具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島系統(tǒng)和方法，包括步驟1：搭建分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路；步驟2：由主動(dòng)相位偏移擾動(dòng)模塊在并網(wǎng)系統(tǒng)的控制電路中注入相角擾動(dòng)；步驟3：通過以并網(wǎng)系統(tǒng)中公共連接點(diǎn)的電壓信號(hào)和由鎖相環(huán)得到的電網(wǎng)頻率信號(hào)為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)和電網(wǎng)故障自愈，所述公共連接點(diǎn)是指并網(wǎng)濾波器和本地負(fù)載接入電網(wǎng)的位置。本發(fā)明能夠快速檢測(cè)出孤島，對(duì)采用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)同步的分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，不需要添加任何額外的傳感器等硬件；在系統(tǒng)本地負(fù)載為與分布式發(fā)電系統(tǒng)功率相匹配的并聯(lián)RLC負(fù)載的極端情況下，仍能快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出孤島運(yùn)行狀態(tài)，不存在檢測(cè)盲區(qū)，并能夠有效提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。
【專利說明】
具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的反孤島保護(hù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著化石能源日趨枯竭，太陽能、風(fēng)能、燃料電池等新能源得到了廣泛開發(fā)和使用。這些分布式發(fā)電設(shè)備通過功率變換器接入電網(wǎng)，向電網(wǎng)輸送電能。對(duì)于分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，存在孤島效應(yīng)這一安全隱患。孤島效應(yīng)是指，在分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)主電網(wǎng)因檢修或發(fā)生故障等原因被切斷后，發(fā)電設(shè)備繼續(xù)向負(fù)載供電，形成供電孤島的現(xiàn)象。
[0003]孤島效應(yīng)如不能被及時(shí)檢測(cè)出，則會(huì)發(fā)生如下危險(xiǎn):
[0004](I)由于電網(wǎng)系統(tǒng)中裝設(shè)有自動(dòng)重合閘裝置，如果發(fā)電系統(tǒng)不具備反孤島能力，很有可能當(dāng)系統(tǒng)重合閘時(shí)出現(xiàn)發(fā)電裝置和電網(wǎng)不同步的情況，并可能產(chǎn)生很大的沖擊電流，損壞電路斷路器以及發(fā)電裝置，甚至致使電網(wǎng)重新跳閘；
[0005](2)由于孤島狀態(tài)下，系統(tǒng)脫離電網(wǎng)運(yùn)行，容易出現(xiàn)電壓及頻率失控的狀況。如果發(fā)電裝置不具備電壓、頻率調(diào)節(jié)能力，也不具備反孤島能力及時(shí)切出孤島狀態(tài)，則有可能產(chǎn)生較大的電壓、頻率波動(dòng)，損壞電網(wǎng)和用電設(shè)備；
[0006](3)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生接地或相間短路故障跳閘時(shí)，孤島效應(yīng)會(huì)妨礙故障的清除，而且會(huì)干擾電網(wǎng)的自動(dòng)或人工恢復(fù)；
[0007](4)電網(wǎng)跳閘檢修時(shí)，孤島效應(yīng)會(huì)使得與主電網(wǎng)斷開的線路仍帶電，會(huì)對(duì)維修人員的安全產(chǎn)生威脅。因此，當(dāng)分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)處在孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，及時(shí)檢測(cè)出孤島狀態(tài)并采取反孤島保護(hù)動(dòng)作是必要的。
[0008]孤島檢測(cè)的方法可分為被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)檢測(cè)。被動(dòng)檢測(cè)方法基于對(duì)電壓幅值、相位、頻率及諧波成分等異常的監(jiān)測(cè)，該類方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但存在較大的檢測(cè)盲區(qū)；主動(dòng)檢測(cè)方法通過對(duì)電網(wǎng)施加特定的偏移或擾動(dòng)，進(jìn)而根據(jù)電網(wǎng)的反應(yīng)做出判斷，該類方法可有效減小孤島檢測(cè)盲區(qū)，但方法較復(fù)雜，通常要向電網(wǎng)施加偏移或擾動(dòng)，因此會(huì)對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。因?yàn)闄z測(cè)盲區(qū)會(huì)直接影響到反孤島保護(hù)的可靠性，所以采用主動(dòng)檢測(cè)方法并減小對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量的影響是孤島檢測(cè)的可行方案。
[0009]另外，電力系統(tǒng)具備一定的自愈能力，例如電網(wǎng)出現(xiàn)瞬時(shí)故障后可通過自動(dòng)重合閘等設(shè)備恢復(fù)供電。但現(xiàn)有的反孤島方法均不具備自愈能力，在分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)反孤島動(dòng)作后，需要經(jīng)過人工判斷操作后方可再次接入電網(wǎng)。這樣不僅增加了分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的維護(hù)工作量，而且降低了發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。可見具有電網(wǎng)故障自愈能力的智能型反孤島方法工程實(shí)用性更強(qiáng)，更能與智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)相適應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島系統(tǒng)和方法。
[0011]根據(jù)本發(fā)明提供的具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島系統(tǒng)，其特征在于，包括:分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)主電路、主動(dòng)相位偏移(APD)擾動(dòng)模塊以及反孤島智能檢測(cè)模塊；
[0012]所述分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)主電路包括:分布式電源、功率變換器、并網(wǎng)濾波器、本地負(fù)載以及電網(wǎng)；所述分布式電源的一端通過功率變換器與并網(wǎng)濾波器的一端相連，所述并網(wǎng)濾波器的另一端經(jīng)第一斷路器與電網(wǎng)相連，本地負(fù)載經(jīng)第二斷路器與電網(wǎng)相連;其中并網(wǎng)濾波器和本地負(fù)載接入電網(wǎng)的位置稱為公共連接點(diǎn)(PCC);
[0013]所述主動(dòng)相位偏移擾動(dòng)模塊，作用于分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)的控制電路中，配合反孤島智能檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)主動(dòng)孤島檢測(cè);控制電路采用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)分布式電源并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的實(shí)時(shí)同步，鎖相環(huán)的輸入量為經(jīng)Clarke變換的以所述分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)主電路中公共連接點(diǎn)的電壓，輸出量為鎖定的電網(wǎng)電壓相位角以及用于所述反孤島智能檢測(cè)模塊的電網(wǎng)頻率信號(hào);所述主動(dòng)相位偏移擾動(dòng)模塊向鎖相環(huán)鎖定的電網(wǎng)電壓相位角加入適量的相角偏移，并用于并網(wǎng)控制電路中的電網(wǎng)同步環(huán)節(jié)；
[0014]所述反孤島智能檢測(cè)模塊，用于以所述分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)主電路中公共連接點(diǎn)的電壓信號(hào)和鎖相環(huán)得到的電網(wǎng)頻率信號(hào)為依據(jù)實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)和電網(wǎng)故障自愈。
[0015]所述分布式電源包括:光伏電池陣列、燃料電池、蓄電池、風(fēng)電、柴油發(fā)電機(jī)中的任一種;且所述功率變換器與分布式電源的類型相匹配，其中，直流電源對(duì)應(yīng)逆變器，交流電源對(duì)應(yīng)整流逆變型變換器；
[0016]所述并網(wǎng)濾波器包括:L型濾波器、LC型濾波器或LCL型濾波器中的任一種；
[0017]所述本地負(fù)載包括:任意容量及連接方式的三相對(duì)稱無源負(fù)載。
[0018]所述主動(dòng)相位偏移擾動(dòng)模塊直接給電網(wǎng)電壓相角注入相角偏移，其中，相角偏移的大小須根據(jù)控制電路的開關(guān)頻率及并網(wǎng)電能質(zhì)量的要求來整定;相角偏移越小，并網(wǎng)電能質(zhì)量越高，但孤島檢測(cè)的速度就越慢。
[0019]所述反孤島智能檢測(cè)模塊包括:孤島檢測(cè)模塊和電網(wǎng)故障自愈模塊，
[0020]所述孤島檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)是否處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)鎖相環(huán)得到的電網(wǎng)頻率信號(hào)在時(shí)間to內(nèi)持續(xù)超出電網(wǎng)允許范圍(在IEEE 1547標(biāo)準(zhǔn)下為49.3Hz?50.5Hz)時(shí)，即判定分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，啟動(dòng)反孤島保護(hù)；否則啟動(dòng)電網(wǎng)故障自愈模塊；
[0021]所述電網(wǎng)故障自愈模塊，用于檢測(cè)分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)是否需要解除反孤島保護(hù)狀態(tài)，當(dāng)分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)處于反孤島保護(hù)狀態(tài)，且公共連接點(diǎn)處電壓幅值絕對(duì)值高于閾值電壓Uth的累積時(shí)間達(dá)到時(shí)間燦寸，即判定電網(wǎng)故障已消除，解除反孤島保護(hù)，恢復(fù)并網(wǎng)發(fā)電；否則關(guān)閉電網(wǎng)故障自愈模塊。
[0022]根據(jù)本發(fā)明提供的具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島方法，包括如下步驟:
[0023]步驟1:搭建分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路；
[0024]步驟2:由主動(dòng)相位偏移擾動(dòng)模塊向控制電路注入相角擾動(dòng)；
[0025]步驟3:通過以分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)中公共連接點(diǎn)的電壓信號(hào)和鎖相環(huán)得到的電網(wǎng)頻率信號(hào)為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)和電網(wǎng)故障自愈，所述公共連接點(diǎn)是指并網(wǎng)濾波器和本地負(fù)載接入電網(wǎng)的位置。
[0026]步驟I中搭建的分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)主電路包括:分布式電源、功率變換器、并網(wǎng)濾波器、本地負(fù)載以及電網(wǎng)；所述分布式電源的一端通過功率變換器與并網(wǎng)濾波器的一端相連，所述并網(wǎng)濾波器的另一端經(jīng)第一斷路器與電網(wǎng)相連，本地負(fù)載經(jīng)第二斷路器與電網(wǎng)相連;其中并網(wǎng)濾波器和本地負(fù)載接入電網(wǎng)的位置稱為公共連接點(diǎn)。
[0027]所述分布式電源包括:光伏電池陣列、燃料電池、蓄電池、風(fēng)電、柴油發(fā)電機(jī)中的任一種;且所述功率變換器與分布式電源的類型相匹配，其中，直流電源對(duì)應(yīng)逆變器，交流電源對(duì)應(yīng)整流-逆變型變換器；
[0028]所述并網(wǎng)濾波器包括:L型濾波器、LC型濾波器或LCL型濾波器中的任一種；
[0029]所述本地負(fù)載包括:任意容量及連接方式的三相對(duì)稱無源負(fù)載。
[0030]所述步驟2包括:向鎖相環(huán)鎖定的電網(wǎng)電壓相位角加入適量的相角偏移，并用于并網(wǎng)控制電路中的電網(wǎng)同步環(huán)節(jié)，其中，相角偏移的大小須根據(jù)控制電路的開關(guān)頻率及并網(wǎng)電能質(zhì)量的要求來整定;相角偏移越小，并網(wǎng)電能質(zhì)量越高，但孤島檢測(cè)的速度就越慢。
[0031]所述步驟3包括:
[0032]步驟3.1:采集分布式電源并網(wǎng)主電路中公共連接點(diǎn)的電壓信號(hào)，并由鎖相環(huán)得到電網(wǎng)頻率信號(hào)；
[0033]步驟3.2:孤島檢測(cè)步驟，即當(dāng)鎖相環(huán)得到的電網(wǎng)頻率信號(hào)在時(shí)間to內(nèi)持續(xù)超出電網(wǎng)允許范圍(在IEEE 1547標(biāo)準(zhǔn)下為49.3Hz?50.5Hz)時(shí)，即判定系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，啟動(dòng)反孤島保護(hù);否則執(zhí)行步驟3.3;
[0034]步驟3.3:判斷分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)是否滿足處于反孤島保護(hù)狀態(tài)，且公共連接點(diǎn)處電壓幅值絕對(duì)值高于閾值電壓Uth的累積時(shí)間達(dá)到時(shí)間，當(dāng)滿足時(shí)，判定電網(wǎng)故障已消除，解除反孤島保護(hù)，恢復(fù)并網(wǎng)發(fā)電;若不滿足，則結(jié)束，準(zhǔn)備下一次檢測(cè)。
[0035]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0036]1、根據(jù)本發(fā)明提供的具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島方法能夠快速檢測(cè)出孤島，對(duì)采用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)同步的分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，不需要添加任何額外的傳感器等硬件;其中，反孤島智能檢測(cè)算法也十分容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡娋W(wǎng)頻率可直接由鎖相環(huán)得到。
[0037]2、根據(jù)本發(fā)明提供的具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島系統(tǒng)，在系統(tǒng)本地負(fù)載為與分布式發(fā)電系統(tǒng)功率相匹配的并聯(lián)RLC負(fù)載的極端情況下，仍能快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出孤島運(yùn)行狀態(tài)，不存在檢測(cè)盲區(qū)。
[0038]3、根據(jù)本發(fā)明提供的具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島方法能夠在孤島保護(hù)動(dòng)作后快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出電網(wǎng)故障消除的狀態(tài)并恢復(fù)系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電，在電網(wǎng)發(fā)生瞬時(shí)故障并成功自動(dòng)重合閘等類似情形下，可大大減少分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的維護(hù)工作量，有效提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。
【附圖說明】
[0039]通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0040]圖1為分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041 ]圖2為反孤島智能檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0042]圖3為主動(dòng)相位偏移(APD)擾動(dòng)模塊的實(shí)現(xiàn)框圖；
[0043]圖4為主動(dòng)相位偏移擾動(dòng)模塊注入擾動(dòng)后的并網(wǎng)電流波形圖；
[0044]圖5為MATLAB環(huán)境下模擬電網(wǎng)故障檢驗(yàn)反孤島智能檢測(cè)算法有效性的結(jié)果圖。
[0045]圖中:
[0046]1-分布式電源；
[0047]2-功率變換器；
[0048]3-并網(wǎng)濾波器；
[0049]4-第一斷路器；
[0050]5-公共連接點(diǎn)(PCC);
[0051 ] 6-本地負(fù)載；
[0052]7-第二斷路器；
[0053]8_ 電網(wǎng)；
[0054]9_電網(wǎng)電壓信號(hào)；
[0055]10-Clarke 變換；
[0056]11-鎖相環(huán)；
[0057]12-相角偏移；
[0058]13-相加器；
[0059]14-并網(wǎng)控制電路中的電網(wǎng)同步環(huán)節(jié)。
【具體實(shí)施方式】
[0060]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0061]本發(fā)明提出一種具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島方法，在所注入的擾動(dòng)基本不影響電網(wǎng)質(zhì)量的前提下，可快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的孤島運(yùn)行狀態(tài)，且當(dāng)電網(wǎng)故障清除后，具有自動(dòng)接入電網(wǎng)繼續(xù)并網(wǎng)發(fā)電的自愈能力。不僅解決了傳統(tǒng)反孤島方法難以兼顧檢測(cè)可靠性和電網(wǎng)質(zhì)量的問題，而且有效降低了非自愈型反孤島方法帶來的維護(hù)工作量，改善了發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。
[0062]根據(jù)本發(fā)明提供的具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島方法包括分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)主電路、主動(dòng)相位偏移(APD)擾動(dòng)注入方法和反孤島智能檢測(cè)算法。
[0063]其中，分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)主電路包括分布式電源、功率變換器、并網(wǎng)濾波器、本地負(fù)載和電網(wǎng)。分布式電源可以是光伏電池陣列、燃料電池、蓄電池等直流電源，也可以是風(fēng)電、柴油發(fā)電機(jī)等交流電源;功率變換器須與電源類型相匹配，直流電源對(duì)應(yīng)逆變器，交流電源對(duì)應(yīng)整流-逆變型變換器;并網(wǎng)濾波器可以采用L型、LC型或LCL型濾波器;本地負(fù)載可以是任意容量及連接方式的三相對(duì)稱無源負(fù)載。分布式電源與功率變換器相連，其中，直流電源采用雙線連接方式，交流電源采用三線連接方式;并網(wǎng)濾波器一端與功率變換器相連，另一端經(jīng)斷路器與電網(wǎng)相連;本地負(fù)載經(jīng)另一斷路器與電網(wǎng)相連。并網(wǎng)濾波器和本地負(fù)載接入電網(wǎng)的位置稱為公共連接點(diǎn)(PCC)，并網(wǎng)電壓在此點(diǎn)采樣。
[0064]主動(dòng)相位偏移擾動(dòng)注入方法是在分布式發(fā)電并網(wǎng)控制電路中，向鎖相環(huán)鎖定的電網(wǎng)電壓相位角加入適量的相角偏移，得到用作控制電路中并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓保持同步的基準(zhǔn)信號(hào)。其特征是，直接給電網(wǎng)電壓相角注入相角偏移，不同于現(xiàn)有的須采用主動(dòng)頻率偏移(AFD)方法的注入方式，其優(yōu)點(diǎn)在于方法更加簡(jiǎn)單，也更容易整定出符合要求的偏移量。其中，相角偏移量的大小須根據(jù)控制電路的開關(guān)頻率及并網(wǎng)電能質(zhì)量的要求來整定;相角偏移量越小，并網(wǎng)電能質(zhì)量越高，但孤島檢測(cè)的速度就越慢，所以應(yīng)當(dāng)選取合適的偏移量，既滿足孤島檢測(cè)時(shí)間的要求，又基本不影響電網(wǎng)質(zhì)量;隨開關(guān)頻率提高應(yīng)適當(dāng)減小相角偏移量。
[0065]反孤島智能檢測(cè)算法主要包含孤島檢測(cè)和電網(wǎng)故障自愈兩部分。孤島檢測(cè)判據(jù)為:由鎖相環(huán)得到的電網(wǎng)頻率信號(hào)是否在時(shí)間U內(nèi)持續(xù)超出電網(wǎng)允許范圍(在IEEE 1547標(biāo)準(zhǔn)下為49.3Hz?50.5Hz)。若判據(jù)滿足，則判定為孤島運(yùn)行狀態(tài)，啟動(dòng)反孤島保護(hù)，否則進(jìn)入電網(wǎng)故障自愈判定。電網(wǎng)故障自愈判據(jù)為:系統(tǒng)是否已處于反孤島保護(hù)狀態(tài)且公共連接點(diǎn)處電壓幅值絕對(duì)值高于閾值電壓Uth的累積時(shí)間達(dá)到時(shí)間^。若判據(jù)滿足，則判定電網(wǎng)故障已消除，解除反孤島保護(hù)，恢復(fù)并網(wǎng)發(fā)電，否則進(jìn)入下一輪檢測(cè)。時(shí)間to宜整定在微秒級(jí)，既能滿足孤島檢測(cè)速度的要求，又能防止反孤島保護(hù)因采樣奇異值、系統(tǒng)干擾等原因誤動(dòng)作，具體時(shí)間可根據(jù)負(fù)載類型和孤島檢測(cè)速度的要求適當(dāng)調(diào)整；時(shí)間tl須與閾值電壓Uth相配合，當(dāng)以相電壓進(jìn)行判定時(shí)，Uth宜選取在300?310范圍內(nèi)，此時(shí)將時(shí)間t整定在微秒級(jí)，并隨負(fù)載容量的降低適當(dāng)增大Uth取值，同時(shí)適當(dāng)減小時(shí)間ti的整定值，這樣即可在0.1s內(nèi)準(zhǔn)確檢測(cè)出電網(wǎng)故障消除的狀態(tài)并恢復(fù)并網(wǎng)發(fā)電，以線電壓進(jìn)行判定時(shí)與此類似。
[0066]本發(fā)明包括如下步驟:
[0067]步驟S1:搭建分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路；
[0068]具體地，如圖1所示，為分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)，包括分布式電源1、功率變換器2、并網(wǎng)濾波器3、本地負(fù)載6和電網(wǎng)8。所述分布式電源I通過電線連接功率變換器2;所述并網(wǎng)濾波器3—端通過電線連接功率變換器2，另一端通過電線與第一斷路器4串聯(lián)后接入與電網(wǎng)8直聯(lián)的公共連接點(diǎn)5;所述本地負(fù)載6通過電線與第二斷路器7串聯(lián)后接入與電網(wǎng)8直聯(lián)的公共連接點(diǎn)5。
[0069]步驟S2:采用反孤島智能檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)和電網(wǎng)故障自愈；
[0070]具體地，如圖2所示，包括:
[0071]步驟S2.1:采用主動(dòng)相位偏移方法注入反孤島擾動(dòng);采集分布式電源并網(wǎng)主電路中公共連接點(diǎn)5的電壓信號(hào)，并由鎖相環(huán)得到電網(wǎng)頻率信號(hào)；
[0072]步驟S2.2:根據(jù)鎖相環(huán)得到的電網(wǎng)頻率信號(hào)判定系統(tǒng)是否處在孤島運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)未脫離電網(wǎng)時(shí)，由于發(fā)電裝置容量較電網(wǎng)容量要小很多，注入的相角擾動(dòng)并不會(huì)對(duì)電網(wǎng)相位產(chǎn)生明顯影響，下次鎖相時(shí)仍能同步到電網(wǎng)相位;一旦系統(tǒng)脫離電網(wǎng)以孤島狀態(tài)運(yùn)行，則由于分布式電源是系統(tǒng)唯一的電源，注入的相角擾動(dòng)會(huì)明顯反映到下次鎖相的相角上，進(jìn)而形成正反饋，使得相角的偏移越來越大，從而使系統(tǒng)頻率偏尚電網(wǎng)工頻，當(dāng)頻率偏差超出電網(wǎng)允許范圍即觸發(fā)反孤島保護(hù)。設(shè)置孤島檢測(cè)判據(jù)為:由鎖相環(huán)得到的電網(wǎng)頻率信號(hào)是否在時(shí)間to內(nèi)持續(xù)超出電網(wǎng)允許范圍(在IEEE 1547標(biāo)準(zhǔn)下為49.3Hz?50.5Hz)。若判據(jù)成立，則判定為孤島運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行步驟S2.3，否則執(zhí)行步驟S2.4;
[0073]步驟S2.3:執(zhí)行反孤島保護(hù)動(dòng)作，執(zhí)行步驟S2.6;
[0074]步驟S2.4:電網(wǎng)故障自愈判定，當(dāng)電網(wǎng)故障清除并恢復(fù)供電后，PCC處電壓幅值及頻率將迅速恢復(fù)正常。設(shè)置電網(wǎng)故障自愈判據(jù)為:系統(tǒng)是否已處于反孤島保護(hù)狀態(tài)且公共連接點(diǎn)處電壓幅值絕對(duì)值高于閾值電壓Uth的累積時(shí)間達(dá)到時(shí)間^，若判據(jù)成立，則判定電網(wǎng)故障已消除，執(zhí)行步驟S2.5;否則執(zhí)行步驟S2.6;
[0075]步驟S2.5:解除反孤島保護(hù)，恢復(fù)并網(wǎng)發(fā)電，執(zhí)行步驟S2.6;
[0076]步驟S2.6:本輪反孤島檢測(cè)結(jié)束，進(jìn)入下一輪檢測(cè)。
[0077]所述步驟S2.1中，主動(dòng)相位偏移擾動(dòng)注入方法的特征為:如圖3所示，在公共連接點(diǎn)5處采集電網(wǎng)電壓信號(hào)9，得到的電壓信號(hào)在濾波處理后通過Clarke變換10從三相靜止坐標(biāo)系變換至兩相靜止坐標(biāo)系，由得到的兩相靜止坐標(biāo)系下的兩路電壓信號(hào)經(jīng)過鎖相環(huán)11即可獲取電網(wǎng)電壓相角Θ,以及用于反孤島檢測(cè)算法的電網(wǎng)頻率f;向電網(wǎng)電壓相角Θ'通過相加器13注入適當(dāng)?shù)南嘟瞧?2作為并網(wǎng)系統(tǒng)與電網(wǎng)保持同步的基準(zhǔn)相角信號(hào)Θ。其中，相角偏移12的大小須根據(jù)控制電路的開關(guān)頻率及并網(wǎng)電能質(zhì)量的要求來整定；相角偏移12越小，并網(wǎng)電能質(zhì)量越高，但孤島檢測(cè)的速度就越慢，所以應(yīng)當(dāng)選取合適的相角偏移12，既能滿足孤島檢測(cè)時(shí)間的要求，又基本不影響電網(wǎng)質(zhì)量;隨開關(guān)頻率提高可適當(dāng)減小相角偏移
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[0078]更近一步地，當(dāng)系統(tǒng)接入與分布式發(fā)電系統(tǒng)功率相匹配的并聯(lián)RLC負(fù)載，開關(guān)頻率為1kHz，相角偏移12取為-0.1racU并網(wǎng)電流波形如圖4所示；由圖可見并網(wǎng)電流能與電壓基本保持同相并呈良好正弦波形，進(jìn)一步做諧波和功率因數(shù)分析可知相角偏移的注入并不增加系統(tǒng)電流的諧波，只是會(huì)使功率因數(shù)略有下降，但仍在99%以上。
[0079]所述步驟S2中涉及參數(shù)的整定方法為:時(shí)間to宜整定在微秒級(jí)，既能滿足孤島檢測(cè)速度的要求，又能防止反孤島保護(hù)因采樣奇異值、系統(tǒng)干擾等原因誤動(dòng)作，具體時(shí)間可根據(jù)負(fù)載類型和孤島檢測(cè)速度的要求適當(dāng)調(diào)整；時(shí)間t須與閾值電壓Uth相配合，當(dāng)以相電壓進(jìn)行判定且電網(wǎng)額定相電壓有效值為220V時(shí)，Uth宜選取在300?310范圍內(nèi)，此時(shí)將時(shí)間整定在微秒級(jí)，并隨負(fù)載容量的降低適當(dāng)增大Uth取值，同時(shí)適當(dāng)減小時(shí)間^的整定值，這樣即可在0.1s內(nèi)準(zhǔn)確檢測(cè)出電網(wǎng)故障消除的狀態(tài)并恢復(fù)并網(wǎng)發(fā)電。
[0080]更進(jìn)一步地，當(dāng)分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)接入與該系統(tǒng)功率相匹配的并聯(lián)RLC負(fù)載，負(fù)載諧振頻率為工頻50Hz時(shí)；參數(shù)整定為to= Ims A1=ImsJth = SlOV;模擬電網(wǎng)瞬時(shí)故障并自動(dòng)重合閘，在系統(tǒng)啟動(dòng)0.1s時(shí)電網(wǎng)因故障斷電，并于0.25s時(shí)自動(dòng)重合閘成功，電網(wǎng)恢復(fù)供電。結(jié)果如圖5所示，O?0.1s期間，電網(wǎng)和分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)均正常，盡管采用主動(dòng)相位偏移方法注入了反孤島擾動(dòng)，但鎖相環(huán)測(cè)得的電網(wǎng)頻率一直穩(wěn)定在工頻50Hz ;在0.1s瞬間電網(wǎng)發(fā)生故障斷電，分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)，由于分布式電源成為系統(tǒng)唯一的電源，采用主動(dòng)相位偏移方法注入的反孤島擾動(dòng)使得系統(tǒng)頻率迅速偏離電網(wǎng)工頻，當(dāng)頻率偏差滿足孤島檢測(cè)判據(jù)時(shí)觸發(fā)反孤島保護(hù)動(dòng)作，孤島檢測(cè)時(shí)間則只需不到55ms，遠(yuǎn)小于IEEE標(biāo)準(zhǔn)1547規(guī)定的時(shí)間；反孤島保護(hù)動(dòng)作后，PCC處電壓迅速降為零，但由于受到負(fù)載的諧振以及鎖相環(huán)前饋補(bǔ)償(用以加快鎖相速度)的影響，鎖相環(huán)輸出頻率會(huì)在短時(shí)振蕩后向工頻收斂，本例取自動(dòng)重合閘反應(yīng)時(shí)間為0.15s，即電網(wǎng)規(guī)定的最短反應(yīng)時(shí)間，能更好地考察反孤島智能檢測(cè)算法的自愈能力;在0.25s瞬間電網(wǎng)恢復(fù)供電，PCC處電壓逐漸恢復(fù)正常，當(dāng)電壓幅值與頻率滿足電網(wǎng)故障自愈判據(jù)時(shí)，分布式發(fā)電系統(tǒng)解除反孤島保護(hù)，恢復(fù)并網(wǎng)發(fā)電，反應(yīng)時(shí)間只需不到0.04s。
[0081]實(shí)施例的結(jié)果證明了本發(fā)明所提出的快速智能反孤島方法，能夠在所注入的擾動(dòng)基本不影響電網(wǎng)電能質(zhì)量的前提下，快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的孤島運(yùn)行狀態(tài)，且當(dāng)電網(wǎng)故障消除后，具有自動(dòng)接入電網(wǎng)繼續(xù)并網(wǎng)發(fā)電的自愈能力。
[0082]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相互組合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島系統(tǒng)，其特征在于，包括:分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)主電路、主動(dòng)相位偏移擾動(dòng)模塊以及反孤島智能檢測(cè)模塊； 所述分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)主電路包括:分布式電源(I)、功率變換器(2)、并網(wǎng)濾波器(3)、本地負(fù)載(6)以及電網(wǎng)(8);所述分布式電源(I)的一端通過功率變換器(2)與并網(wǎng)濾波器(3)的一端相連，所述并網(wǎng)濾波器(3)的另一端經(jīng)第一斷路器(4)與電網(wǎng)(8)相連，本地負(fù)載經(jīng)第二斷路器(7)與電網(wǎng)(8)相連;其中并網(wǎng)濾波器(3)和本地負(fù)載(6)接入電網(wǎng)(8)的位置稱為公共連接點(diǎn)(5); 所述主動(dòng)相位偏移擾動(dòng)模塊，作用于分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)的控制電路中，配合反孤島智能檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)主動(dòng)孤島檢測(cè)； 所述反孤島智能檢測(cè)模塊，用于以所述分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)主電路中公共連接點(diǎn)(5)的電壓信號(hào)和鎖相環(huán)(11)得到的電網(wǎng)頻率信號(hào)為依據(jù)實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)和電網(wǎng)故障自愈。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島系統(tǒng)，其特征在于， 所述分布式電源(I)包括:光伏電池陣列、燃料電池、蓄電池、風(fēng)電、柴油發(fā)電機(jī)中的任一種;且所述功率變換器(2)與分布式電源(I)的類型相匹配，其中，直流電源對(duì)應(yīng)逆變器，交流電源對(duì)應(yīng)整流逆變型變換器； 所述并網(wǎng)濾波器(3)包括:L型濾波器、LC型濾波器或LCL型濾波器中的任一種； 所述本地負(fù)載(6)包括:任意容量及連接方式的三相對(duì)稱無源負(fù)載。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島系統(tǒng)，其特征在于，所述主動(dòng)相位偏移擾動(dòng)模塊直接給電網(wǎng)電壓相角注入相角偏移(I2)，其中，相角偏移(12)的大小須根據(jù)控制電路的開關(guān)頻率及并網(wǎng)電能質(zhì)量的要求來整定;相角偏移(12)越小，并網(wǎng)電能質(zhì)量越高，但孤島檢測(cè)的速度就越慢。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島系統(tǒng)，其特征在于，所述反孤島智能檢測(cè)模塊包括:孤島檢測(cè)模塊和電網(wǎng)故障自愈模塊； 所述孤島檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)是否處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)鎖相環(huán)(11)得到的電網(wǎng)頻率信號(hào)在時(shí)間to內(nèi)持續(xù)超出電網(wǎng)允許范圍時(shí)，即判定分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，啟動(dòng)反孤島保護(hù);否則啟動(dòng)電網(wǎng)故障自愈模塊； 所述電網(wǎng)故障自愈模塊，用于檢測(cè)分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)是否需要解除反孤島保護(hù)狀態(tài)，當(dāng)分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)處于反孤島保護(hù)狀態(tài)，且公共連接點(diǎn)(5)處電壓幅值絕對(duì)值高于閾值電壓Uth的累積時(shí)間達(dá)到時(shí)間燦寸，即判定電網(wǎng)故障已消除，解除反孤島保護(hù)，恢復(fù)并網(wǎng)發(fā)電；否則關(guān)閉電網(wǎng)故障自愈模塊。5.—種具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:搭建分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路； 步驟2:由主動(dòng)相位偏移擾動(dòng)模塊向控制電路注入相角擾動(dòng)； 步驟3:通過以分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)中公共連接點(diǎn)(5)的電壓信號(hào)和鎖相環(huán)(11)得到的電網(wǎng)頻率信號(hào)為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)和電網(wǎng)故障自愈，所述公共連接點(diǎn)(5)是指并網(wǎng)濾波器(3)和本地負(fù)載(6)接入電網(wǎng)(8)的位置。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島方法，其特征在于，步驟I中搭建的分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)主電路包括:分布式電源(I)、功率變換器(2)、并網(wǎng)濾波器(3)、本地負(fù)載(6)以及電網(wǎng)(8);所述分布式電源(I)的一端通過功率變換器(2)與并網(wǎng)濾波器(3)的一端相連，所述并網(wǎng)濾波器(3)的另一端經(jīng)第一斷路器(4)與電網(wǎng)(8)相連，本地負(fù)載經(jīng)第二斷路器(7)與電網(wǎng)(8)相連;其中并網(wǎng)濾波器(3)和本地負(fù)載(6)接入電網(wǎng)(8)的位置稱為公共連接點(diǎn)(5)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島方法，其特征在于， 所述分布式電源(I)包括:光伏電池陣列、燃料電池、蓄電池、風(fēng)電、柴油發(fā)電機(jī)中的任一種;且所述功率變換器(2)與分布式電源(I)的類型相匹配，其中，直流電源對(duì)應(yīng)逆變器，交流電源對(duì)應(yīng)整流逆變型變換器； 所述并網(wǎng)濾波器(3)包括:L型濾波器、LC型濾波器或LCL型濾波器中的任一種； 所述本地負(fù)載(6)包括:任意容量及連接方式的三相對(duì)稱無源負(fù)載。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島方法，其特征在于，所述步驟2包括:向鎖相環(huán)(11)鎖定的電網(wǎng)電壓相位角加入適量的相角偏移(12)，并用于并網(wǎng)控制電路中的電網(wǎng)同步環(huán)節(jié)(14)，其中，相角偏移(12)的大小須根據(jù)控制電路的開關(guān)頻率及并網(wǎng)電能質(zhì)量的要求來整定;相角偏移(12)越小，并網(wǎng)電能質(zhì)量越高，但孤島檢測(cè)的速度就越慢。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有電網(wǎng)故障自愈能力的快速智能反孤島方法，其特征在于，所述步驟3包括: 步驟3.1:采集分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)主電路中公共連接點(diǎn)(5)的電壓信號(hào)，并由鎖相環(huán)得到電網(wǎng)頻率信號(hào)； 步驟3.2:孤島檢測(cè)步驟，即當(dāng)鎖相環(huán)(11)得到的電網(wǎng)頻率信號(hào)在時(shí)間to內(nèi)持續(xù)超出電網(wǎng)允許范圍時(shí)，即判定分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，啟動(dòng)反孤島保護(hù);否則執(zhí)行步驟3.3; 步驟3.3:判斷系統(tǒng)是否滿足處于反孤島保護(hù)狀態(tài)，且公共連接點(diǎn)(5)處電壓幅值絕對(duì)值高于閾值電壓Uth的累積時(shí)間達(dá)到時(shí)間，當(dāng)滿足時(shí)，判定電網(wǎng)故障已消除，解除反孤島保護(hù)，恢復(fù)并網(wǎng)發(fā)電;若不滿足，則結(jié)束，準(zhǔn)備下一次檢測(cè)。
【文檔編號(hào)】H02J3/38GK105914776SQ201610226827
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月13日
【發(fā)明人】姜建國, 周中正, 葉舒, 羅*, 潘慶山, 喬樹通
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)