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分布式发电的孤岛检测方法研究-电力系统及其自动化专业论文docx

发布时间:2019-07-21 01:13 来源:未知 编辑:admin

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  华 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II II Abstract The extensive use of new energy and the instability of existing large power grid, have made distributed generation(DG) getting more and more popular in the power system. And the applications of DG have brought many advantages to the power grid, for instance improving the quality of the electricity, minimizing peak loads and helping achieve optimal allocation of the resource. However, the parallel operating of DG with main grid has brought vast problems, one of which is islanding. When power supply from main grid is interrupted(for example the power failure of the main grid),these independent parallel distributed systems will still continue working, and keep independent operating connected to the local loads, so this operating status of DG can be told as islanding. That is, when main grid trips due to certain reason, every user client of parallel distributed systems cannot detect power failure in time and excises itself from main grid, so it will form an independent power supply islanding containing DG and local loads. The islanding operating of parallel distributed systems is likely to do harm to main grid, electrical equipments and maintenance personnel, so it is needed to take measures to monitor the operating status of parallel distributed systems after islanding, and excises itself from main grid after islanding is detected. This article will research islanding and traditional islanding detection methods, and put forward a new islanding detection method according to their characteristics. This article firstly introduces the concept of DG and the development situations, and then briefly explains the reasons of islanding and a series of damages it brings, and details the theory of existing detection methods and its advantages and disadvantages. We emphasize two methods: ROCOF and VS, and propose a new detection method based on frequency detection after comparing traditional detection methods. At the same time, this article theoretically analyzes the changes of electrical quantities before and after islanding, makes use of PSCAD/EMTDC to simulate the correctness of analysis, and simulates the new method proposed ahead. The results indicate that the new method can effectively make judgment when islanding happens, and analyze the veracity and reliability under every possible condition. Finally we analyze several factors that influence the setting of new methods threshold, and draw a conclusion. Key words: Distributed Generation; Islanding; Islanding Detection; ROCOF; VS; Electrical Quantities; PSCAD/EMTDC; Threshold PAGE IV PAGE IV 目录 摘要 I HYPERLINK \l _bookmark0 Abstract II HYPERLINK \l _bookmark1 1 绪论 HYPERLINK \l _bookmark2 1.1 分布式发电的概念 (1) HYPERLINK \l _bookmark3 1.2 分布式发电的分类 (2) HYPERLINK \l _bookmark4 1.3 分布式发电在国内外的发展状况与前景 (4) HYPERLINK \l _bookmark5 1.4 分布式发电系统中孤岛效应的概念及研究价值 (5) HYPERLINK \l _bookmark6 1.5 本论文的主要工作 (7) HYPERLINK \l _bookmark7 2 传统的孤岛检测方法 HYPERLINK \l _bookmark8 2.1 孤岛检测要求的标准 (9) HYPERLINK \l _bookmark9 2.2 孤岛效应产生的机理 (10) HYPERLINK \l _bookmark10 2.3 基于分布式发电机的孤岛检测方法 (11) HYPERLINK \l _bookmark11 2.4 基于通信的孤岛检测方法 (18) HYPERLINK \l _bookmark12 2.5 小结 (20) HYPERLINK \l _bookmark13 3 孤岛前后电气量的变化情况分析 HYPERLINK \l _bookmark14 3.1 孤岛前后电压幅值的变化情况分析 (21) HYPERLINK \l _bookmark15 3.2 孤岛前后频率和相位变化情况分析 (22) HYPERLINK \l _bookmark16 3.3 本章小结 (24) HYPERLINK \l _bookmark17 4 基于频率的孤岛检测新方法研究 HYPERLINK \l _bookmark18 4.1 孤岛检测新方法的原理 (25) HYPERLINK \l _bookmark19 4.2 仿真软件介绍以及模型的建立 (26) HYPERLINK \l _bookmark20 4.3 无功功率变化对基于频率的孤岛检测新方法的影响仿线) HYPERLINK \l _bookmark21 4.4 孤岛检测新方法的验证 (29) HYPERLINK \l _bookmark22 4.5 本检测方法抗干扰仿线) HYPERLINK \l _bookmark23 4.6 小结 (38) HYPERLINK \l _bookmark24 5 影响门槛值整定的因素仿真 HYPERLINK \l _bookmark25 5.1 恒阻抗负载和恒电流负载的影响 (39) HYPERLINK \l _bookmark26 5.2 发电机惯性时间常数的影响 (43) HYPERLINK \l _bookmark27 5.3 小结 (46) HYPERLINK \l _bookmark28 6 结论与展望 HYPERLINK \l _bookmark29 6.1 全文工作总结 (47) HYPERLINK \l _bookmark30 6.2 工作展望 (48) HYPERLINK \l _bookmark31 致谢 (49) HYPERLINK \l _bookmark32 参考文献 (50) PAGE 10 PAGE 10 1 绪论 现在全世界的供电系统都是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单 一供电系统,虽然全世界90%的电力负荷都是由这种集中单一的大电网供电,但是国 民经济结构的调整和电力行业的飞速发展使得当今社会对能源和电力供应的质量和 安全可靠性的要求日益提高,而目前电力工业在向“大电网、大机组”模式发展的过 程中,不可避免的存在着系统不稳定的弊端,局部事故极易扩大为大面积电网事故, 严重影响着重要用户供电;同时,大量地消耗以煤为主的化石能源带来了日益严重 的污染,以及对生态环境的严重破坏;另外集中式大电网还不能跟踪电力负荷的变 化,而为了短暂的峰荷建造发电厂的花费是巨大的,经济效益也非常低。根据西方 国家的经验:大电网系统和分布式发电系统相结合即分布式发电系统的并网运行是 节省投资,降低能耗,提高系统安全性和灵活性的主要方法。本章将从分布式发电 系统的概念出发,简要介绍分布式发电系统在国内外的应用以及前景,并概述分布 式发电系统中孤岛效应的研究意义,最后说明了本文的研究内容。 1.1 分布式发电的概念 1978年美国公共事业管理政策法对“分布式发电”做出了明确定义,即分布式发 电是相对于传统的集中式供电方式而言的,是指将发电装置以小规模(数千瓦至 50MW的小型模块式)、分散的方式布置在用户附近,可独立地输出电、热能的系统。 这个概念从公布后正式在美国推广,然后逐渐被其他国家接受[1]。 国际大型电力系统委员会(CIGRE)将分布式发电定义为“非经规划的或中央调 度型的电力产生方式,通常与配电网连接,发电规模一般在50-100MW之间”。 一般来说,分布式发电系统指的是在用户现场或靠近用电现场配置较小、容量 在数千瓦至数十兆瓦之间的发电机组(一般低于30MW),以满足特定用户的需要,支 持现存配电网的经济运行,或者同时满足这两个方面的要求。这些小的机组包括燃 料电池,小型燃气轮机,或燃气轮机与燃料电池的混合装置以及可再生能源发电等。 分布式发电系统的结构如图1-1所示。由于发电系统靠近用户,因此提高了服务的可 靠性和供电质量。并且,技术的发展,公共环境政策和电力市场的扩大等因素的共 同作用使得分布式发电成为新世纪重要的能源选择,是电力行业发展的新方向[2]。 主电网 公共耦合点PCC 负 负 载 负载 式发 电装 置  分布式 负载 发电装 置 局部电网1 局部电网2 局部电网3 图 1-1 分布式发电系统的结构 1.2 分布式发电的分类 根据所使用一次能源的不同,分布式发电可分为基于化石能源的分布式发电技 术、基于可再生能源的分布式发电技术以及混合的分布式发电技术[2],具体分析如下: (1)基于化石能源的分布式发电技术主要由以下三种发电技术构成: ①往复式发动机技术:用于分布式发电的往复式发动机采用四冲程的点火式或 压燃式,以汽油或柴油为燃料,是目前应用最广的分布式发电方式。但是此种方式 会造成对环境的影响,最近通过对其技术上的改进,已经大大减少了噪音和废气的 排放污染。 ②微型燃气轮机技术:微型燃气轮机是指功率为数百千瓦以下的以天然气、甲 烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机。但是微型燃气轮机与现有的其它发电技 术相比,效率较低。满负荷运行的效率只有30%,而在半负荷时,其效率更是只有 10%~15%,所以目前多采用家庭热电联供的办法利用设备废弃的热能,提高其效率。 目前国外已进入示范阶段,其技术关键主要是高速轴承、高温材料、部件加工等。 ③燃料电池技术:燃料电池是一种在等温状态下直接将化学能转变为直流电能 的电化学装置。燃料电池工作时,不需要燃烧,同时不污染环境,其电能是通过电 化学过程获得的。在其阳极上通过富氢燃料,阴极上面通过空气,并由电解液分离 这两种物质。在获得电能的过程中,一些副产品仅为热、水和二氧化碳等。氢燃料 可由各种碳氢源,在压力作用下通过蒸汽重整过程或由氧化反应生成。因此它是一 种很有发展前途的洁净和高效的发电方式,被称为21世纪的分布式电源。 (2)基于可再生能源的分布式发电技术主要由以下几种技术构成: ①太阳能光伏发电技术:太阳能光伏发电技术是利用半导体材料的光电效应直 接将太阳能转换为电能的发电技术。光伏发电具有不消耗燃料、不受地域限制、规 模灵活、无污染、安全可靠、维护简单等优点。但是此种分布发电技术的成本非常 高,所以现阶段太阳能发电技术还需要进行技术改进,以降低成本而适合于广泛应 用。 ②风力发电技术:它是将风能转化为电能的发电技术,可分为独立与并网运行 两类,前者为微型或小型风力发电机组,容量为100W~10kW,后者的容量通常超 过150kW。近年来,风力发电技术进步很快,单机容量在2MW以下的技术已很成熟。 (3)混合的分布式发电技术通常是指两种或多种分布式发电技术及蓄能装置组合 起来,形成复合式发电系统。目前已经提出了多种形式的复合式发电系统,其中一 个重要的方向是热电冷三联产的多目标分布式供能系统,通常简称为分布式供能系 统。其在生产电力的同时,也能提供热能或同时满足供热、制冷等方面的需求。与 简单的供电系统相比,分布式供能系统可以大幅度提高能源利用率、降低环境污染、 改善系统的热经济性。 分布式发电系统主要有两种运行模式,即独立运行模式(孤岛运行模式)以及 与电力系统并联的运行模式(并网运行模式)。所谓孤岛运行模式是指负荷由分布式 发电系统单独供电的运行模式。而并网运行模式是指分布式发电系统接入电力系统 的配电网,与原有系统一起向负荷供电的运行模式。在这两种运行模式中,前者主 要用于电网没有达到的地方,后者主要用于电网中负荷增长快速的区域和重要的负 荷区域[1]。 分布式发电与集中供电系统的配合应用有以下优点[2]: (1) 分布式发电系统中各电站相互独立,用户由于可以自行控制,不会发生大规 模停电事故,所以安全可靠性比较高; (2) 分布式发电可以弥补大电网安全稳定性的不足,在意外灾害发生时继续供 电,已成为集中供电方式不可缺少的重要补充; (3) 可对区域电力的质量和性能进行实时监控,非常适合向农村、牧区、山区, 发展中的中、小城市或商业区的居民供电,可大大减小环保压力; (4) 分布式发电的输配电损耗很低,甚至没有,无需建配电站,可降低或避免附 加的输配电成本,同时土建和安装成本低; (5) 可以满足特殊场合的需求,如用于重要集会或庆典的(处于热备用状态的)移 动分散式发电车; (6) 调峰性能好,操作简单,由于参与运行的系统少,启停快速,便于实现全自 动。 本文研究的分布式发电系统是并网运行的基于化石能源的分布式发电系统,其 中最主要的装置是分布式发电机。发展这种小型的分布式发电系统可以提高供电的 可靠性,可以在电网崩溃和意外情况下保证重要用户的安全工作,是电力发展的重 要补充。 1.3 分布式发电在国内外的发展状况与前景 在美国,容量为1kW到10MW分布式电源发电和储能单元正在成为未来分布式供 能系统的有用单元。由于分布式电源的高可靠性、高质量、高效率以及灵活性,故 可满足工业、商业、居住和交通应用的一系列要求。预计几年后,新一代的微汽轮 机(10~250kW)可以完全商业化,为调峰和小公司余热发电提供了新机会[2]。 在美国国内到2020年,由于新的能源需求与老的电厂的退役,估计要增加 1.7×1012 kW·h的电力供应,几乎是近20年增量的2倍。为满足市场需要,下一个10年 之后,美国的分布式发电市场装机容量估计每年将达5×109 ~6×109 W,为解决这个 巨大的缺口,美国能源部提出了以下几个涉及分布式发电技术的计划,包括燃料电 池、分布式发电涡轮技术、燃料电池和涡轮的混合装置等。可以预料,在不久以后, 分布式发电技术将在美国得到相当的发展。 此外未来能源将形成私人电站大发展的分布式发电格局。例如美国设想21世纪 将出现家庭小型电站,每户家中都将装有两只电表,分别负责电力的“输入”和“输出”。 显示电力“输入”的电表在绝大多数时间里都在转动,这是来自大型中央发电站的电 力。而当偶尔电力不足或电价上涨时,家里的小型发电机就会运转起来,它发出的 电力不仅带动家里的用电设备,而且还可以将多余的电能出售给当地的电力网。 在我国,随着经济建设的飞速发展,我国集中式供电网的规模迅速膨胀。这种 发展所带来的安全性问题不容忽视。由于各地经济发展很不平衡,对于广大经济欠 发达的农村地区来说,特别是农牧地区和偏远山区,要形成一定规模的、强大的集 中式供配电网需要巨额的投资和很长的时间周期,能源供应严重制约这些地区的经 济发展。而分布式发电技术则刚好可以弥补集中式发电的这些局限性。在我国西北 部广大农村地区风力资源十分丰富,像内蒙古已经形成了年发电量1亿kW·h的电量, 除自用外,还可送往北京地区,这种无污染绿色能源可以减轻当地的环境污染。在 可再生能源分布式发电系统中的除风力发电外,还有太阳能光伏电池、中小水电等 都是解决我国偏远地区缺电的良好办法。因此,应引起足够的重视。 在我国城镇,分布式发电技术作为集中供电方式技术不可缺少的重要补充,将 成为未来能源领域的一个重要发展方向。而在分布式发电技术中应用最为广泛、前 景最为明朗的,应该首推热电冷三联产技术,因为对于中国大部分地区的住宅、商 业大楼、医院、公用建筑、工厂来说,都存在供电和供暖或制冷需求,很多都配有 备用发电设备,这些都是热电冷三联产的多目标分布式供能系统的广阔市场。 如果说电力市场化是电力行业的重大改革,那么分布式发电可认为是电力行业 的重大技术改革,两者共同作用将使未来世界的电力行业呈现全新的面貌。随着电 力体制改革的发展,分布式发电也可为一些用户提供一种自立的选择,使其更能适 应易变的电力市场。此外,由于分布式发电设施的安装周期短,不需要现存的基础 设施,而且与大型的中央电站及发电设施相比总投资较少,因此在电力竞争性市场 建立后分布式发电的作用将会日益明显和重要,从而可与现有电力系统结合形成一 个高效、灵活的电力系统,提高整个社会的能源利用率,提高整个供电系统的稳定 性、可靠性和电力质量。 1.4 分布式发电系统中孤岛效应的概念及研究价值 前已述及,并网运行的分布式发电系统固然有着它极大的优点,但不可否认的 是,它的出现使得我们在它的运行控制上面临着许多难题,比如必须要满足并网的 技术要求以确保系统安装者的安全以及电网的可靠运行。因此为了分布式发电系统 的大规模应用,必须要解决与并网技术要求相关的一系列问题,孤岛效应就是其中 的关键问题之一,国际能源机构(IEA)已经对此进行了广泛而深入的研究[3,4]。 1.4.1 孤岛效应的概念 当电网处于失电状况(比如大电网停电),这些独立的并网发电系统仍可能持续 工作,并与本地的负载连接处于独立运行状态,这种现象称为孤岛效应。即当电网 因故障、事故或停电维修而跳脱时,各个用户端的分布式并网发电系统未能及时检 测出停电状态而将自身切离市电网络,形成由分布式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[5],如图1-2所示。 主电网 孤岛 BRK 本地 负载 DG 图 1-2 孤岛问题研究的电网拓扑结构 对孤岛效应的研究可以分为两种情况,即反孤岛效应和利用孤岛效应[6,7],反孤 岛效应指的是禁止非计划孤岛的产生,由于这种供电状态是未知的,将造成一系列 的不利影响,并且随着电网中分布式发电装置的增多,其造成危害的可能性增大, 而传统的过/欠压、过/欠频保护已经不再满足安全供电的需要,因此 UL1741[8], IEEEStd.929[9]中规定,分布式发电装置必须采用反孤岛方案来禁止非计划孤岛效应 的发生。利用孤岛效应是指按预先配置的控制策略,有计划的发生孤岛效应,具体 是指在因电网故障或维修而造成供电中断时,由分布式发电装置继续向周围负载供 电,从 而减 少因 停电 而带来 的损 失, 提高 供电质 量和 可靠 性 [10,11,12] ,因此尽管 IEEEStd.1547.1[7]中明确规定了反孤岛测试电路和测试方法,但是同时也提出孤岛效 应的利用是未来考虑的主要任务之一,然而必须要求系统中的分布式发电装置能够 将电压和频率维持在标准规定的范围内[6,7]。 孤岛效应通常发生在低压电网,但是当电网中分布式发电装置的数量很多时, 也可能发生在较高电压的配电网和输电网中[13],孤岛效应可能造成严重后果的情况 是:孤岛被局部化并且主变压器不包含在局部孤岛以内。 1.4.2 孤岛效应的研究价值 分布式供电系统应尽力避免孤岛的产生,其理由集中在[14]: (1) 对电网负载或人身安全的危害,用户或线路维修人员不一定意识到分布式供 电系统的存在; (2) 供电质量,没有大电网的支持,分布式供电系统难以符合各个方面的要求, 例如电压波动,频率波动以及谐波等技术指标; (3) 孤岛系统被重新并入电网时,由于重合闸时系统中的分布式发电装置可能与 电网不同步,可能使电路断路器装置受到损坏,并且可能产生很大的冲击电流,从 而损害孤岛系统中的分布式发电装置,甚至导致电网重新跳闸; (4) 电力公司对电网的管理要求,由于孤岛状态意味着脱离了电力管理部门的监 控而独立运行,是不可控和高隐患的操作。 除了以上问题,还可能存在以下几个问题[14]: (1) 对通过逆变器并网运行的分布式电源来说,孤岛运行时分布式电源的控制方 式应从并网时的电流控制模式变换到独立供电时的电压控制模式,两种控制模式之 间的转换使得控制更加复杂; (2) 未来分布式供电电源可能更多利用太阳能、风能、地热等清洁能源,这集中 电源都存在输出功率不稳定(尤其是发电系统本身没有储能设备时)的问题,甚至 在某段时间内无功率输出,不能满足负载安全稳定运行的需要; (3) 对于通过逆变器并网运行的分布式供电系统,为了提高逆变器的效率而设定 单位功率因数输出,但是本地负载总是有对无功功率的需求,这就导致在孤岛运行 时负载无功需求不能满足要求,因此系统的电压和频率可能发生波动甚至崩溃。 因此,从用电安全与用电质量方面考虑,对孤岛状态进行检测是必须的,进行 孤岛检测对提高电网安全稳定运行有着极其重要的作用。研究孤岛检测方法及保护 措施,将孤岛产生的危害降至最低具有十分重要的理论价值和现实意义。 1.5 本论文的主要工作 本文参考了国内外大量的有关分布式发电系统中孤岛效应的技术文献和研究报 告,从孤岛效应产生的机理出发,阐述了现有孤岛检测方法的工作原理及其优缺点, 针对现有孤岛检测方法的优缺点提出了一种基于频率的孤岛检测新方法,并用 PSCAD/EMTDC 电磁暂态仿真软件对其进行了建模仿真,证明了该方法的正确性和 可靠性。本论文主要章节可以概述如下: 第一章 从分布式发电的基本概念入手,介绍了分布式发电的分类及其在国内外 的发展状况和前景,同时阐述了分布式发电系统中孤岛效应的概念和研究孤岛效应 的价值所在; 第二章 首先简要介绍了现有孤岛检测的标准,给出了不同电压等级下孤岛检测 的推荐时间,然后分析了孤岛效应产生的机理,概述了现有基于分布式发电机的各 种孤岛检测方法的工作原理及其优缺点,重点分析了基于频率的孤岛检测方法—— 频率变化率(ROCOF)和相位变化(VS)两种方法; 第三章 对孤岛发生后电压、频率和相位三种电气量的变化情况进行了分析,并 对电气量进行了比较,寻找最可靠的电气量作为新方法的判据; 第四章 在原有孤岛检测方法的基础上,提出一种基于频率的孤岛检测新方法, 然后用电磁暂态仿真软件 PSCAD/EMTDC 建立仿真模型,经过比较说明了该方法的 正确性和可靠性; 第五章 对本文提出的基于频率的孤岛检测新方法中影响门槛值整定的两个因 素进行了仿真分析,并提出了建议; 第六章 对本文所作的工作进行了总结,并展望了未来要继续深入研究的问题。 2 传统的孤岛检测方法 要及时的检测出孤岛效应,必须注意以下两点: (1) 必须能够检测出不同形式下的孤岛系统。由于分布式电源与电网之间可能存 在多个自动开关以及熔断器,其中任何一处断开,都有可能形成孤岛。每个孤岛系 统可能由不同的负载和分布式发电装置组成,其运行状况可能存在很大差异,一个 可靠的孤岛检测方法必须能够检测出所有可能的孤岛系统; (2) 必须在规定时间内检测出孤岛效应。不同的国家都制定了不同的并网技术标 准,这些技术标准推荐了不同的孤岛检测时间,我们选择的方法必须要在给定的时 间内检测出孤岛的产生。 因此,本章首先介绍了现有的并网技术标准,给出了这些并网技术标准中推荐 的孤岛检测时间,然后简要分析了孤岛效应产生的机理,并且在随后的两小节中概 述了基于分布式发电机的各种孤岛检测方法的工作原理,并且详述了每种检测方法 的优缺点,为后来我们的新孤岛检测方法的提出打下基础。 2.1 孤岛检测要求的标准 分布式发电系统的孤岛效应利用需要对系统重新设计以满足安全的工作于孤岛 运行模式的要求,但是现有的一系列技术和经济障碍使得近些年对孤岛效应的利用 是不可能推广的,于是现阶段还是要求必须及时检测并禁止孤岛效应的发生。国际 上先后制定的并网技术标准如 UL1741[8]、IEEE Std.929[9]和 IEEE Std.1547.1[7]等都规 定了并网发电装置必须配有孤岛检测功能,并设计出具体的孤岛测试电路和测试方 法。 然而由于并网技术要求与配电网的结构和运作制度有关,不同国家对并网技术 要求的规定不同[4],因此,国际上对孤岛方法并没有明确规定,但是 IEEE Std.929[9] 和 IEEE Std.1547[6]根据孤岛效应发生时的具体情况推荐了不同的孤岛效应检测时 间。本文考虑的孤岛效应检测时间采用 IEEE Std.929[9]所推荐的检测时间。如表 2-1 所示: 表 2-1 IEEE Std.929 允许的孤岛效应检测时间 状态 断电后电压幅值 断电后电压频率 允许的最大检测时间 A 0.5Vnom f nom 6 周期 B 0.5Vnom V 0.88Vnom f nom 2 秒 C 0.88Vnom ??V ??1.10Vnom f nom 2 秒 D 1.10Vnom V 1.37Vnom f nom 2 秒 E 1.37Vnom ??V f nom 2 周期 F Vnom f f nom -0.7 Hz 6 周期 G Vnom f f nom +0.5 Hz 6 周期 注意:Vnom 指电网电压幅值的标准值,对于我国的单相市电,为交流 220V(有效值); fnom 指电网电压频率的标准值,在我国为 50 Hz 。 2.2 孤岛效应产生的机理 主电网 孤岛 BRK  公共耦合点 本地 DG 负载 图 2-1 含 DG 的分布式发电系统 图 2-1 给出了典型的接有一个 DG 的分布式并网发电系统示意图。在正常情况下, DG 负担本地负载所需的功率,剩余(或不足)的功率则由主电网提供。 在某种情况下(故障或者误操作等),断路器 BRK 跳开,此时,DG 仍旧为负荷 供电,但是却与主电网分离,这时的运行状态便是孤岛状态。图 2-1 中的椭圆部分 即为孤岛系统,由 DG 单独作用的孤岛系统很难稳定运行。 孤岛效应可以是以下一种或几种情况所造成的[23]: (1) 电网检测到故障,导致电网侧继电保护动作跳闸,但是分布式发电站装置没 有检测到故障而继续运行; (2) 由于电网设备故障而导致正常供电的意外中断; (3) 电网维修造成的供电中断; (4) 工作人员的误操作或蓄意破坏; (5) 自然灾害。 孤岛状态一般仅维持一段很短的时间,除非分布式电源有能力维持与之相连的 孤岛中的负荷,否则在此状态下,孤立电网的电压和频率有可能发生很大的变化, 但是无论变化多小,都要求将 DG 断开,以消除孤岛下的潜在危险,除非 DG 被用 作独立于电网的备用电源。 孤岛检测方法主要分为基于通讯的孤岛检测方法和局部孤岛检测方法。基于通 讯的孤岛检测方法主要有连锁跳闸法[15]和电力线];局部孤岛检测方法 主要分为被动式孤岛检测方法和主动式孤岛检测方法。被动式检测方法通过检测并 网发电系统与电网连接处电压或频率的异常来检测孤岛效应,包括过/欠压和过/欠频 保护[17,18,19]、相位跳变[17]、电压谐波检测[17,18,19]等方法;主动式检测方法通过有意的 引入扰动信号,来监控系统中电压、频率以及阻抗的相应变化,以确定电网的存在 与否,主要包括输出功率变动[17,19,20]、阻抗测量法[21,22]等。需要注意的是,局部孤 岛检测方法与分布式电源的类型(分布式发电机或者并网逆变器)有关,而基于通 讯的孤岛检测方法对分布式发电机和并网逆变器都适用。本文的研究重点在于基于 分布式发电机的分布式发电系统,因此我们只对相关的孤岛检测方法进行阐述。 2.3 基于分布式发电机的孤岛检测方法 国内外的专家学者做了大量的研究与探讨,提出了多种不同的保护方法。传统 的孤岛检测根据是否对系统产生影响可以分为两类:第一类称为被动式(消极)检 测方法,第二类称为主动式(积极)检测方法,下面分别说明。 2.3.1 被动式孤岛检测方法 被动式孤岛检测方法是通过检测不同的系统参数来判断孤岛产生与否,这种方 法无需对系统运行施加影响,所以对电网无干扰,输出电能质量无影响。主要是包 括不正常的电压和频率监视、相位监视、谐波监视和频率改变监视等;当并网正常 运行时,由于有大电网的支持,电压幅值、频率等恒定不变,当电网跳闸后,如果 系统中功率不匹配较大,系统的频率、电压等将发生较大变化,于是通过检测电压 幅值或频率的变化就可以判断是否发生孤岛。 目前最主要的被动方法有几种:频率变化率法(ROCOF)[5,24,30,32,33,34,35,39]、相 位变化法(VS)[25,30,35,36,37,39]、过/低频和过/欠压检测法[5,30]、谐波电压检测法[5,30]、 有功输出变化率检测法[27,28,29,30,31]、不平衡电压和电流的总谐波畸变检测法[26,30], 以及电压的模值、相角、频率和电流的总谐波畸变检测法[30]等。其中,目前使用最 多的方法有两个:一个是 ROCOF(Rate of Change of Frequency),它是以频率变化率 为依据的检测方法;另一种是 VS(Vector Shift),它是一种以相位变化为依据的检测 方法,它们都是基于频率的检测方法。下面分别对它们进行介绍: ROCOF 方法 ROCOF 是目前孤岛检测中最常用的一种方法。它的理论基础是:假设孤岛瞬间 分布式电源提供的功率和负荷消耗的功率间存在功率差异,即功率不平衡时,孤岛 发生后分布式发电机的输出功率变化导致电压、频率的变化,而电压和频率的这种 变化可以用来检测孤岛的产生。 图 2.2 为安装有 ROCOF 继电器的分布式并网发电系统的等值电路图。图中,分 布式发电机 DG 向负载 L 提供电能。DG 提供的功率 PDG 与负载 L 消耗的电功率 PL 之 间的差额由主系统提供(或消耗),即,PSYS ??PL ??PDG 。正常运行时,系统频率不变。 假定断路器由于故障等原因跳开,此时,由 DG 和 L 组成的部分从主系统中分离, 形成孤岛, PSYS ??0 。这一暂态过程使得 PDG 发生变化,频率随之变化,频率的这种 变化可以用来检测孤岛的产生。但是,如果孤岛后的不平衡功率较小,则孤岛后的 频率变化就小;此时,用 df / dt 这个量作判据,就可以更好的检测出孤岛的产生。这 就是 ROCOF 方法的基本原理[35,38]。 PDG  ROCOF  PSYS 主电网 PL DG 负载 图 2.2 装有 ROCOF 继电器的 DG 并网运行等值电路图 在孤岛后的最初几秒内,频率的变化跟负荷所需功率和分布式发电机提供的功 率之间的差异有关[30,32,33,34,35]: df ????(PL ??PDG ) f n  (2-1) dt 2HPGN 其中, fn 是系统的额定频率;H 是分布式发电机的惯性时间常数; PGN 是分布 式发电机的额定容量。 ROCOF 继电器的模型可以用方框图 2-3 表示如下[35]: ?e (rad / s) 1 2? f (Hz) df (Hz / s) d dt dt  1 TaS ?1  df (Hz / s) dt 图 2-3 ROCOF 孤岛检测方法模型 ROCOF 继电器提取分布式发电机的电角速度 ?e ,然后把电角速度 ?e 转换成频 率,并且经过一个微分模块和通过一个时间常数为 Ta 的一阶传递函数得到需要的频 率变化率,传递函数中采用的时间常数 Ta 为滤波器的时间常数和测量时窗,一般为 几周波到 40 周波之间。如果得到的 df / dt 值大于所设定的阈值,ROCOF 继电器就会 发出跳闸信号。一般,ROCOF 在 50Hz 下设定为 0.1Hz/s—1Hz/s,其数值取决于系 统强弱,且系统越强,数值设定就越小。 除了对 df / dt 数值的设定外,ROCOF 继电器的启动还需要另外一个条件: U ??Ulim it 。即若端电压 U 降至一个规定的值Ulim it 以下时,ROCOF 会闭锁跳闸信号, 这样是为了防止在发电机启动或短路等情况下 ROCOF 产生误判[30,35]。 ROCOF 方法的非检测区小、灵敏度高、性能最好[39],尤其是当孤岛效应发生前, 负载和分布式发电机之间的有功功率差额较大时,该方法能够在非常短的时间内检 测出孤岛,并且有效和可靠的动作;但是在有功功率差额非常小时,有可能会进入 保护的死区,不能提供可靠的孤岛检测;并且,本方法在系统扰动的情况下容易产 生误判。 VS 方法 I? I DG?V? VS DG IX d ?L I ? ISYS I E? DG E t  V? 负载 V T 图 2.4 装有 VS 继电器的 DG 并网运行等值电路图 图 2.4 给出了装有 VS 继电器的分布式并网发电系统的等值电路图[30]。由图可见, 由于发电机内阻抗 X d 的影响,使得发电机电动势 Et 与机端电压VT 存在电压降及相位 差??。其关系如下图 2-5 所示: ?V? EV? ? E V t T ? 图 2-5 孤岛前电动势与机端电压相位关系 图 2-5 为分布式电源与主电网切离前电动势与机端电压的相位关系。 图 2.4 中,如果由于故障等原因,断路器断开,那么分布式发电机 DG 和负载 L ? 就会与主系统分离,形成孤岛。断路器断开的瞬间,由于 I SYS 减小为 0,同步发电机 所负担的负荷增加(或减少),因此,机端电压VT 与电动势 Et 的相差增大(或减小), VT 的相角变化,如下图 2-6 所示: V?V??? ??? V T EV? ? E V t T ?? 图 2-6 孤岛后电动势与机端电压相位关系 将上述情况进行时域分析,可以得到图 2-7。如图所示,断路器在 A 点断开。VT 的频率也同时变化,端电压的这种变化我们称为相位变化(Vector Shift)。VS 继电 器就是基于这一原理工作的。 图 2-7 VS 继电器工作原理图 VS 继电器将当前的测量波形与上一个测量波形相比较,在孤岛时,一个正弦波 的周期要么会减小,要么会增大,这取决于孤岛系统中,分布式发电机提供的有功 功率对于负荷而言是功率不足还是功率过剩。波形周期的变化与端电压VT 相角的变 化 ???成正比。而 ???是 VS 继电器的参变量。如果 ???大于 VS 继电器设定的阈值 ??,VS 继电器就会发出跳闸信号。一般,VS 继电器的阈值??设为 2°~20°。除此之 外,VS 继电器也对端电压的幅值设定了一个最小值Vlimit ,如果 VT VS 继电器将闭锁,之所以设置Vlimit ,也是为了避免误判。 低于这个最小值, VS 方法是频率变化的积分,即 ?????2?????fdt ,因此利用 VS 的方法检测孤岛时, 在有功功率差额较小的时候仍能检测出孤岛状态,并且当系统发生扰动时,本方法 能有效的防止误判,有较高的可靠性;但是本方法在有功功率差额较大时,不能满 足快速动作的要求。 2.3.1.3 其它被动检测方法 除了以上两种基于频率的继电器之外,基于其它系统参数的继电器也可以用来 检测孤岛效应[1],最常用的是电压继电器,电压继电器主要依据孤岛系统中无功功 率的不匹配来工作,通常在分布式电源输出的无功功率大于负载需求的无功功率时, 系统的电压将上升;而在分布式电源输出的无功功率小于负载需求的无功功率时, 系统中的电压将下降。此外,通过确定分布式电源输出端的电压变化率也可以用来 判断孤岛状况。注意电压继电器可以提供分布式电源的其它保护,例如防止过电压, 所以分布式发电系统中一般安装有电压继电器,在不增加成本的基础上支持孤岛检 测。 尽管还没有对电压继电器检测孤岛效应的性能进行研究,但是可以确定是系统 中电压的变化比频率的变化快得多。这是因为电压改变没有“机械惯性”,所以电压 继电器工作时需要的时间延迟更短。然而为了减少电网的功率损耗,配电系统中一 般只有少量无功功率不匹配,这样孤岛效应发生时相应的电压改变也很小,同时系 统中的其他扰动也可能导致电压发生变化,所以电压继电器不用作孤岛检测的主要 装置。 我们还可以使用其它参数来检测孤岛的发生,例如: (1) 输出有功功率变动[28],该方案监控分布式电源输出有功功率的改变。由于 频率改变是有功功率改变的直接结果,该方案的性能可能类似于基于频率的继电器, 并且由于其他扰动也可能改变输出功率,所以基于输出有功功率改变的方案很难确 定是一个可靠的孤岛检测判据; (2) 输出无功功率变动[28],该方案监控分布式电源输出无功功率的改变,其性 能比电压继电器好。无功功率的改变是一个更灵敏的指标,但是为了保证可靠性, 该方案需要发电机工作在电压控制模式,而这是电网所不允许的。并且由于在分布 式电源输出功率低的系统中,需要大量无功功率变化才能检测到电压变动,因此基 于输出无功功率变动的方案存在与电压继电器类似的问题; (3) 功率因数 ??和 df / dP 指标[40],功率因数由发电机的有功功率和无功功率决 定,还没有令人信服的理论证明功率因数在孤岛效应发生前后有很大不同,df / dP 也 是如此,因此此类指标没有改进孤岛检测。 综上所述,基于其它参数的孤岛检测方法只能是孤岛检测的补充装置,它们对 扰动的敏感性很强,很难选择阀值来区分孤岛效应和系统的扰动,因此不能提供比 基于频率的继电器更好的性能。 2.3.2 主动式孤岛检测方法 主动式孤岛检测方法通过向电网注入扰动,根据相应的系统响应来检测孤岛效 应。主动式孤岛检测方法与分布式电源的类型有关,对同步发电机来说,由于电压 高而且发电机不易控制,因此注入参数的选择受到限制。一下将讨论两种针对同步 发电机的主动式孤岛检测方法: 2.3.2.1 阻抗测量孤岛检测 当分布式发电系统与电网并网时,发电机端的等效阻抗很小,而当孤岛时等效 阻抗很大,通过检测阻抗的变化就能检测到系统是否处于孤岛状态[38]。阻抗测量孤 岛检测的原理如图 2-8 所示。 阻抗测量 电力 系统 DG 干扰信号 发生器 图 2-8 阻抗测量孤岛检测 但是测量系统的阻抗并不是一项容易的任务,需要采用专门的发电机来向电网 输入扰动。由于系统存在谐波源,为了避免干扰不能使用谐波电流,通常选择注入 低频的间谐波电流;也可以使用连接在同步发电机输出端的并联晶闸管来向电网注 入扰动,由电压和电流响应来计算阻抗。由于电网跳闸前后阻抗有较大变化,所以 不需要精确的测量。 本方法的显著优点是孤岛系统中功率不匹配的大小不影响其检测性能。然而当 系统中有多个分布式发电机时,注入的各个干扰信号可能相互冲突,影响阻抗的测 量;成本也是一个要考虑的因素,因为该方法需要在每个分布式发电机侧安装一个 专用的干扰信号发生器;另外,某些负荷的频率响应可能正好将此干扰信号过滤除 掉,而不能产生相应的电压和电流响应。 2.3.2.2 改变发电机端电压孤岛检测 阻抗测量孤岛方法的一个变体是通过改变同步发电机的端电压,然后测量其输 出的无功功率来检测孤岛[41]。由于孤岛运行模式与并网运行模式时的系统测量阻抗 相差很大,因此同步发电机输出无功功率的改变在两种模式下实现可能有很大差别。 当有电网连接时,无功功率的变动将很小,于是可以让同步发电机的自动电压调节 器产生小的电压变动,通过监控同步发电机输出无功功率的变化来判断孤岛状况。 这种方案比直接的阻抗测量方法更实用,仅需要改变同步发电机的励磁就可以实现。 与阻抗测量方法一样,发电机端电压变动方案比被动式方案更复杂,可能带来 副作用如电能质量下降和转子振动。然而主动式检测方法最主要的问题是稀释效应, 当多台同步发电机向系统注入类似的扰动时,很难甚至是不可能测量系统的阻抗, 也很难确定发电机的响应。由于还没有调查多个扰动时对孤岛效应检测有效性的影 响,因此对连接有多台同步发电机的系统,主动式检测方法的可靠性还不能保证。 2.4 基于通信的孤岛检测方法 基于通信的孤岛检测方法采用无线电通讯的方式来检测孤岛效应,其性能与分 布式电源的类型无关。目前主要有两种基于通讯的孤岛检测方法:联锁跳闸法[15]和 电力线],其它形式的基于通讯的孤岛检测方法只是这两种方法的变更。 2.4.1 联锁跳闸法 联锁跳闸法的基本思想是监控电网中所有可能导致孤岛形成的断路器或自动开 关的状态[15]。当某个开关动作导致分布式发电系统中变电站分离,中央控制单元将 确定孤岛地带,并立即发送信号终止孤岛区域内分布式发电装置的运行。图 2-8 表 示出该方法的工作原理,例如 A 处或 B 处的断路器跳开时,中央控制单元将对分布 式发电装置 DG2 发出跳闸信号,使之停止运行;同理,A 处或 C 处断路器的跳开将 使 DG1 停止运行。 如果单个分布式电源通过有限数量的自动开关连接到拓扑结构固定的变电站, 该方案可能在很大程度上得到简化,状态信号可以从每个监控点(自动开关或断路 器处)直接送给分布式电源,而不必采用中央控制单元。 变电站1 130KV 中央控 制单元 跳闸 A 信号 D B Y(常闭) C DG1  DG2 X(常开) 变电站2 图 2-9 联锁跳闸法的原理图 然而如果系统中有多个自动开关且馈线拓扑变化时,联锁跳闸方法可能变得相 当复杂。首先必须监控分布式电源与变电站之间所有的自动开关和断路器的状态; 其次由于拓扑结构的变化,电源与变电站之间的自动开关和断路器可能不同。拓扑 结构的改变通常是馈线 所示。例如一些运行状况需要常闭开 关 Y 跳开而常开开关 X 闭合,在这种情况下,DG2 将被转让给变电站 2,结果与变 电站 2 相关的自动开关和断路器也要被监控以确定 DG2 的运行状态。意识到拓扑结 构可能发生变化的情况下,联锁跳闸方法必须采用中央控制单元以确保方案的可靠 执行,并且中央控制单元需要有拓扑结构的最新信息,这些实际情况使得联锁跳闸 方法不能得到广泛应用。 此外联锁跳闸方法需要大量的通讯做支持,其中无线电通信或电话线是最常用 的方式。为了保证方法的可靠性,无线电信号必须连续不断的发送给分布式电源或 中央控制单元,一次信号的中断都将被看作是相关断路器或自动开关的跳开。这样 在无线电信号覆盖不到的区域或电话线到达不了的地方,该方法无法实施。 联锁跳闸方法对有着固定拓扑结构的馈线来说简单并且有效。它允许电网对分 布式电源的附加控制,增加了分布式电源与电网之间的协调。并且在故障清除后, 还可以用一个中央控制单元提供分布式电源的重连接信号。 然而,本方法成本高、执行复杂,这是因为系统中所有可能的分离点都需要安 装信号发生器,并且通讯必须覆盖分布式电源所在的区域,在馈线重新配置即网络 拓扑发生变化的时候,该方案可能变得非常复杂。 2.4.2 电力线载波通讯方法 电力线载波通讯方案使用电力线作为信号的传送工具,图 2-10 是工作原理图。 它需要在变电站安装信号发送器,发送器连续不断地向所有分布式电源发送信号。 每个分布式电源都装配有信号监测器,如果监测器没有接收到信号(由变电站与发 电装置间断路器的跳开导致),就判断为孤岛运行状态,分布式电源立即停止运行[16]。 130KV 变电站  信号发送器  辅助输入 A 信号 监测B 信号 监测 DG1 D 信号 监测 DG2 图 2-10 电力线载波通讯法的原理图 当电网中分布式电源连接的数量很多时,电力线载波通讯方法特别有效,仅仅 需要一个信号发生器,连续的信号发送也使得方法很可靠。因为不必考虑拓扑结构 的改变,所以该方案很容易执行,并且发送的信号不会干扰系统的正常运行,对输 出电能质量和系统的暂态响应没有不利影响。 然而本方法也存在两个主要缺点,首先是成本高,信号发生器是一个中压装置, 连接时需要降压变压器,并且必须安装在电网(或变电站)中,如果仅有少量的分 布式电源使用该装置,代价很难评估;其次是载波信号可能与其它电力线路通讯如 自动读表装置产生干扰。 2.5 小结 从上面的分析我们可以看出,现有的各种用于孤岛检测的方法都有优缺点,因 此我们就需要研究一种新的孤岛检测方法,使其更能满足我们快速以及可靠检测的 要求。 3 孤岛前后电气量的变化情况分析 在含有分布式电源的电网中,负荷所消耗的功率由分布式电源和主电网共同提 供。当分布式电源自己能够满足与之相连的负荷的功率消耗时将向电网供电;当分 布式电源没有能力维持与之相连的负荷的功率消耗时,则需要借助电网的支持。所 以分布式电源与主电网之间存在复杂的电气量关系,在研究孤岛现象时必须对系统 中孤岛前后的电压、频率以及相位等电气量的变化情况进行分析。 3.1 孤岛前后电压幅值的变化情况分析 图 3-1 为一分布式电源与主电网并联运行的等值电路图。系统正常时,负荷由 主电网和分布式电源共同维持。 jX d ?V?  II P12??

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