电网连接的电力系统的岛化检测方法

摘要

一种用于检测电网(20)从馈电线(22)断开的相移程序(62)，该馈电线与负载(24)和分布式发电机(26)相连。该相移程序比较(76)分布式发电机的输出电压的当前相移和预定阈值，并且如果是大于，则发送(78)命令以将分布式发电机从馈电线断开。为扩展检测范围，当分布式发电机(26)和负载(24)之间的功率失配超出阈值时使用该相移程序，以及当任何功率失配均未超出阈值时使用欠/过频程序和欠/过压程序中的任一个或两者。

说明书

相关申请的交叉引用

依据美国能源部授予的NAD-1-30605-01号合同，美国政府可以拥有本发明的特定权利。

技术领域

本公开涉及检测电网断开的方法和装置。更具体而言，本公开涉及其岛化(islanding)和预防。

背景技术

电网连接分布式发电机(DG)的岛化是在包含有该DG的电网的一部分与主设备断开时发生的，但该DG仍继续向被隔离部分中的网线(称为岛)供电。

例如，考虑一个经变压器连接到馈电线的DG系统。负载(不是DG业主所拥有的)经另一变压器也与同一馈电线相连。假如电网断开设备(断路器，自动开关，保险丝或分段隔离开关)启动，则该DG可能继续向该电网中的被隔离部分供给电流。这就是岛化，由该DG系统供电的该电网的隔离部分被称为岛。

因此，对于预防岛化的方法和控制器有着始终不断的需求。

发明内容

在本发明的方法实施方案中，预防电力系统中的岛化，该电力系统包括具有在电路中和分布式发电机及至少一个负载相连接的馈电线的电网。该方法确定该分布式发电机的输出端的电压的相移。将该相移与表示由于电网从馈电线断开而产生的相移的阈值相移加以比较。假如该相移大于阈值相移，则发出命令将分布式发电机从馈电线断开。

在本发明的另一种方法实施方案中，预防电力系统中的岛化，该电力系统包括具有在电路中和分布式发电机及至少一个负载相连接的馈电线的电网。当该分布式发电机和该负载之间的功率失配超出阈值时该方法通过相移程序确定电网从馈电线的断开。当任何功率失配均未超出阈值时，该方法通过欠/过频(under/over frequency)程序和欠/过压(under/over voltage)程序中的任一个或二者进一步确定该断开。

在本发明的一种控制器实施方案中，预防电力系统中的岛化，该电力系统包括具有在电路中和分布式发电机及至少一个负载相连接的馈电线的电网。该控制器包括处理器，存储器和输入/输出单元。该存储器包括电网断开程序，该程序可使处理器确定分布式发电机的输出端的电压的相移。该程序还可使处理器将该相移同表示由于电网从馈电线断开而产生的相移的阈值相移加以比较。假如该相移大于阈值相移，则该处理器发出命令将分布式发电机从该馈电线断开。

附图说明

图1为一种电网断开检测装置的实施方案的方框图。

图2为图1装置的数据发生器的输出电压的波形图。

图3为图1装置的控制器的方框图。

图4和图5是图3控制器的电网断开检测程序的流程图。

具体实施方式

参照图1，电网20与馈电线22相连，该馈电线在电路中和负载24及DG 26相连。电网20和公共设施(未示出)相连接。在馈电线22中置放有断开设备28，其目的在于，当电网20中出现异常扰动时将电网20从馈电线22断开。在馈电线22中置放了另一个断开设备30，其目的是将DG 26从馈电线26断开。本领域的技术人员将清楚一个以上的负载可以连接到馈电线22，并且DG 26和负载24可以经变压器(未示出)连接到馈电线22。

断开设备28和30可以是任何合适的断开设备，如断路器，自动开关，保险丝，分段隔离开关等。DG 28可以是任何分布式发电机或一组分布式发电机，如光电系统，燃料电池，微型涡轮机，小型发动机等。

假如断开设备28开启，DG 26可能继续向馈电线22供给电流，其将由于开启的断开设备28而与电网20隔离。这就是岛化，并且电网的被隔离部分(馈电线22和与之连接的电路)被称为岛。

电压测量设备36监测DG 26输出端的电压。电压测量设备36将监测到的电压采样提供给控制器40。然后控制器40对电压采样进行处理以检测当电网20因断开设备28的动作而断开时发生的相位跃变。

在正常条件下，DG 26的输出电压由电网20调节。当电网20由于断开设备28的打开而被断开时，DG 26变成被岛化的。假如在DG 26和负载24之间存在着功率失配，则由于欧姆定律电压矢量将移动其相位以达到平衡无功功率的目的。这种相移通常在电网20断开后即刻出现。

在本发明的第一种实施方案中，相位跃变检测试图依据电压测量在第一个或少数几个周期内捕俘电压矢量的相位改变，然后向断开设备30发送跳闸信号，该断开设备开启。该动作使DG 26从馈电线22断开，因而预防了岛化。

功率失配和相位跃变θ之间的关系可以推导如下：

此处ΔP和ΔQ为功率失配，θ_阈值为相位跃变设定阈值。

假如相移θ大于阈值相移θ_阈值，则该相位跃变(即电网20断开)被检测到。假如相移θ等于或小于阈值相移θ_阈值，则认为任何相移都是由于正常扰动所致。

阈值相移θ_阈值是根据在使用该设备的系统中的最大可能扰动而选定的。阈值应当大于(在一定容限下)由扰动所引起的相移以避免在正常的电网连接操作期间的错误跳闸。

方程式(1)揭示出，在电网断开时如果功率失配ΔP和ΔQ满足条件(θ≤θ_阈值)，则不能检测到岛化，因为实际的相位跃变小于该阈值。

从方程式(1)还可以看出，该相位跃变方法的有效性并不受负载24的品质因数Qf的影响。对于较高品质因数负载而言，欠/过频保护变得不太有效。

在本发明的第二种实施方案中，将该相移检测方法同欠/过频及欠/过压保护相结合。这种结合减小了欠/过频保护的非检测区(在ΔP和ΔQ空间中所限定的，ΔP和ΔQ在用于检测过程的区域内足够小以进行响应)。另外可以看到，该相位跃变方法对于高有功功率失配并非十分有效，但欠/过压保护对于高有功功率失配是灵敏的。因此，将相位跃变，欠/过频和欠/过压组合将导致减小的抗岛化非检测区。在这种实施方案中，假如DG 26和负载24之间的功率失配超出阈值则使用相移程序确定电网断开，并且如果任何功率失配均未超出阈值则使用欠/过频程序和欠/过压程序中的任一个或两者。该实施方案可采用任何常规的欠/过频程序和欠/过压程序。

电压测量设备36连续监测DG 26的输出端的电压并将其采样发送给控制器40。依据该测量电压，基于零交叉，锁相环，DQ(直接二次)锁相环或其他频率跟踪程序可计算出频率。

参照图2，用电网20断开后的电压特征波形42描述了零交叉技术的实例。在电网20断开之前，可根据两个连续的波形零交叉的时间周期，定义为T_n-1，测量其频率。在电网20断开之后，由于DG 26和负载功率失配将出现相移。接着两个连续的零交叉的下一个时间周期，定义为T_n，将与T_n-1不同。此处T_n和T_n-1是两个连续频率测量的倒数：f_n＝(1/T_n)和f_n-1＝(1/T_n-1)。根据先前测量的频率f_n-1，可以计算出没有电网断开情况下的下一零交叉时间。计算的零交叉和实际测量的零交叉之间的角度是由于电网断开产生的相移θ_n，并根据下式得出：