基于并网点特征谐波电压测量的分布式电源孤岛检测方法
技术领域
本发明涉及分布式电源孤岛检测技术领域，尤其涉及一种基于并网点特征谐波电压测量的分布式电源孤岛检测方法。
背景技术
近年来，随着能源短缺和环境问题的日益突出，新能源发电技术在国家政策的大力支持下得到了迅猛的发展，大量的新能源发电装置以分布式电源(Distributed Generation，DG)的形式接入到电网中，在缓解电网压力的同时也给电网带来了电能质量和运营规划方面的问题，其中孤岛效应就是一个主要问题。
在光伏发电、风力发电、燃料电池发电等分布式发电并网发电系统中，当电网供电过程中因故障事故或停电维修而跳脱时，未能即时检测出停电状态将自身切离供电网络，形成由分布电站并网发电系统和周围的负载组成的一个自给供电的孤岛，即孤岛效应。
孤岛运行时会给用户设备带来安全隐患，同时非计划孤岛运行对检修人员的人身安全也会构成潜在的威胁，因此需要采取相关的孤岛控制措施。孤岛后的相关控制也要保证在整个系统扰动切除后，各个孤岛可以较快的进行并网操作，使整个电网恢复到正常的安全运行状态。
孤岛检测方法主要有被动式和主动式。现有的被动式孤岛检测办法，通过检测分布式电源并网逆变器输出电压、频率或者相位的数据与设立的标准阈值进行对比，判定是否发生孤岛效应。这种方法的缺陷是由于电网正常运行时的波动也可能造成误判。另外，若分布式电源的输出功率与负载功率相匹配，则当电网供电中断，并网点电压和频率变化很小不足以检测出是否发生孤岛效应，即存在很大的检测盲区。现有的主动式孤岛检测办法是对逆变器输出电流的幅值、频率、相位给一定的扰动，使输出电压的频率或相位发生相应偏移，来确定是否发生孤岛效应，但是该检测方法由于扰动量的加入，将影响电网的电能质量。
因此，如何在不影响电网电能质量的前提下准确检测孤岛，是分布式电源并网研究的重点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于并网点特征谐波电压测量的分布式电源孤岛检测方法，该方法可靠并易于实现，对电网适应性强，适合工程实际使用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于并网点特征谐波电压测量的分布式电源孤岛检测方法，该分布式电源与逆变器相连，该逆变器依次通过入口滤波器与变压器接入电网组成分布式电源并网系统，该方法包括：
根据逆变器IGBT开关频率选取至少两组特征谐波次数作为参考次谐波来进行孤岛检测；
对逆变器输出端与位于变压器与电网之间的并网点的电压进行同步采样，并通过转换与分解后，获得所选取的至少两组特征谐波次数对应的参考次谐波电压值；
判断各组参考次谐波电压值大小是否均超出预先设定的该组谐波电压检测阈值范围；
若是，且持续时间均超过设定的时间限值，则判定发生孤岛效应。
进一步的，进行同步采样之前包括：
根据逆变器IGBT开关频率确定采样分析截止频率fh与采样频率fs，其中，fs≥2fh；
设置采样间隔Ts，采样点为![]()
且N等于2的整数次幂，f0为基波频率。
进一步的，该方法还包括确定谐波电压检测阈值范围，其步骤为：
建立系统阻抗模型，其中，该系统阻抗模型中的参数均折算至同一电压等级，电网端等效为电压源与系统阻抗串联，逆变器等效为谐波电压源；
根据该系统阻抗模型建立未发生孤岛与发生孤岛时系统谐波阻抗模型，并以此计算所选取的至少两组特征谐波次数在未发生孤岛与发生孤岛时对应的并网点参考次谐波电压；
根据每一组特征谐波次数在未发生孤岛与发生孤岛时并网点参考次谐波电压来确定该组谐波电压检测阈值范围。
进一步的，该方法还包括：将系统阻抗模型中的参数均折算至同一电压等级；
其中，电压等级记为UN，系统短路容量为Sd，则系统阻抗XS为：
XS=UN2Sd;]]>
入口滤波器的电感值与电容值分别记为L与C，系统频率记为f0，则入口滤波器感抗XL与容抗XC分别为：
XL＝2πf0L；
XC=12πf0C;]]>
变压器额定容量记为SN，短路阻抗记为Uk，则变压器阻抗XT为：
XT=UN2SNUk;]]>
系统负载容量记为SL，基波功率因数记为![]()
则等效负载电阻Rload和等效电抗Xload为：
![]()
![]()
进一步的，该方法还包括计算所选取的至少两组特征谐波次数在未发生孤岛时对应的并网点参考次谐波电压，其包括：
未发生孤岛时系统谐波阻抗模型中系统负载等效为开路，其中的参数与所选取的特征谐波次数h相关：系统阻抗XS,h＝jhXS；变压器阻抗XT,h＝jhXT；入口滤波器的容抗XC,h＝-j(XC/h)；入口滤波器感抗XL,h＝jhXL；负载阻抗![]()
为逆变器输出谐波电压；
计算逆变器并网点a的谐波电压![]()
U·a,h=XC,h||(XT,h+XS,h)XL,h+XC,h||(XT,h+XS,h)·XS,hXT,h+XS,hU·h]]>
将逆变器并网点a的谐波电压![]()
转换为并网点参考次谐波电压![]()
U·pcc,h=U·a,h/n;]]>
其中，n为变压器一次侧对二次侧变比。
进一步的，该方法还包括：计算所选取的至少两组特征谐波次数在发生孤岛时对应的并网点参考次谐波电压，其包括：
发生孤岛时系统谐波阻抗模型中系统阻抗与系统分离，分布式电源通过逆变器对负 载直接供电，其中的参数与所选取的特征谐波次数h相关：系统阻抗XS,h＝jhXS；变压器阻抗XT,h＝jhXT；入口滤波器的容抗XC,h＝-j(XC/h)；入口滤波器感抗XL,h＝jhXL；负载最小阻抗Zload,h=hRload·jhXload/(hRload+jhXload);]]>
计算逆变器并网点a的谐波电压![]()
U·′a,h=XC,h||(XT,h+Zload,h)XL,h+XC,h||(XT,h+Zload,h)·Zload,hXT,h+Zload,hU·h;]]>
将逆变器并网点a的谐波电压![]()
转换为并网点参考次谐波电压![]()
U·′pcc,h=U·′a,h/n]]>
其中，n为变压器一次侧对二次侧变比。
进一步的，所述根据每一组特征谐波次数在未发生孤岛与发生孤岛时并网点参考次谐波电压来确定该组谐波电压检测阈值范围包括：
根据所选取的特征谐波次数h未发生孤岛时与发生孤岛时并网点参考次谐波电压有效值Upcc,h与U'pcc,h确定对应的谐波电压检测阈值范围为Upcc,h～U'pcc,h。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，该方法适用于通过逆变器并网的分布式电源发电系统，该方法既可避免逆变器并网输出功率与负载功率匹配时现有被动检测办法存在的检测盲区，又可解决主动式检测办法所带来的电能质量扰动问题；同时，该方法可靠并易于实现，对电网适应性强，适合工程实际使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的分布式电源并网系统的孤岛检测原理图；
图2为本发明实施例提供的一种基于并网点特征谐波电压测量的分布式电源孤岛检测方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的系统阻抗模型的示意图；
图4为本发明实施例提供的未发生孤岛时系统谐波阻抗模型的示意图；
图5为本发明实施例提供的发生孤岛时系统谐波阻抗模型的示意图；
图6为本发明实施例提供的基于并网点特征谐波电压测量的分布式电源孤岛检测的步骤流程图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
分布式电源并网系统中，分布式电源与逆变器相连，该逆变器依次通过入口滤波器与变压器接入电网。分布式电源通过逆变器并网时，由于负载阻抗远远大于系统阻抗，在未发生孤岛时等效为开路，逆变器产生特定谐波注入系统，在并网点产生相应谐波电压。发生孤岛时，分布式电源通过逆变器对负载直接供电，系统阻抗分离，并网点谐波电压将迅速增加，本发明通过检测并网点特征谐波电压变化确定是否孤岛。因此，针对含逆变器并网的分布式电源并网系统的孤岛检测原理图如图1，需要测量逆变器输出端和并网点参考次谐波电压大小，并计算出未发生孤岛和发生孤岛两种情况下并网点参考次谐波电压大小，确定特征谐波电压比较阈值范围，从而判定是否发生孤岛效应。下面通过具体实施例来对本发明做详细的介绍。
图2为本发明实施例提供的一种基于并网点特征谐波电压测量的分布式电源孤岛检测方法的流程图。如图2所示，该方法主要包括如下步骤：
步骤21、根据逆变器IGBT开关频率选取至少两组特征谐波次数作为参考次谐波来进行孤岛检测。
本发明实施例中，为保证孤岛检测的可靠性，至少选取两组逆变器IGBT(绝缘栅双极型晶体管)开关频率附近特征谐波电压作为参考次谐波来进行孤岛检测。
步骤22、对逆变器输出端与位于变压器与电网之间的并网点的电压进行同步采样，并通过转换与分解后，获得所选取的至少两组特征谐波次数对应的参考次谐波电压值。
如图1所示，可通过PT(电压互感器)对逆变器输出端和并网点(PCC并网点)电压进行同步采样，再通过A/D转换，与傅里叶分解后，可得到各组参考次谐波电压大小。
示例性的，同步采样得到一个长度为S的有限长序列u(n)，通过A/D转换，进行傅里叶分解，得到各组参考次谐波电压大小：
U(h)=DFT[u(n)]=Σn=0S-1u(n)WSnh,0≤k≤S-1;]]>
其中，![]()
为虚单位，以下同；h为所选取的特征谐波次数。
另外，在进行同步采样之前需要进行相关参数的设定，具体包括：根据逆变器IGBT开关频率确定采样分析截止频率fh与采样频率fs，其中，fs≥2fh；设置采样间隔Ts，采样点为![]()
其中f0为基波频率，为减少傅里叶分解计算量和复杂程度，增加孤岛检测响应速度，采样点N还限定为等于2的整数次幂。
步骤23、判断各组参考次谐波电压值大小是否均超出预先设定的该组谐波电压检测阈值范围；若是，则转入步骤24；否则，转入重复执行步骤22。
本发明实施例中，每一组谐波电压检测阈值范围可通过相应的计算来确定，具体的步骤如下：
1、建立系统阻抗模型，其中，该系统阻抗模型中的参数均折算至同一电压等级，电网端等效为电压源与系统阻抗串联，逆变器等效为谐波电压源。
如图3所示为系统阻抗模型的示意图，其中：XS为系统阻抗，XT为变压器阻抗，XC为入口滤波器容抗，XL为入口滤波器感抗，Rload和Xload为负载等效电阻和电抗，US为电网电压源，![]()
为逆变器等效电压源，a点为逆变器并网点。
上述参数均折算至同一电压等级，具体的：
电压等级记为UN(低电压等级)，系统短路容量为Sd，则系统阻抗XS为：
XS=UN2Sd;]]>
入口滤波器的电感值与电容值分别记为L与C(均为单相)，系统频率记为f0，则入口滤波器感抗XL与容抗XC分别为：
XL＝2πf0L；
XC=12πf0C;]]>
变压器额定容量记为SN，短路阻抗记为Uk(％)，则变压器阻抗XT为：
XT=UN2SNUk;]]>
系统负载容量记为SL，基波功率因数记为![]()
则负载等效电阻Rload和等效电抗Xload为：
![]()
![]()
2、根据该系统阻抗模型建立未发生孤岛与发生孤岛时系统谐波阻抗模型，并以此计算所选取的至少两组特征谐波次数在未发生孤岛与发生孤岛时对应的并网点参考次谐波电压。
本步骤中，采用前述步骤11所选取的两组逆变器IGBT开关频率附近特征谐波电压作为检测比较的参考次谐波电压。
1)未发生孤岛时系统谐波阻抗模型(如图4所示)中负载阻抗远远大于系统阻抗，等效为开路，计算时不考虑，模型中参数与所选取的特征谐波次数h相关：系统阻抗XS,h＝jhXS；变压器阻抗XT,h＝jhXT；入口滤波器的容抗XC,h＝-j(XC/h)；入口滤波器感抗XL,h＝jhXL；![]()
为逆变器输出谐波电压；
计算逆变器并网点a的谐波电压![]()
U·a,h=XC,h||(XT,h+XS,h)XL,h+XC,h||(XT,h+XS,h)·XS,hXT,h+XS,hU·h=XC,h(XL,h+XC,h)+XL,hXC,h+XL,hXT,h+XC,hXT,hXS,hU·h;]]>
因为实际测试点设在变压器高压侧母线的并网点，因此需要将谐波电压折算到高压等级，即将逆变器并网点a的谐波电压![]()
转换为并网点参考次谐波电压![]()
U·pcc,h=U·a,h/n;]]>
其中，n为变压器一次侧对二次侧变比，即低电压对高电压等级变比。
2)发生孤岛时系统谐波阻抗模型(如图5所示)中系统阻抗与系统分离，分布式电源通过逆变器对负载直接供电，其中的参数与所选取的特征谐波次数h相关：系统阻抗XS,h＝jhXS；变压器阻抗XT,h＝jhXT；入口滤波器的容抗XC,h＝-j(XC/h)；入口滤波器感抗XL,h＝jhXL；负载最小阻抗Zload,h=hRload·jhXload/(hRload+jhXload);]]>
计算逆变器并网点a的谐波电压![]()
U·′a,h=XC,h||(XT,h+Zload,h)XL,h+XC,h||(XT,h+Zload,h)·Zload,hXT,h+Zload,hU·h;]]>
=XC,h(XL,h+XC,h)+XL,hXC,h+XL,hXT,h+XC,hXT,hZload,hU·h;]]>
同理，将逆变器并网点a的谐波电压![]()
转换为并网点参考次谐波电压![]()
U·′pcc,h=U·′a,h/n]]>
3、根据每一组特征谐波次数在未发生孤岛与发生孤岛时并网点参考次谐波电压来确定该组谐波电压检测阈值范围。
可以根据所选取的特征谐波次数h未发生孤岛时与发生孤岛时并网点参考次谐波电压有效值Upcc,h与U'pcc,h确定对应的谐波电压检测阈值范围为Upcc,h～U'pcc,h。
步骤24、若持续时间均超过设定的时间限值，则判定发生孤岛效应；否则，转入重复执行步骤22。
为了便于理解，下面结合一具体的示例进行说明；需要说明的是，下述示例中所采用的数值仅为举例，用户可根据实际的需求做相应的更改。
本示例中的步骤如图6所示，用于某光伏并网发电配电网系统中，基本参数如下：500kW光伏逆变器通过0.27/10kV变压器接入电网，变压器额定容量SN为500kW，短路阻抗Uk(％)为6％；10kV系统短路容量Sd为198MVA；500kW光伏逆变器LC入口滤波器的电容C＝200μF，电感L＝0.150mH；10kV系统负载基波功率因数![]()
容量为5MVA；逆变器IGBT开关频率为3kHz。
(1)系统初始化。
(2)根据逆变器IGBT开关频率选取至少两组谐波次数作为参考次谐波，本示例中IGBT开关频率为3kHz，系统频率f0为50Hz，故选取56次、58次、62次和64次四组谐波电压作为孤岛检测参考次谐波。
(3)建立系统阻抗模型，折算到0.27kV(低电压等级)侧系统阻抗为：
XS=UN2Sd=0.272198=0.000368Ω,]]>
LC入口滤波器感抗(单相)为：XL＝2πfL＝2π×50×0.15×10-3＝0.0471Ω，
LC入口滤波器容抗(单相)为：XC=12πfC=3183.1200×3=5.305Ω,]]>
变压器阻抗为：XT=UN2SNUk=0.2720.5×6%=0.008748Ω.]]>
负载电阻和电抗为：![]()
![]()
(4)根据系统阻抗模型建立未发生孤岛时系统谐波阻抗模型，并计算未发生孤岛时并网点各组参考次谐波电压大小。本示例中，选取h＝58次为例介绍计算并网点谐波电压的过程。计算58次系统各谐波阻抗值为：
XS,58=j58XS,XL,58=j58XL,XC,58=-jXC58,XT,58=j58XT;]]>
在0.27kV等效系统中，未发生孤岛时逆变器并网点a的58次谐波电压为：
U·a,58=XC,58(XL,58+XC,58)+XL,58XC,58+XL,58XT,58+XC,58XT,58XS,58U·58]]>
计算得到：
U·a,58=1.7×10-3U58]]>
折算到10kV侧母线，PCC点58次谐波电压为：
U·pcc,58=1.7×10-3×100.27U58=6.296×10-2U·a,58]]>
式中![]()
为逆变器输出的58次谐波电压。
(5)根据系统阻抗模型建立发生孤岛时系统谐波阻抗模型，并计算发生孤岛时并网点各组参考次谐波电压大小。58次负载最小阻抗Zload,58=58Rload·j58Xload/(58Rload+j58Xload),]]>其余参数与步骤(4)中的一致。
计算在0.27kV等效系统中，发生孤岛时逆变器并网点a的58次谐波电压为：
U′·a,58=XC,58(XL,58+XC,58)+XL,58XC,58+XL,58XT,58+XC,58XT,58Zload,58U·58]]>
计算得到：
U·′a,58=9.3×10-3U·58]]>
折算到10kV侧母线，PCC点58次谐波电压为：
U·′pcc,58=9.7×10-3×100.27U58=0.344U·58;]]>
(6)根据两种情况下并网点谐波电压的计算值，设定58次谐波电压检测范围为 6.296×10-2U58～0.344U58，由于系统负载阻抗大于计算所采用的负载最小阻抗，所以采用这个阈值范围检测孤岛是准确可靠的。
(7)设定同步采样频率和采样点。
根据IGBT开关频率，设定截止频率fh为70次基波频率，采样频率fs≥2fh，采样点![]()
要确定采样点N等于2的整数次幂，选取N＝28＝256，采样频率fs为12800Hz。
(8)孤岛检测时，通过PT对逆变器输出端和并网点电压进行同步采样，通过A/D转换，进行快速傅里叶分解，得到58次参考次谐波电压大小，与设定范围进行比较。另外三组56次、62次和64次谐波电压的计算比较过程与58次同理。
(8)判断各组参考次谐波电压大小是否均超出设定的谐波电压检测比较范围，如未均超过则返回第(7)步；
(9)如果均超出检测比较范围，并且持续时间均超过设定的时间限值，判定产生孤岛，输出警报信号或反孤岛控制信号。
本发明实施例的上述方案适用范围为含逆变器并网的分布式发电系统，如光伏并网发电系统。可解决逆变器并网输出功率与负载功率匹配时现有被动检测办法存在盲区(NDZ)的问题，又可避免主动式检测办法所带来的电能质量问题，且对于GB/T 29319-2012《光伏发电系统接入配电网技术规定》中关于孤岛检测快速性和准确性要求也可满足。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。