位偏移相結合組成複合判據； 在保證可靠性的前提下，有效地提高孤島檢測裝置的靈敏。
為實現上述目的，本發明採用如下技術方案-
一種基於相位偏移和頻率變化的複合型孤島檢測方法，它通過檢測DG端電壓的相位偏移 量AP和頻率變化值A/來判斷DG是否處於孤島運行狀態；
首先，設置兩個相位偏移動作值A《和A^ ，且滿足A《〉A^:當分布式發動機端電壓 的相位偏移角AP〉A《時，直接判斷DG為孤島運行；而當A《〉Ae〉A&時，引入頻率變
化值A/作為輔助檢測量，只有同時滿足A9〉A&且A/〈 A/;時，為頻率變化動作值，
檢測裝置才動作，判斷為孤島狀態；孤島檢測的複合型動作判據歸納如下
〉 A《 (1) ,
或 AP > 且 △/< (2)
上述判據(1)用於孤島瞬間DG和負載有功功率不匹配程度較大時的情況，而判據(2) 用於孤島後DG所帶負載有功功率變化不大的情況，即傳統相位偏移法無法檢測出的孤島狀 況，通過引入頻率變化量，將相位偏移和頻率變化相結合，判斷DG是否處於孤島狀態。
所述頻率變化動作值4/;的選取應大於孤島瞬間功率不匹配程度較小時產生的頻率變化最
大值，相位偏移動作值A《應大於DG與電網並聯運行時負載的變化引起的相位偏移最大值，
A《的選取與靈敏度要求有關，選取的值越小靈敏度越高。
圖1為安裝有相位偏移繼電器的分布式發電系統等值電路，假定分布式電源為同步發電
3機。在正常運行情況下，如果斷路器CB2跳開則會形成孤島，由於DG所帶負載功率的突然增 加(或減少)，DG端電壓(;和電動勢f之間的功角3會發生變化，端電壓將從孤島前的w跳變 到一個新的值"'，其相位也會隨之改變。隨著時間的推移"'與"之間的相位差AP逐漸增大， 直至DG的頻率重新回歸到額定值，如圖2所示。端電壓的這種變化稱之為相位偏移，相位偏 移法就是基於這一特性而建立的一種孤島檢測方法。相位偏移繼電器不間斷地檢測端電壓(/ 的相位變化值AP，如果A^大於繼電器設定的閾值a，則發出孤島運行信號。
基於相位偏移和頻率變化的複合型孤島檢測方法。該方法通過檢測DG端電壓的相位偏移 量A《和頻率變化值A/來判斷DG是否處於孤島運行狀態，設置兩個相位偏移動作值A《和 A&，且滿足這裡，A《為大定值，A&為小定值。當相位偏移角M〉A《時； 直接判斷DG為孤島運行；而當A《〉AP〉A^時，引入頻率變化值A/作為輔助檢測量，只 有同時滿足^>厶&且^/< A,時，檢測裝置才動作，判斷為孤島狀態。孤島檢測的複合 型動作判據歸納如下
> A《 (1) 或 A《> 且 △/< A/, (2)
上述判據(1)用於孤島瞬間DG和負載有功功率不匹配程度較大時的情況，而判據(2) 用於孤島後DG所帶負載有功功率變化不大的情況，即傳統相位偏移法無法檢測出的孤島狀 況，通過引入頻率變化量，將相位偏移和頻率變化相結合，判斷DG是否處於孤島狀態。頻率 變化動作值4/j的選取應大於孤島瞬間功率不匹配程度較小時可能產生的頻率變化最大值，相 位偏移動作值a^應大於DG與電網並聯運行時負載的變化引起的相位偏移最大值，a《的逸 取與靈敏度要求有關，選取的值越小靈敏度越高。
本發明的有益效果為本發明提出的基於相位偏移和頻率變化的複合型孤島檢測方法與 傳統相位偏移法相比較，當孤島瞬間功率不平衡的程度較小時引入了頻率變化量，用於區別 孤島與非孤島，其實質就是在保證可靠性的前提下，通過降低閾值，提高孤島檢測裝置的靈 敏度。


圖l裝有相位偏移繼電器的系統等值電路； 圖2 DG端電壓的相位偏移圖； 圖3相位偏移與頻率變化的關係圖； 圖4動態模擬系統圖5a頻率變化與相位偏移的動模仿真試驗結果；
圖5b為孤島前DG所帶有功功率為7. 5 kW的變化情況；
圖5c為孤島前DG所帶有功功率為8. 0 kW的變化情況；
圖5d為孤島前DG所帶的有功功率為8. 5 kW時相位的變化情況； '
圖5e是負載由6 kW增加到10kW時DG端電壓相位的變化情況。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。 本發明的檢測原理
相位偏移角^9是頻率變化4/"引起的累計值，其大小由頻率變化的大小和變化所持續的 時間兩個因素決定，可以推導出它們之間的關係為-
A(9 = 2;rJ"4/af由上式可知，對於相同的相位偏移量，頻率變化所持續的時間不同，相應的頻率變化最大值 也不同，可用圖3表示，其中r,、 h及,/ 、 z2'分別為兩種不同情況下頻率變化的啟始及結 束時刻，AP為圖中陰影部分的面積。可見，對於相同的AP,相應的頻率變化最大值是不同 的。
對DG而言，當與電網並聯運行時負載變化引起的相位偏移與孤島狀態下的相位偏移相等 時，相應的頻率變化值是不同的。對於前一種情況，由於電網的頻率調節能力較強，其頻率 變化的持續時間較短，相應的頻率變化值較大；而對後一種情況，由於DG自身的頻率調節能 力相對較弱，其頻率調節持續的時間相對較長，相同的相位偏移所對應的頻率變化值較小。 因而，可以將頻率變化值作為孤島檢測量，與相位偏移相結合組成複合判據用於孤島檢測。 當孤島瞬間DG輸出有功功率和負載有功功率不匹配程度較小、產生的相位偏移也較小時，僅 根據相位偏移無法區分孤島與非孤島，此時可根據頻率變化的大小來判斷DG是否處於孤島狀^^。
動模試驗分析。動模仿真系統如圖4所示，其中DG為一 15KVA同步發電機，負載L由靜 態負荷和旋轉的電動機組成，故障錄波器安裝在DG的併網連接處。當斷路器CB2或CB3跳開 時，DG和負載L脫離公用電網組成一個孤島系統。孤島後DG的端電壓由故障錄波器測得， 然後根據錄波器記錄的瞬時值，離線計算出DG端電壓的頻率變化及相位偏移。
1 .孤島瞬間DG端電壓的相位偏移。DG與電網並列運行，負載L的有功功率為10kW， 功率因數為0.9，由DG和電網共同提供，其中DG負擔的有功功率為7 kW。 t=0時，跳開斷 路器CB3， DG處於孤島運行狀態，負載的有功功率完全由DG提供。由於孤島發生的瞬間DG 輸出的有功功率與負載功率不平衡，從而引起端電壓頻率的變化及相位偏移，試驗結果如圖 5 (a)所示。圖中顯示，孤島發生後DG端電壓的頻率下降，相應地引起相位的偏移。相位偏 移角度A^在大約5個周波時達到5° ，如果VS繼電器的動作值設定為5° ,則相位偏移方法 將在5個周波內檢測出孤島狀態。可見，利用相位偏移能快速檢測孤島的發生。
2. 有功功率不平衡程度對相位偏移法的影響。為了分析孤島形成瞬間有功功率不平衡 對相位偏移法的影響，進行下述仿真研究。負載L的有功功率仍為10kW,功率因數為0.9。 DG與電網並列運行時，其負擔的有功功率分別為9 kW、 8.5 kW、 8 kW、 7.5 kW。跳開斷路 器CB3， DG處於孤島運行狀態，負載的功率完全由DG提供。孤島狀態下DG端電壓的相位偏 移如圖5b至圖5d所示。圖5b、圖5c分別為孤島前DG所帶有功功率為7. 5 kW和8. 0 kW的 情況。圖5b顯示，相位的偏移角A^在大約6個周波時達到5。，而圖5c顯示，A6在大約7 個周波時才達到5° 。可見，隨著孤島發生時有功功率不平衡程度的減小，相位的變化也隨 之減小，相位偏移法檢測出孤島的時間延長。圖5d為孤島前DG所帶的有功功率為8.5kW時 相位的變化情況，圖中同時給出了頻率的變化情況。圖5d顯示，最大相位偏移值為3。，這 是由於孤島發生時功率不平衡程度很小，相應的頻率變化及相位偏移也很小。當DG趨於穩定 時，頻率恢復到正常值，相位偏移角A6不再發生變化。如果動作值仍為5。，則VS方法將不 能檢測出孤島狀態。若將VS繼電器的動作值減小到3。可以檢測出孤島狀態，但動作值的減 小會引起檢測裝置的誤動(見仿真結果)。
3. 負載變化對相位偏移法的影響。當DG與電網併網運行時，負載有功功率的變化也會 引起DG端電壓相位的偏移，有可能使VS繼電器誤動作，對此進行下述動模仿真試驗DG 與電網併網運行，負載L的功率由DG和電網共同提供，分別將負載的有功功率由6 kW、 7 kW、 8kW增加到10kW，檢測DG端電壓頻率及相位的變化。圖5e是負載由6 kW增加到10kW時DG 端電壓相位的變化情況，圖中同時給出了頻率的變化情況。由圖5e可以看出，負載有功功 率的變化同樣會引起頻率及相位的變化。但由於DG與電網並聯運行，雖然負載的有功功率 變化很大，頻率及相位的變化並不十分明顯，但最大相位偏移角度z^仍然達到3。。另一項 研究是將負載的有功功率從10kW分別減小到6 kW、 7kW、 8kW，可得到相似的結果，不同之 處在於負載的減小將引起頻率的增加，相位偏移將反方向增加。由此可見，如果將VS繼電器的動作值減小到3° ，將會引起檢測裝置的誤動。
由上述動模試驗可以看出，利用DG端電壓的相位偏移能快速地檢測出DG是否處於孤島 狀態。但隨著孤島瞬間DG輸出有功功率和負載有功功率不匹配程度的降低，相位偏移值隨之 減小，當減小到DG與電網併網運行時負載變化引起的相位偏移值時，裝置無法區分孤島與非 孤島。如果設定一個較高的相位偏移動作值(如5° )，可以避免檢測裝置的誤動，但卻降 低了孤島檢測的靈敏度，這對配電網是不利的。從保證電網安全的角度考慮，可降低閾值(如 3° )來提高檢測裝置的靈敏度，但隨之而來的是誤動機率的增大，即DG在非孤島運行狀態 下被錯誤地從電網中退出的機率增大。可見，僅僅檢測相位偏移不能解決靈敏度和誤動的矛 盾。而根據本發明提出的基於相位偏移和頻率變化的複合型孤島檢測方法，針對孤島瞬間功 率不匹配較小時的孤島檢測，引入頻率變化作為檢測量，與相位偏移相結合，則能可靠地區
分孤島與非孤島狀態。假定設定A《為5。 ， A&為3。 ， A/;為0.4Hz，則圖5d對應的孤島瞬
間有功功率不匹配很小時的孤島狀態可以被檢測出來，而對於圖5d對應的DG與電網並聯運 行時負載波動的情況，雖然引起的相位偏移值大於3° ，但頻率變化值大於0. 4Hz,不會造成 檢測裝置誤動。可見，本發明提出的檢測方法，其實質就是在保證可靠性的前提下，通過降 低閾值，提高孤島檢測的靈敏度。
動模仿真試驗結果證明了本發明針同步發動機提出的孤島檢測新方法的正確性，該方法 可以在保證可靠性的前提下，提高檢測裝置的靈敏度。隨著分布式發電技術的推廣，併網DG 的孤島檢測問題會越來越重要，新孤島檢測方法的使用將極大地提高含分布式電源配電網運 行的安全性，同時提高了分布式發電商的經濟效益。
權利要求
1.一種基於相位偏移和頻率變化的複合型孤島檢測方法，其特徵是，它通過檢測DG端電壓的相位偏移量Δθ和頻率變化值Δf來判斷DG是否處於孤島運行狀態；首先，設置兩個相位偏移動作值Δθ1和Δθ2，且滿足Δθ1＞Δθ2；當分布式發動機端電壓的相位偏移角Δθ＞Δθ1時，直接判斷DG為孤島運行；而當Δθ1＞Δθ＞Δθ2時，引入頻率變化值Δf作為輔助檢測量，只有同時滿足Δθ＞Δθ2且Δf＜Δf1時，Δf1為頻率變化動作值，檢測裝置才動作，判斷為孤島狀態；孤島檢測的複合型動作判據歸納如下Δθ＞Δθ1(1)或Δθ＞Δθ2且Δf＜Δf1 (2)上述判據(1)用於孤島瞬間DG和負載有功功率不匹配程度較大時的情況，而判據(2)用於孤島後DG所帶負載有功功率變化不大的情況，即傳統相位偏移法無法檢測出的孤島狀況，通過引入頻率變化量，將相位偏移和頻率變化相結合，判斷DG是否處於孤島狀態。
2. 如權利要求1所述的基於相位偏移和頻率變化的複合型孤島檢測方法，其特徵是，所述頻率變化動作值A/;的選取應大於孤島瞬間功率不匹配程度較小時產生的頻率變化最大值，相位偏移動作值a《應大於DG與電網並聯運行時負載的變化引起的相位偏移最大值，a《的 選取與靈敏度要求有關，選取的值越小靈敏度越高。
全文摘要
本發明公開了一種基於相位偏移和頻率變化的複合型孤島檢測方法。首先，設置兩個相位偏移動作值Δθ1和Δθ2，且滿足Δθ1＞Δθ2；當分布式發動機(DG，Distributed Generator)端電壓的相位偏移角Δθ＞Δθ1時，直接判斷DG為孤島運行；而當Δθ1＞Δθ＞Δθ2時，引入頻率變化值Δf作為輔助檢測量，只有同時滿足Δθ＞Δθ2且Δf＜Δf1時，Δf1為頻率變化動作值，檢測裝置才動作，判斷為孤島狀態；孤島檢測的複合型動作判據歸納如下Δθ＞Δθ1(1)或 Δθ＞Δθ2且Δf＜Δf1(2)上述判據(1)用於孤島瞬間DG和負載有功功率不匹配程度較大時的情況，而判據(2)用於孤島後DG所帶負載有功功率變化不大的情況，即傳統相位偏移法無法檢測出的孤島狀況，通過引入頻率變化量，將相位偏移和頻率變化相結合，判斷DG是否處於孤島狀態。
文檔編號H02H7/26GK101651337SQ20091001877
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月17日 優先權日2009年9月17日
發明者侯梅毅, 翔 姚, 孫愛民, 張永武, 曹華明, 李玉志, 勇 林, 武志剛, 胡曉東, 陸以軍, 高厚磊 申請人:山東大學;山東電力集團公司濰坊供電公司