基於諧波阻抗dq分量的孤島檢測方法與流程

2023-04-26 04:34:31

本發明屬於新能源併網與控制技術領域，具體涉及到一種基於諧波阻抗dq分量的孤島檢測方法。

背景技術：

孤島故障的產生，將會危害到電網運行維護、安全、保護等各個方面。尤其在多pv發電併網系統中，孤島故障的危害顯得尤為突出，具體表現在以下幾點：

孤島效應會使頻率和電壓失去控制，若是光伏發電併網系統沒有調率和調壓的能力，且沒有相應的保護裝置加以限制，那麼電壓和頻率勢必會產生較大波動，從而對用戶設備和電網造成危害。

在由孤島運行變為併網運行時，還可能出現較高的衝擊電流，從而危害孤島系統中的設備，乃至使電網重新跳閘。

孤島效應有可能會使故障不能切除，導致設備的損害，對供電系統的自動或者手動恢復產生幹擾。

孤島效應會使部分被認為已經與所有電源斷開的線路帶電，這會給電網維修人員或者用戶帶來電擊的危險。綜上所述，必須配備相應的反孤島方案以避免上述後果的發生。

目前，已有的反孤島方案基本可以劃分成兩種，即遠程反孤島方案和局部反孤島方案。多年以來，海內外專家就反孤島方案的關注熱點大都集中在局部反孤島方案。局部反孤島方案分為主動式與被動式兩種，其中，被動式反孤島方案通過監測系統運行參數的改變來判定孤島是否發生。而主動式反孤島方案則是不斷地向系統加入一定的擾動，當某項運行參數超過允許範圍時，則判定此時處於孤島狀態。被動式和主動式反孤島方案均有優劣，一般而言，被動式反孤島方案具有一定的檢測盲區，主動式反孤島方案優點在於能夠縮小檢測盲區，但與此同時也會使系統的電能質量降低。

技術實現要素：

針對上述背景技術中所提到的目前孤島檢測方法的優劣，本發明提出了一種基於諧波阻抗dq分量的孤島檢測方法。其目的在於，無論系統發生何種斷路故障導致孤島的產生，均能在不影響電力系統電能質量的情況下，快速有效地檢測出孤島效應。

本發明的技術方案是，基於諧波阻抗dq分量的孤島檢測方法，該方法包括以下步驟：

步驟1：利用滑動數據窗計算公共連接點處特定次諧波阻抗dq分量的故障分量|δz3d|、|δz3q|、|δz5d|、|δz5q|；

步驟2：根據故障分量|δz3d|、|δz3q|、|δz5d|、|δz5q|來判斷是否發生孤島：

當|δz3d|、|δz3q|、|δz5d|、|δz5q|分別小於或等於整定值zset1、zset2、zset3、zset4時，則未發生孤島；

當|δz3d|＞zset1或|δz3q|＞zset2或|δz5d|＞zset3或|δz5q|＞zset4時，則孤島發生。

所述滑動數據窗的長度為20毫秒。

所述整定值的計算公式為：

|δz3d|＞zset1＝0.2ω

|δz3q|＞zset2＝0.2ω

|δz5d|＞zset3＝0.2ω

|δz5q|＞zset4＝0.2ω

其中：

z3d為3次諧波d軸阻抗；

z3q為3次諧波q軸阻抗；

z5d為5次諧波d軸阻抗；

z5q為5次諧波q軸阻抗；

zset1為3次諧波d軸阻抗整定值；

zset2為3次諧波q軸阻抗整定值；

zset3為5次諧波d軸阻抗整定值；

zset4為5次諧波q軸阻抗整定值。

本發明基於諧波阻抗dq分量的孤島檢測方法，主要有以下優點：

(1)無論系統發生何種斷路故障導致孤島的產生，均能在不影響電力系統電能質量的情況下，快速有效地檢測出孤島效應，且不會干擾系統的暫態響應；

(2)能夠在孤島最嚴重的情況下快速並且有效地檢測出孤島效應，滿足ieeestd.1547中對孤島檢測的時間要求。

(3)所需採樣頻率低，硬體實現簡單。

附圖說明

圖1為分布式發電系統的孤島效應示意圖；

圖2為併網光伏逆變器控制策略框圖；

圖3為併網光伏發電系統拓撲結構；

圖4為併網光伏發電系統運行參數圖；

圖5為逆變器輸出電壓波形圖；

圖6為三相斷路對稱故障下發生孤島，應用本發明的孤島檢測各特徵量波形圖；

圖6(a)為150hz(3次諧波)阻抗dq故障分量波形圖：

圖6(b)為250hz(5次諧波)阻抗dq故障分量波形圖；

圖7為單相斷路故障情況下，應用本發明的孤島檢測各特徵量波形圖；

圖7(a)為150hz(3次諧波)阻抗dq故障分量波形圖：

圖7(b)為250hz(5次諧波)阻抗dq故障分量波形圖；

圖8為兩相斷路故障情況下，應用本發明的孤島檢測各特徵量波形圖；

圖8(a)為150hz(3次諧波)阻抗dq故障分量波形圖：

圖8(b)為250hz(5次諧波)阻抗dq故障分量波形圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

利用諧波阻抗dq分量檢測孤島故障的方法是通過監測pcc處諧波阻抗在正常併網運行和孤島運行所產生差異實現的。

當併網運行時，電網可近似等效為無窮大電源，此時pcc點電位與主網側相同，諧波電流流入阻抗較小的電網當中，此時諧波電壓含量趨近於零。而當孤島發生時，由於失去了電網的支撐，分布式發電系統單獨向本地負載供電，諧波電流流入阻抗遠遠大於系統阻抗的本地負載中，此時諧波含量將大大提升，通過快速傅立葉變換(fft)提取出特定次諧波(150hz、250hz、350hz)阻抗dq分量，快速檢測出孤島的發生。由於諧波的產生是逆變器自身作用，而與主網側功率缺額無關，所以此反孤島方案能夠實現無盲區檢測。

光伏逆變器採用電網電壓定向的矢量控制，通過監測150hz、250hz的特定頻率阻抗信號在正常併網運行和孤島運行時所表現的差異實現了孤島故障的檢測。具體步驟如下：

首先，利用滑動數據窗計算公共連接點處特定次諧波阻抗dq分量的故障分量|δz3d|、|δz3q|、|δz5d|、|δz5q|；

設定的整定值均取為0.2ω。

根據故障分量|δz3d|、|δz3q|、|δz5d|、|δz5q|來判斷是否發生孤島，判據如下：

當|δz3d|、|δz3q|、|δz5d|、|δz5q|分別小於或等於整定值zset1、zset2、zset3、zset4時，則未發生孤島；當|δz3d|＞zset1或|δz3q|＞zset2或|δz5d|＞zset3或|δz5q|＞zset4時，則孤島發生。

參照圖1—圖4所示，逆變側輸出線電壓為270v，輸出電流為1000a，輸出功率為470kw。本地負荷採用rlc並聯電路(此時孤島處於最嚴重的狀態)，品質因數取為1.2，r＝0.465ω，l＝0.00123h，c＝8214uf。其中系統運行時間為1.2秒，孤島發生在t＝1s時刻，採樣頻率為4.8khz，採樣時間為0.2s(0.9-1.1s)。

如圖5兩個框圖分別代表光伏併網逆變器輸出電壓(kv)、輸出電流(ka)。由圖5可知，在正常併網運行及孤島運行時，系統運行參數基本沒有發生改變，說明此時孤島處於最嚴重的狀態。

應用本發明進行檢測，圖6為三相斷路情況下，應用本發明提出的反孤島方案測得的各特徵量波形圖：圖(a)為150hz阻抗：圖(b)為250hz。在併網運行時，各次諧波阻抗dq故障分量基本為0，當孤島故障發生時(採樣點數為480)，各次諧波阻抗dq故障分量沒有發生變化，經過兩個周波(40毫秒，採樣點數為672)後，諧波阻抗故障分量逐漸發生變化，其中150hz阻抗dq故障分量中dq分量均大於整定值，250hz阻抗d軸故障分量雖有改變，但故障分量小於整定值，250hz阻抗q軸故障分量大於整定值，與設定的條件一致，孤島檢測成功。

圖7為單相斷路情況下，應用本發明提出的反孤島方案測得的各特徵量波形圖：圖(a)為150hz阻抗：圖(b)為250hz阻抗。在併網運行時，各次諧波阻抗dq故障分量基本為0，當孤島故障發生時(採樣點數為480)，各次諧波阻抗dq故障分量沒有發生變化，經過兩個周波(40毫秒，採樣點數為672)後，諧波阻抗故障分量逐漸發生變化，其中150hz阻抗dq故障分量中dq分量均大於整定值，250hz阻抗q軸故障分量雖有改變，但故障分量小於整定值，250hz阻抗d軸故障分量大於整定值，雖有改變，但故障分量小於整定值，與設定的條件一致，孤島檢測成功。

圖8為兩相斷路情況下，應用本發明提出的反孤島方案測得的各特徵量波形圖：圖(a)為150hz阻抗：圖(b)為250hz阻抗。在併網運行時，各次諧波阻抗dq故障分量基本為0，當孤島故障發生時(採樣點數為480)，各次諧波阻抗dq故障分量沒有發生變化，經過兩個周波(40毫秒，採樣點數為672)後，諧波阻抗故障分量逐漸發生變化，其中150hz阻抗dq故障分量中dq分量均大於整定值，250hz阻抗d軸故障分量雖有改變，但故障分量小於整定值，250hz阻抗q軸故障分量大於整定值，與設定的條件一致，孤島檢測成功。

圖6、圖7、圖8表明所提供的基於諧波阻抗dq分量的孤島檢測方法無論系統發生何種斷路故障導致孤島的產生，均能在不影響電力系統電能質量的情況下，快速有效地檢測出孤島效應。

能夠在孤島最嚴重的情況下快速有效地檢測出孤島，滿足ieeestd.1547中對孤島檢測的時間要求，並且具有原理較為簡單，適用範圍廣，對於採樣頻率的要求低，硬體實現方便等優點。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但是本發明的保護範圍並不局限於此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。