基于功率差额判断的直流孤岛检测方法与流程

1.本发明涉及电力系统分析技术领域，特别是涉及一种基于功率差额判断的直流孤岛检测方法。


背景技术：

2.大量光伏发电机组的接入并网带来了一系列安全运行问题。其中，光伏机组出现非计划孤岛运行时会对运行设备和维护人员的安全造成极大的损害，因此，可靠识别出光伏机组的非计划孤岛运行显得尤为重要。
3.交流系统孤岛检测研究已经较为完善，检测方法主要分为本地式孤岛检测和通信式孤岛检测，本地式孤岛检测又可分为被动式和主动式。被动式孤岛检测主要借助孤岛前后电气量的变化实现对系统状态的判别，常见的被动法有过/欠电压法，过/欠频率法，谐波阻抗法等；主动式孤岛检测主要借助向系统注入扰动信号，借助扰动信号在孤岛前后引起电气量的差异变化判断系统状态，常见的主动法有主动频移法，功率扰动法，阻抗测量法等。通信式孤岛检测法通过监测重要设备或开关的闭合状态实现系统的识别。
4.针对直流孤岛检测的研究较少，目前的思路是借鉴交流孤岛检测方法，但相较于交流系统来说，直流系统可观测的电气量较少，缺少如频率，无功功率等电气量，所以被动式交流孤岛检测方法大都难以直接应用在直流系统中；通信法需要依赖通信手段，应用场景受限，不易大规模应用，因此直流系统中孤岛检测方案以主动式为主。
5.主动式孤岛检测需要向系统注入扰动信号，对系统电能质量会产生影响，同时在多机系统中，不同的扰动注入方式可能存在相互干扰的情况，不利于准确地检测孤岛运行，考虑到为了保证效率的最大化，光伏机组始终处于最大功率点下运行，结合主动式孤岛检测存在的问题，希望有一种借助功率判断的孤岛检测方法以克服或至少减轻现有技术的上述缺陷。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提出一种基于功率差额判断的直流孤岛检测方法,该检测法利用正常情况下光伏机组始终处于最大功率点运行的基础上，提出在功率匹配度较高时，切换控制，实现孤岛检测，该方法实现简单且识别准确。
7.一种基于功率差额判断的直流孤岛检测方法，包括以下步骤：
8.步骤1:根据光伏机组出力情况，对每台机组独立整定切换控制功率阈值p
s
、切换控制电压u
s
和切换控制时间t；
9.步骤2:将整定所得功率阈值p
s
设置到单台pv机组中，检测各单台光伏机组与本地负荷的功率差额，依据所述功率差额与所述功率阈值p
s
进行比较以决定是否启动切换控制和闭锁控制；
10.步骤3：根据测量pcc处电压幅值的变化判断系统是否发生孤岛运行。
11.优选地，在光伏机组处于mppt控制下调节pcc处电压使孤岛发生后位于临界值，以
电网电压额定值u
n
的85％
‑
110％为临界范围，整定得到功率阈值p
s
。
12.优选地，功率阈值p
s
为光伏机组最大输出功率的0.17倍。
13.优选地，在本地负载与pv机组出力完全匹配的条件下发生孤岛运行时变为切换控制电压u
s
后，达到电压测量能够检测出孤岛的临界情况，整定得到u
s
。
14.优选地，电压u
s
为u
m
‑
u1，其中u
m
为光伏电池最大功率点电压，u1为对应光伏工作点电压的临界变化电压。
15.优选地，对t的整定时，使在切换控制的时间t内保证谐波含量约为4％,延时t0的检测时间,t0无扰动注入，保持扰动注入t1，t＝t0 t1。
16.优选地，当监测到功率差额小于功率阈值p
s
时，先闭锁切换控制t0时间，t0时间内功率差额始终小于阈值p
s
后，光法机组的控制由mppt控制切换为定电压控制，扰动注入时间为t1，通过测量电压判断是否发生孤岛。
17.优选地，如果在t0时间内功率差额不是恒小于功率阈值p
s
，或者在t1时间内，未监测到电压越限，定电压控制闭锁t2时间，光伏机组切换为mppt控制，其中t2＝t。
18.优选地，如果监测到功率差额不小于功率阈值p
s
，则光伏机组仍处于mppt控制，通过测量电压判断其是否越限判断是否发生孤岛。
19.优选地，借助传统被动法的过/欠电压法检测孤岛的发生与否。
20.本发明的方法能够获得有益效果如下：
21.(1)结合光伏机组mppt控制，通过功率差额阈值实现仅在功率匹配度高时实现切换控制，注入扰动信号，其他情况下切换控制不启动，减小对系统电能质量影响；
22.(2)整定所需参数均为本地量，整定简单易行；
23.(3)切换控制为单台独立整定，切换控制运行时也为单台独立运行，不会产生多机控制策略相互干扰抵消，降低孤岛检测准确率的情况；
24.(4)多种控制逻辑对检测的功率差额判断，极大限度的减小注入时段内对电能质量的影响；
25.(5)依靠与传统被动式过欠电压法相同的判断逻辑决定系统是否处于孤岛运行，判断方式准确可靠，实用性高。
附图说明
26.图1为多机并联光伏发电系统接入直流负荷结构图；
27.图2为直流系统结构简化示意图；
28.图3为光伏机组出力示意图；
29.图4为本发明方法的流程图；
30.图5为本发明示例中使用的六端柔性直流电力系统结构图；
31.图6为本发明示例中p
s
阈值验证图；
32.图7为本发明示例中u
s
阈值验证图；
33.图8为本发明示例中t阈值验证图；
34.图9为本发明示例中单台光伏机组孤岛波形对照图；
35.图10为本发明示例中欠功率负荷单台机组孤岛波形图；
36.图11为本发明示例中过功率负荷单台机组孤岛波形图；
37.图12为本发明示例中多台机组孤岛波形图。
具体实施方式
38.为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
39.多机并联光伏发电系统接入直流负荷结构如图1所示。图中光伏电源经直流升压变换器接入本地直流负荷构成直流电力系统，并通过直交变换mmc与电网相连。当系统出现故障或较大扰动时，断路器k
mmc
跳开，使光伏发电系统与电网脱离，与直流负荷形成直流孤岛。
40.为了方便说明，将图1所示结构图简化为图2，直流母线简化为无穷大电网，直流系统中无无功功率流动，相关负载用电阻性负载来模拟，假设光伏系统向负载提供的有功功率为p，无穷大电网向负载提供的有功功率为
△
p，负载需求的有功功率为p
load
。
41.根据能量守恒定律。pcc处的功率应满足：
42.p
load
＝p δp
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
43.结合图2看，正常运行时，光伏系统向负载提供的有功功率(光伏系统的输出功率)为p，负载需求的有功功率(消耗的功率)为p
load
，无穷大电网向负载提供的有功功率为
△
p，此时，光伏系统处于mppt控制，pcc(公共连接处)处的电压由电网决定，电网正常运行时，不会发生异常情况。一般dct采用定电流控制策略，因此在孤岛形成前后的两个稳态状态下，dct的输出电流保持不变，即：
44.i0＝i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
45.式中，i为孤岛形成后达到稳态时光伏系统输出电流，i0是与i对应的在孤岛形成前的稳态值。
46.对孤岛发生前的系统电路分析：
[0047][0048]
式中，u0为孤岛发生前pcc处电压，u为孤岛发生后pcc处电压，r为本地负荷的等效阻抗。
[0049]
孤岛发生后：
[0050]
u＝ir
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0051]
联立上述两式可得：
[0052]
[0053]
从上式可以看出，当
△
p不为0时，孤岛发生前后pcc处电压会有较明显的变化；但当pv运行于完全匹配情况下，此时
△
p近似为0，根据式(5)可知，孤岛发生前后电压不会有明显的变化，过/欠电压法无法正确识别。
[0054]
正常运行时为了保证效率的最大化，各pv机组均处于mppt控制，运行于最大功率点，当pv出力与本地负荷相差较大时，即
△
p远大于0时，孤岛发生可以依据被动法判断，此时pv机组的控制方式不发生改变；当pv出力与本地负荷相差较小时，即
△
p近似为0时，被动法进入检测盲区，此时pv机组的控制方式仍为mppt控制，运行于最大功率点。
[0055]
结合图3，对pv出力特性分析：当系统正常运行时，pv机组处于最大功率点(q点)，此时发生最严重情况下的孤岛运行时，有:
[0056]
p
load
＝p＝p
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0057]
其中p
m
为pv机组的最大输出功率，在这种情况下，电网向负载提供的有功功率
△
p约为0，
[0058]
结合式(3)和(6)，本地负荷的等效阻抗r在孤岛前后不变，可以推导得：
[0059][0060]
如图3，人为将pv运行点偏移至a或b点，由于本地负荷等于pv输出最大功率，人为偏移后将产生功率差额，此时系统的电路关系为：
[0061][0062]
孤岛运行时功率差额p1无法通过大系统消纳，将引起pcc处电压的变化，当电压的变化超出过/欠电压法的检测阈值时，孤岛状态被检测出。而由于pv机组出力的单峰性，运行点的偏移仅需要通过改变pv机组运行电压实现。
[0063]
要实现基于出力的扰动注入，需要考虑孤岛检测的精度和对原有系统的影响问题，因此对三个参数要进行整定，分别为：切换控制策略的判断标准，即切换控制功率阈值p
s
，切换控制电压值u
s
和切换控制时间t。
[0064]
(1)切换控制功率阈值p
s
的整定
[0065]
p
s
整定的关键在于能保证孤岛识别效果的同时使扰动注入时间尽量小，本发明所用方法在孤岛识别上都是以过/欠电压法作为判断方法，因此对于p
s
的整定应按照pv机组在mppt控制运行下，实现pcc处电压处于孤岛检测盲区的临界值，本发明以(85％
‑
110％)u
n
(u
n
为电网电压额定值且假设正常运行时电网电压为额定值)为临界范围，按照式(7)，有
[0066][0067]
根据式(9)取其中较小者可以得出整定值p
s
。
[0068][0069]
(2)切换控制电压值u
s
的整定
[0070]
u
s
的整定关键在于切换pv控制后能够准确识别孤岛的发生，同时尽量减小电压的偏移，减小对电能质量的影响。因此u
s
的整定思路为(假设pv定电压控制无过渡过程)：在本地负荷与pv机组出力完全匹配的条件下发生孤岛运行，切换为切换控制的u
s
后，达到过/欠
电压法能够检测出孤岛的临界情况。
[0071]
由于切换控制功率阈值p
s
已经确定，按照整定原则，孤岛后系统仍应满足式(8)，据此可以确定切换策略后pv的输出功率：
[0072][0073]
结合预先可知的如图3所示的各pv机组的出力特性曲线，根据式(11)得到的p1，可以得到对应的整定电压u
m
‑
u1即u
s
。其中u
m
为光伏机组最大功率点电压，p
m
为光伏机组最大功率，p1为计算出光伏出力的临界功率差额，u1为对应光伏工作点电压的临界变化电压。
[0074]
(3)切换控制时间t的整定
[0075]
不同于切换控制功率阈值p
s
和切换控制电压u
s
的整定，切换时间t影响系统的电能质量，所以对t的整定应以对系统电能质量干扰最小为原则。目前相关标准没有对于直流谐波的要求，但在交流系统中规定，对于用户向电网注入谐波的限值标准为5％。考虑一定裕量后对t的整定思路如下：
[0076]
功率差额检测元件检测到小于阈值p
s
时，先闭锁切换控制t0时间，t0时间内功率差额始终小于阈值后开放切换控制，pv控制由mppt控制改为切换控制，扰动注入时间为t1，有
[0077]
t＝t0 t1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0078]
在全时段内均依据过/欠电压法判断系统状态。通过对单台pv机组预先实验，使得在整段注入周期t内，t0无扰动注入，t1保持扰动注入，保证每个注入周期t内谐波含量约为4％，t0与t1在总体上有t0<t1，并且为了保证对系统的影响最小，二者之和应小于0.1s。
[0079]
将t划分为t0和t1的原因在于：pv出力和本地负荷的波动性使检测到的功率差额始终处于波动状态，若不设置检测时间，pv的控制会处于不断变化的状态，而重复投切对于系统的电能质量有很大影响，所以需要设置一定的检测时间t0和注入时间t1。为了极大限度的减少对系统的干扰，在注入周期t内并未检测出孤岛运行后，短暂闭锁整套切换策略t2时间。对于孤岛检测来说，2s内检测出孤岛状态均符合要求，扰动注入周期t一般远小于2s，所以，设置t2＝t以大幅减少注入时间。
[0080]
图4是基于功率差额判断的直流孤岛检测法的运行流程图。
[0081]
监测单台光伏机组的功率差额
△
p，将功率差额
△
p与整定的阈值p
s
功率进行比较，如果功率差额
△
p其小于功率阈值p
s
，则继续监测t0时间；如果功率差额
△
p不小于功率阈值p
s
，则系统仍处于mppt控制，此时通过常用被动式过/欠电压法判断pcc处电压是否越限，如果越限则说明有孤岛发生，如果电压不越限则继续监测。在t0时间内，如果功率差额
△
p恒定小于功率阈值p
s
，则光伏机组的控制变为切换控制，光伏工作点电压从u
m
变为u
s
，继续监测t1时间，如果电压越限，则有孤岛发生；如果在t0时间内功率差额
△
p不是恒小于功率阈值p
s
，或者在t1时间内，未监测到电压越限，则光伏机组变为mppt控制，切换控制闭锁t2时间，然后继续进行监测光伏机组的功率差额
△
p。
[0082]
以下用更加具体的示例来说明本发明一种基于功率差额判断的直流孤岛检测法的技术效果，为了表示在复杂场景下该发明的检测效果，搭建如图5所示仿真环境，其中示例(1)
‑
(3)以仿真实例介绍阈值整定方法，示例(4)
‑
(6)为使用该发明的仿真效果。
[0083]
(1)调整本地负荷，使孤岛运行的pcc电压位于过/欠电压的上临界值，此时pv出力与本地负荷的功率差值即为功率阈值p
s
。搭建的仿真系统pv正常出力为2mw，直流母线电压
为20kv，在仿真模型中通过调整本地负荷，使孤岛后电压为22kv，系统于1s时发生pv3孤岛运行，对应各电压波形和功率波形如图6所示。从图6中可以看出，使孤岛后pv3电压为检测盲区极限值时，得到的功率差额约为0.3mw，该值与式(10)计算值阈值0.34mw相近。
[0084]
(2)令pv3负荷与出力完全匹配后保持孤岛运行状态，pv3改为切换控制的情况下调整pv机组电压，使得pcc处电压处于过/欠电压的检测临界值，得到切换控制电压u
s
。此时由式(11)可以计算出pv3出力应为1.58mw，在搭建的模型中实现临界电压仿真图，如图7所示。可以看出，对应的pv3出力为1.6mw，此时对应的pv3工作电压为0.4,该值即为整定电压u
s
。
[0085]
(3)通过仿真实验，得到t时段内的总谐波含量情况，综合仿真经验和谐波标准，最终确定的注入周期为t＝0.01 0.05(s)。对应谐波含量和总谐波分量图如图8所示。从图8可以看到，按照上述注入时间，在扰动注入周期t内总谐波含量为4.08％，小于标准的5％，与所述方法中考虑一定阈值的谐波含量4％标准接近，因此满足整定要求。
[0086]
(4)图9所示为pv3的本地负荷与出力完全匹配下发生单机孤岛的情况，其中(a)、(b)分别为未使用本发明所提直流孤岛检测方法和使用本发明方法的pv3机组pcc处电压情况，孤岛发生于1s，图9中虚线为过/欠电压法的检测限值(以85％
‑
110％u
n
为标准)，从图9(a)中可以看出，未使用本发明方法的情况下仅依靠过/欠电压法无法判断机组运行状况，而在使用本发明所提方法后,如图9(b)，电压在孤岛发生后迅速越限，能准确识别孤岛的发生。
[0087]
(5)当孤岛运行发生在一般情况(本地负荷与pv机组出力相差较大时)，本发明所提方法表现如图10
‑
11所示。其中图10为本地负荷大于出力情况，图11为本地负荷小于出力情况，从图中可以看出，无论负荷小于或大于机组出力，由于功率差额无法在t0时间内均小于功率阈值p
s
，本发明所提方法不会启动，仅依靠过/欠电压法判断系统运行状态，不会向系统注入扰动信号。
[0088]
(6)图12所示为pv3、pv4机组发生孤岛运行的各机组的运行图，从图中可以看出，pv3、pv4机组发生了孤岛运行，切换控制投入，使得电压迅速偏移，孤岛被准确识别，而正常运行的机组pcc点处电压未越限，并未出现扰动的情况。
[0089]
因此，通过使用本发明的基于功率差额判断的直流孤岛检测方法结合正常情况下光伏机组处于mppt运行的条件，明确仅在功率匹配度相差较大时启动切换控制，并在切换期间有选择地闭锁控制信号，极大程度的减小了切换控制引入的扰动信号对系统电能质量造成的影响；同时，本发明利用本地量作为整定和识别孤岛运行的条件，不与远端机组电气量产生联系，不存在多种控制方式抵消的缺陷；最后本发明依靠与传统过欠电压法相同的判断标准对系统运行状态识别，操作简单，普适性强。
[0090]
需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。