專利名稱：分布式發(fā)電機孤島操作的檢測方法
分布式發(fā)電機孤島操作的檢測方法發(fā)明背景本發(fā)明涉及電力電子領(lǐng)域，更尤其是涉及用于檢測連接到公用電網(wǎng)(utility grid)的分布式發(fā)電機(distributed generator )的孤島搮作 (islanding operation)的方法以及用于檢測分布式電力發(fā)電機(power generator)的孤島操作的裝置。分布式源(distributed resource )(例如分布式電力發(fā)電機)用來在 電負載附近向公用電網(wǎng)饋送額外有功功率，或者用來在電網(wǎng)暫時無法 供電時確保重要負載的備用電力。用電力電子開關(guān)將分布式發(fā)電機與 電網(wǎng)相連。當一個或多個分布式源與電力系統(tǒng)的其它部分隔離并且在脫離公 用電網(wǎng)的條件下無意地繼續(xù)為本地孤島負載工作時，這種情況被稱為 "失步(loss of mains )，，或"非故意孤島(unintentional islanding)，，'當失去公用電網(wǎng)所提供的穩(wěn)定性時，本地孤島負載的有功和無功 功率與分布式發(fā)電機的發(fā)電之間的差異可能導(dǎo)致電壓的突然大的變 化。通常這會引起分布式發(fā)電機保護裝置立即動作并跳閘。但是，如果本地孤島負載的有功和無功功率與有功和無功發(fā)電相 匹配，就不會出現(xiàn)觸發(fā)(trigger)保護裝置的電壓跳變。除非有可供 選擇的孤島檢測，否則分布式發(fā)電機將繼續(xù)工作下去。即使一些分布 式發(fā)電機被設(shè)計成在孤島中運行，仍然存在許多與孤島相關(guān)的潛在嚴 重問題—分布式發(fā)電設(shè)備(例如電動發(fā)電機組)會在電網(wǎng)停電期間成為 隔離的電源，這對電網(wǎng)人員和設(shè)備造成危害。-未受控制的電壓和頻率偏移可能會使用戶設(shè)備損壞。-電網(wǎng)設(shè)備，例如電涌放電器，可能會因移動中性基準(shift neutral reference)或諧振過程中出現(xiàn)的過電壓而損壞。-電網(wǎng)人員或公眾可能會因分布式源對線路的無意中通電而受到 傷害。因此，希望檢測到非故意失步時立即反應(yīng)。為應(yīng)對上迷分布式發(fā) 電中的安全問題，提出了保險商實驗室標準(UnderwritersLaboratories Standard ) UL 1741。標準UL1741要求， 一旦與公用電 網(wǎng)斷開連接，分布式發(fā)電機在兩秒內(nèi)跳閘。
背景技術(shù)：
在"Islanding Detection Method of Distributed Generation Units Connected to Power Distribution System", J. E. Kim， J. S. Hwang, IEEE 2000中，對基于同步發(fā)電機的分布式發(fā)電提出了一種方法。為 檢測孤島，增大發(fā)電機的內(nèi)部電磁場，并檢查無功功率流和負載電壓 的變化。因為電力發(fā)電機的內(nèi)部阻抗達到電力發(fā)電機額定值的百分之 幾，所以當存在電網(wǎng)時，產(chǎn)生的電壓中百分之一的變化會引起無功功 率的大的變化。因為公用電網(wǎng)的穩(wěn)定性，負載電壓不受影響。 一旦連 接的斷路器斷開，無功功率不會有顯著變化，負載電壓將以與內(nèi)部電 壓變化相同的比例變化。使用該信息檢測失步。在"Performance of Inverter Interfaced Distributed Generation"， Simon R. Wall, IEEE 2001中，提出了一種方法，其中通過增加額外的 干擾頻率來干擾如圖3所示的鎖相環(huán)(PLL)的頻率輸出。當存在公用 電網(wǎng)時，負栽電壓幾乎沒有變化。增大頻率會增大逆變器內(nèi)部電壓的 相位角。由于在存在公用電網(wǎng)電壓時負載電壓保持穩(wěn)定，所以有功和 無功功率控制H^補償角誤差。^島網(wǎng)絡(luò)的積況下，頻率的增大會引起內(nèi)部電壓角增加。由于負栽阻抗比電力發(fā)電機的內(nèi)部阻抗高很多， 所以負載電壓會跟隨相位角的變化。這不會顯著改變有功和無功功率， 但是PLL會看到電壓相位超前，并會進一步增大頻率以保持一致。這 個過程會一直持續(xù)到激活(activate)頻跳(frequency-trip)的變化率或 者過頻遏匕(over frequency-trip )出現(xiàn)。在 "An Improved Anti-Islanding Algorithm for Utility Interconnection of Multiple Distributed Fuel Cell Powered Generations", CH. JERAPUTRA等人，IEEE 2005中，對多重分布式 燃料電池發(fā)電(DFPG)的電網(wǎng)互連提出了一種反孤島算法。當功率控 制算法連續(xù)擾動DFPG提供的無功功率時，所提出的算法計算相對于無 功功率的頻率偏移變化率的互相關(guān)指數(shù)，以確認孤島。如果該指數(shù)超 過50%，則算法進一步啟動無功功率擾動，并繼續(xù)計算相關(guān)指數(shù)。如果 該指數(shù)超過80%，則可以確認出現(xiàn)孤島。所提出的方法能夠檢測存在獨立工作的幾個DFPG時孤島的出現(xiàn)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是，提出一種用于檢測分布式電力發(fā)電機的孤烏的 新方法，并提供一種用于檢測分布式電力發(fā)電機的孤島操作的裝置.本發(fā)明方法包括以下步驟引入無功電流基準(reference)波， 檢測由無功電流基準波的變化引起的負載電壓變化，并確定檢測的負 載電壓變化是否超過預(yù)定的孤烏檢測閾值，它表明失步和電力發(fā)電機 的孤島操作。當存在電網(wǎng)時，本地孤島負栽電壓與電網(wǎng)電壓相同。在 電網(wǎng)斷開連接的情況下，本地孤島負栽電壓由逆變器或分布式發(fā)電機 提供。無功電流基準波可以是方波、斜波、正弦波或梯形波。每當基準 電流達到(pass)閾值，或在方波情況下基準電流值改變時，對負栽電 壓進行取樣。優(yōu)選地，每當檢測的負栽電壓變化超過預(yù)定的孤島檢測閾值時， 計數(shù)器值增加，而且如果在預(yù)定時間段內(nèi)計數(shù)器值的增加超過預(yù)定值， 則檢測到失步。如果在預(yù)定時間段的開始復(fù)位計數(shù)器值，那么如果在 預(yù)定時間段結(jié)束時計數(shù)器值超過預(yù)定值，則檢測到失步。如果電壓的預(yù)定孤島檢測閾值被選擇為至少約為阻抗大小的5將， 則孤島檢測的可靠性是讓人滿意的。對于顯著低于阻抗大小的50%的 值，會有錯誤檢測孤島操作的一定風險。如果使用的注入電流是諧波，則其頻率優(yōu)選設(shè)置為低于逆變器的 LCL過濾器轉(zhuǎn)角頻率(corner frequency )。否則，注入電流的大部分 會被電容器過濾掉，只有小部分會到達公用電網(wǎng)。通過本發(fā)明的失步檢測，即使本地孤島的有功和無功負載與分布 式發(fā)電機的有功和無功發(fā)電正好匹配，也可以在最短時間段內(nèi)檢測到 孤島。因此，即使沒有突然的電壓變化，也可以立即檢測到非故意的 孤島，且電子控制設(shè)備可以安全地關(guān)掉分布式電力發(fā)電機。附圖的筒要說明將根據(jù)附圖更具體地解釋本發(fā)明的方法和裝置。附圖示出 圖l是電網(wǎng)操作中的電路模型；圖2是標準UL 1741定義的反孤島測試的諧振電路； 圖3是典型的一般鎖相環(huán)(PLL); 圖4是為本發(fā)明的失步檢測而產(chǎn)生的無功電流基準；以及 圖5是用于孤島檢測的本發(fā)明的邏輯。優(yōu)選實施例如上所述，分布式發(fā)電機產(chǎn)生并向公用電網(wǎng)饋送有功功率，且它 們中的一些還具有以孤島模式運行的能力。但是，出于安全原因，在 非故意孤島中不出現(xiàn)這樣的發(fā)電是重要的。維修人員斷開斷路器或遠 端斷路器的跳閘，可能產(chǎn)生非故意孤島。這種情況示意性地在

圖1中 示出。當進線(incoming)斷路器Be斷開時，基于電力電子的分布式 發(fā)電機DG—也常被稱作分布式源(DR)或不間斷電源(UPS)—繼續(xù) 向本地孤島供電。當存在電網(wǎng)時，本地孤島負栽電壓與電網(wǎng)電壓相同。在電網(wǎng)斷開 連接的情況下，由逆變器或分布式發(fā)電機提供本地孤島負載電壓。如很大差異，那么進線斷路器斷開后，這種差異會產(chǎn)生大的電壓變化。 大的電壓變化表明有失步。分布式發(fā)電機保護將會動作，安全及時地 斷開接觸器B。"分布式發(fā)電機被斷開連接，且不要求有進一步的動作。但是，如果本地孤島有功和無功負栽與分布式發(fā)電機有功和無功 發(fā)電正好匹配，則電子控制設(shè)備不會看到電壓跳變，且分布式發(fā)電機 繼續(xù)工作。UL 1741標準規(guī)定，即使在這種情況下，分布式發(fā)電機必 須兩秒內(nèi)跳閘。為測試的目的，本地孤島負載Zw與分布式發(fā)電機相連 接，如圖2所示。并聯(lián)的負載L和C被調(diào)至網(wǎng)絡(luò)的基頻，并被分成與 分布式發(fā)電機的無功發(fā)電相匹配。選擇電阻器以與分布式發(fā)電機的有 功發(fā)電相匹配。才艮據(jù)UL 1741測試要求，測試中，注入網(wǎng)絡(luò)中的有功 和無功功率的變化不應(yīng)超過分布式發(fā)電機額定KVA的±3%。為測試本 發(fā)明的失步檢測，斷開進線斷路器。為通過失步檢測測試，分布式發(fā) 電機在進線斷路器斷開后兩秒內(nèi)必須跳閘。本發(fā)明的失步檢測基于基頻或選擇的任何其他頻率的無功電流或 功率的注入。注入大小選擇在UL 1741標準限制的額定電流的±3%以內(nèi)。在本發(fā)明的失步檢測的典型實施例中，在5Hz的頻率以額定電流 的±3%的大小產(chǎn)生如圖4所示的無功電流基準方波。無功電流基準方 波的頻率設(shè)置為5Hz。當然，只要兩秒期間內(nèi)基準電流有足夠數(shù)量的 變化，頻率就可以設(shè)置為大于或甚至小于5Hz的另外的值。無功電流注入對負載電壓Uw有影響。因此，監(jiān)控負載電壓，且檢 測對應(yīng)于電流注入的變化。只要存在公用電網(wǎng)且因此提供穩(wěn)定性，則 由注入的無功電流基準方波引起的負栽電壓的變化就最小。但是一旦通過斷開進線斷路器Bg而將公用電網(wǎng)斷開連接，則負載 電壓顯著變化。單獨的孤島負載的阻抗Zld比電網(wǎng)總阻抗高幾倍。為檢測失步，每當無功電流基準方波發(fā)生變化，就取樣和存儲負 載電壓。負載電壓變化d軸和q軸電壓的樣本保留如圖5所示，并在 無功電流基準方波的下一次變化時與當時的電流負載電壓進行比較。 計算實際的d軸和q軸電壓u(t)與先前取樣并保留的值u(t-dt)之間的 差。然后將實際d軸和q軸電壓與取樣并保留的它們的值之間的差的 絕對值與孤島檢測閾值LOMdet一u進行比較。任何時候，如果電壓變 化超過孤島檢測閾值，則檢測到失步。為了不誤檢測失步，如果由于 仍可用的公用電網(wǎng)中的干擾，比較器值超過閾值，則可以實施下面的 安全措施。使用計數(shù)器，在規(guī)定時間段內(nèi)計數(shù)失步檢測的次數(shù)。每當檢測到 失步時，計數(shù)器值就增加。在UL 1741標準規(guī)定的兩秒時間內(nèi)，典型 無功電流方波有20個邊緣，因此它的值變化20次。這樣能夠在兩秒 間隔內(nèi)進行至少19次的電壓比較和失步檢測。在這段間隔結(jié)束時，如 果計數(shù)器沒有超過預(yù)定的計數(shù)器閾值LOMcnt，例如大于10，那么就 假設(shè)沒有失步，是公用電網(wǎng)電壓的干擾引起了電壓跳變。如果計數(shù)器 確實超過規(guī)定的數(shù)值，那么就檢測到失步。每兩秒周期的開始，復(fù)位 計數(shù)器。不使用方波，注入的無功電流基準可以選擇為斜波、正弦波或梯 形波?；鶞什捎脕碛|發(fā)負載電壓的取樣。每當電流波達到(pass)某 一閾值或當其從正值變成負值或從負值變成正值的時候，對監(jiān)控的電 壓進行取樣。假設(shè)線性負載，有功功率的差是AP，無功功率差是AQ，當與公 用電網(wǎng)斷開時作為差值功率的函數(shù)的負載電壓跳變由下式給出<formula>formula see original document page 9</formula>或<formula>formula see original document page 9</formula>d軸和q軸電壓Ud和Uq在失步情況下都受到干擾。這引起電壓角 突然變化，因此PLL將改變頻率f。根據(jù)阻抗和功率的變化，這依次 會減小或增大頻率。因此，本發(fā)明的失步檢測優(yōu)選結(jié)合基于df/dt和過電壓/欠電壓的 額外失步檢測一起使用。額外檢測也包括在圖5中。如果頻率或者有功和/或無功電壓中的任一個或兩者比給定的比 率(LOMdet—f， LOMdet—d或LOMdet_q )變化快，則這表明與電網(wǎng)斷 開了。當本地負載與發(fā)電不匹配時，這兩個額外檢測都可以用于快速失 步檢測。當并行檢測系統(tǒng)中的至少一個產(chǎn)生正的失步檢測信號時，每 一個檢測分支的輸出都被監(jiān)控，且由系統(tǒng)檢測失步。參考符號列表 BdrBgDGZidLOMdet_d， LOMdet一q LOMdet_u， LOMdet一f， LOMcnt12斷路器分布式源 進線斷路器 分布式發(fā)電機 本地孤島負栽 孤島檢測閾值孤島檢測計數(shù)器閾值本地孤島公用電網(wǎng)
權(quán)利要求
1.一種檢測分布式源的孤島操作的方法，所述分布式源具有本地孤島負載(Zld)，包括以下步驟引入無功基準波電流；通過測量、取樣和存儲當前負載電壓值(u(t))并通過將當前負載電壓值與先前測量、取樣和存儲的負載電壓值(u(t-dt))相比較，來檢測由無功基準波電流引起的本地孤島負載電壓的變化，每當基準波電流達到閾值時，所述負載電壓的變化就被檢測到；以及確定檢測到的負載電壓變化是否超過表明分布式源的孤島操作的預(yù)定孤島檢測閾值。
2. 如權(quán)利要求l的方法，其中，無功基準波電流是以下任意一種 方波、斜波、正弦波或梯形波。
3. 如權(quán)利要求1或2的方法，其中， 引入的無功基準波電流是方波，以及 每當基準電流值變化時，就檢測到負栽電壓的變化。
4. 如權(quán)利要求1至3中任一項的方法，進一步包括以下步驟每當檢測到的負載電壓變化超過預(yù)定的孤島檢測閾值時，就增加 計數(shù)器值；以及如果在預(yù)定時間段內(nèi)，計數(shù)器值的增加超過預(yù)定的計數(shù)器閾值 (LOMcnt),則檢測到孤島操作。
5. 如權(quán)利要求4的方法，其中， 在預(yù)定時間段的開始的時候，復(fù)位計數(shù)器值，以及 如果在預(yù)定時間段結(jié)束時計數(shù)器值超過預(yù)定的計數(shù)器閣值(LOMcnt)，則檢測到孤島操作。
6. 如權(quán)利要求1至5中任一項的方法，其中， 還檢測負載電壓頻率的變化(df(t)/dt)，以及 如果頻率的變化率超過預(yù)定的比率(LOMdet一f)，則檢測到孤島操作。
7. 如權(quán)利要求1至6中任一項的方法，其中， 還檢測有功和/或無功負載電壓的變化(dud(t)/dt， duq(t)/dt)，以及如果負載電壓變化率超過預(yù)定的比率(LOMdet—d， LOMdet—q )，則檢測到孤島操作。
8. —種檢測分布式源的孤島操作的裝置，包括 用于引入無功電流基準波的裝置；用于檢測由無功電流基準波的變化所觸發(fā)的負載電壓的變化的裝 置，所述檢測裝置包括用于測量、取樣和存儲當前負栽電壓值(u(t)) 的裝置以及用于將當前負載電壓值與先前測量、取樣和存儲的負栽電 壓值(u(t-dt))相比較的裝置；以及用于確定檢測到的負栽電壓變化是否超過表明電力發(fā)電機的孤島 操作的預(yù)定的孤島檢測閾值的裝置。
9. 如權(quán)利要求7的裝置，進一步包括計數(shù)器，每當檢測到的負栽電壓變化超過預(yù)定的孤島檢測閾值時， 其值可以增加；以及如果在預(yù)定時間段內(nèi)計數(shù)器值的增加或計數(shù)器值本身超過預(yù)定值 則檢測到孤島操作的裝置。
全文摘要
本發(fā)明的方法包括以下步驟引入無功電流基準方波，檢測每當無功電流基準波變化時的負載電壓變化，以及確定檢測到的負載電壓變化是否超過表明失步和電力發(fā)電機的孤島操作的預(yù)定孤島檢測閾值。通過本發(fā)明的失步檢測，如果本地孤島有功和無功負載與分布式發(fā)電機的有功和無功發(fā)電正好匹配，則可以在最短時間段內(nèi)檢測到孤島。因此，即使沒有突然的電壓變化，也可以立即檢測到非故意孤島，且電子控制設(shè)備能安全地關(guān)掉分布式電力發(fā)電機。
文檔編號D01D5/092GK101268218SQ200680034435
公開日2008年9月17日 申請日期2006年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月19日
發(fā)明者B·龍納, S·龐納盧里 申請人:Abb瑞士有限公司