（电力系统及其自动化专业论文）分布式同步发电机的孤岛检测原理与实现.pdf

i s l a n d i n gd e t e c t i o np i u n c i p l ea n di m p l e m 匮n t a t i o n f o rd i s t r i b u t e ds y n c h r o n o u sg e n e r a 口o r s ad i m a h o u m e i y i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名： 垒豸芏垄缝e i 期：2 1 ! ：丝：圹 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：缝豳师签名：超日 山东大学博士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 2 分布式发电技术及并网方式2 1 2 1 分布式发电的电源类型2 1 2 2 分布式电源的并网方式7 1 3 分布式发电的孤岛问题7 1 3 1 孤岛的概念一7 1 3 2 孤岛的应对策略9 1 3 3 孤岛的检测1 0 1 4 论文的主要研究内容l l 第二章同步发电机的孤岛检测方法一1 3 2 1 孤岛检测方法的分类一1 3 2 2 被动检测法1 3 2 2 1 频率检测法和电压检测法1 4 2 2 2 频率变化率法( r o c o f , r a t eo f c h a n g eo f f r e q u e n c y ) 1 5 2 2 3 相位偏移法( v s ，v e c t o rs h i f t ) 1 6 2 2 4 其他被动检测法1 8 2 3 主动检测法1 9 2 3 1 阻抗检测法1 9 2 3 2 无功输出检测法2 0 2 3 3 其他主动检测法2 1 2 4 基于通信技术的检测法2 l 2 4 1 远程跳闸法2 2 2 4 2 利用输电线发送信号法2 4 l 山东大学博士学位论文 2 5 同步发电机孤岛检测方法的评价一2 5 2 6 本章小结2 6 第三章相位偏移法的仿真分析一2 7 3 1 仿真系统的构成2 7 3 2 孤岛状态下的d g 端电压相位偏移一2 9 3 2 1 孤岛瞬间d g 有功不足时的相位偏移2 9 3 2 2 孤岛瞬间d g 有功过剩时的相位偏移3 1 3 3 负载波动对相位偏移检测方法的影响3 2 3 4 检测时间与不平衡功率关系曲线3 4 3 4 1 检测时间与不平衡功率关系曲线的理论基础3 4 3 4 2 数字仿真与理论计算的对比3 6 3 5 影响相位偏移法检测特性的因素3 7 3 5 1 门槛值3 7 3 5 2 惯性常数3 8 3 5 3 功率不平衡程度3 9 3 6 负载类型对相位偏移法检测特性的影响4 1 3 6 1 负载的类型4 l 3 6 2 修j 下的检测时间与不平衡功率关系曲线4 2 3 6 3 数字仿真与修正后检测时间与不平衡功率关系曲线的对比4 3 3 6 4 不同类型负荷对相位偏移法的影响4 5 3 7 本章小结4 7 第四章相位偏移的算法研究4 8 4 1 传统的相位偏移算法4 8 4 2 基于离散傅氏变换的快速相位偏移算法5 0 4 3 相位偏移的积分算法51 4 3 1 积分算法5 1 4 3 2 积分算法与一周相位偏移算法的比较5 3 4 4 基于p m u 的相位偏移算法5 6 4 5 本章小结5 8 山东大学博士学位论文 第五章基于相位偏移和频率变化的复合型孤岛检测方法5 9 5 1 基于相位偏移和频率变化的孤岛检测新方法5 9 5 1 1 检测原理5 9 5 1 2 新判据在实际应用中的的误差分析6 l 5 1 3 新检测方法的实现框图6 2 5 2 复合型检测判据的仿真分析6 2 5 2 1 主判据临界动作点的仿真分析6 2 5 2 2 辅助判据临界动作点的仿真分析6 3 5 2 3 可靠性分析一6 4 5 3 动模试验分析6 5 5 3 1 动态模拟系统6 5 5 3 2 孤岛状态下d g 端电压的相位偏移及频率变化6 5 5 3 3 有功功率不平衡程度对相位偏移法的影响6 6 5 3 4 可靠性分析6 7 5 4 本章小结6 8 第六章孤岛检测装置的研制及测试一7 0 6 1 孤岛检测装置的硬件设计7 0 6 1 1 装置的总体结构7 0 6 1 2 各插件功能简述7 l 6 2 孤岛检测装置的软件设计7 3 6 2 1 孤岛检测模块的设计7 3 6 2 2 定值设置模块的设计7 6 6 3 动模测试7 6 6 3 1 动模测试系统及参数选择7 7 6 3 2 孤岛运行测试7 8 6 3 - 3 系统扰动测试8 2 6 4 本章小结8 2 第七章结论与展望8 4 参考文献8 7 1 1 1 山东大学博士学位论文 曼曼皇蔓量皇曼曼曼鼍曼皇曼曼舅曼鼍曼曼舅曼鼍曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼皇曼 jm 曼皇! 曼曼 致谢9 7 攻读博士学位期间发表的学术论文9 8 攻读博士学位期间参加的科研工作9 9 山东大学博士学位论文 t a b l eo fc o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c t i i i c h a p t e rl p r e f a c e l 1 1b a c k g r o u n d 1 1 2t y p e sa n dc o n n e c t i n g t o - g r i dm o d e so fd i s d r i b u t e dg e n e r a t o r s 一2 1 2 11 卯e so fd i s d r i b u t e dg e n e r a t o r s 2 1 2 2c o n n e c t i n g - t o - g r i dm o d e so fd i s d r i b u t e dg e n e r a t o r s 7 1 3i s l a n d i n go fd i s d r i b u t e dg e n e r a t i o n 7 1 ：；1i s s u e so f i s l a n d i n g 7 1 3 2m a n a g e m e n ts t r a t e g i e so f i s l a n d i n g 9 1 3 3i s l a n d i n gd e t e c t i o nt e c h n i q u e s 1 0 1 4m a i nc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o n 1l ，c h a p t e r2i s l a n d i n gd e t e c t l o nm e t h o d so fs y n c h r o n o u s - 2 1c l a s s i f i c a t i o no f i s l a n d i n gd e t e c t i o ns c h e m e 13 2 2p a s s i v ed e t e c t i o ns c h e m e s 13 2 2 1u n d e r - a n do v e r - f r e q u e n c ya n dv o l t a g em e t h o d s 1 4 2 2 2r a t eo fc h a n g eo ff r e q u e n c ym e t h o d 15 2 2 3v e c t o rs h i rm e t h o d l6 - 2 2 4o t h e rp a s s i v es c h e m e s 18 2 ：；a c t i v ed e t e c t i o ns c h e m e s 19 2 3 1m e t h o do fi m p e n d a n e em e a s u r e m e n t 19 2 3 2t h ec h a n g eo fr e a c t i v ep o w e rm e t h o d 2 0 2 ：；3o t h e ra c t i v es c h e m e s 21 2 4c o m m u n i c a t i o nb a s e di s l a n d i n gd e t e c t i o ns c h e m e s 一2 1 2 4 1t r a n s f e rt r i ps c h e m e 2 2 山东大学博士学位论文 2 4 2p o w e rl i n es i g n a l l i n gs c h e m e 2 4 2 5e s t i m a t eo fi s l a n d i n gd e t e c t i o ns c h e m e s 2 5 2 6s u m m a r y2 6 c h a p t e r3t h ep e r f o r m a n c eo fv e c t o rs h i l i - i m e t h o d 2 7 3 1c o n s t i t u t i o no fs i m u l a t i o ns y s t e m 2 7 3 2v o l t a g ev e c t o rs h i f to fd gi ni s l a n d i n g 2 9 3 2 1v e c t o rs h i f ti nt h ec a s eo fa c t i v ep o w e rd e f i c i ti nt h ei s l a n d i n gs y s t e m2 9 3 2 2v e c t o rs h i f ti nt h ec a s eo f a c t i v ep o w e re x c e s si nt h ei s l a n d i n gs y s t e m31 3 3i m p a c t 。fl 。a df l u c t u a t i 。n 。nv e c t 。rs h i f tm e t h 。d 3 2 3 4t r i p p i n g - t i m ev e r s u sp o w e r - i m b a l a n c ec u r v e s o n 3 4 3 4 1p r i n c i p l e so f t r i p p i n g - t i m ev e r s u sp o w e r - i m b a l a n c ec u r v e s o n 3 4 3 4 2c o n t r a s tb e t w e e nd i g i t a ls i m u l a t i o na n dt h e o r yc a l c u l a t i o n 3 6 3 5f a c t o ro fi n f l u e n c i n gv e c t o rs h i f tm e t h o d 3 7 3 5 1t l l r e s h o l d 3 7 3 5 2g e n e r a t o ri n e r t i ac o n s t a n t 3 8 3 5 3p o w e ri m b a l a n c e 3 9 3 6i m p a c to f t h et y p eo f l o a do n v e c t o rs h i f tm e t h o d 4 1 3 6 1t h et y p eo fl o a d 4 1 3 6 2m o d i f i e dt r i p p i n g t i m ev e r s u sp o w e r - i m b a l a n c ec u r v e s o n 4 2 3 6 3c o n t r a s tb e t w e e nd i g i t a ls i m u l a t i o na n dm o d i f i e dc u r v e s o n 4 3 3 6 4i m p a c to fd i f f e r e n tt y p eo fl o a do nv e c t o rs h i f tm e t h o d 4 5 3 7s u m m a r y 4 7 c h a p t e r4r e s e a r c ho f p h a s es h i f ta l g o r i t h m s 4 8 - l j 4 1t r a d i t i o n a lp h a s es h i f ta l g o r i t h m 4 8 4 2f a s tm e t h o db a s e do nd i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m 5 0 4 3i n t e g r a t i o na l g o r i t h mo fp h a s es h i f t 51 4 3 1i n t e g r a t i o na l g o r i t h m 5 1 4 3 2c o n t r a s tb e t w e e ni n t e g r a t i o na l g o r i t h ma n dt r a d i t i o n a lp h a s es h i f t a l g o r i t h m 5 3 山东大学博士学位论文 4 4p h a s es h i f ta l g o r i t h mb a s e do np m u 5 6 4 5s u m m a r y 5 8 c h a p t e r5c o m p o s i t em e t h o df o rl s l a n d i n gd e t e c t i o n b a s e do nv e c t o rs h i f i a n df r e q u e n c y v a r i a t i o n 一5 9 5 1n e wm e t h o df o ri s l a n d i n gd e t e c t i o nb a s e do nv e c t o rs h i f ta n df r e q u e n c y v a r i a t i o n 5 9 5 1 1t h e p r i n c i p l e 5 9 5 1 2e r r o r a n a l y s i s 6 1 5 1 3f u n c t i o n a ld i a g r a mo fn e wd e t e c t i o nm e t h o d 6 2 5 2d i g i t a ls i m u l a t i o no fn e wm e t h o df o ri s l a n d i n gd e t e c t i o nb a s e do nv e c t o r s h i f ta n df r e q u e n c yv a r i a t i o n 6 2 5 2 1d i g i t a ls i m u l a t i o no f c r i t i c a ld e t e c t i o np o i n tf o rm a i nc r i t e r i o n 6 2 5 2 2d i g i t a ls i m u l a t i o no fc r i t i c a ld e t e c t i o np o i n tf o ra u x i l i a r yc r i t e r i o n 6 3 5 2 3r e l i a b i l i t ya n a l y s i s 6 4 5 3d y n a m i cp h y s i c a lm o d e ls i m u l a t i o nt e s t 6 5 5 3 1d y n a m i cs i m u l a t i o nn e t w o r k 6 5 5 3 2v o l t a g ev e c t o rs h i f ta n df r e q u e n c yv a r i a t i o no fd gi ni s l a n d i n g 6 5 5 3 3i m p a c to fp o w e ri m b a l a n c eo nv e c t o rs h i f t 6 6 5 3 4r e l i a b i l i t yt e s t 6 7 5 4s u m m a r y 6 8 c h a p t e r6d e v e l o p m e n ta n dt e s to fi s l a n d i n gd e t e c t i n d e v l c e 7 0 - 6 1h a r d w a r ed e s i g no fi s l a n d i n gd e t e c t i o nd e v i c e ”7 0 6 1 1o v e r a l ls t r u c t u r ed i a g r a m 7 0 6 1 2f u n c t i o no f d i f f e r e n tu n i t 7 1 6 2s o f t w a r ed e s i g no fi s l a n d i n gd e t e c t i o nd e v i c e 7 3 6 2 1d e v i c eo fl s l a n d i n gd e t e c t i o nu n i t 7 3 6 2 2d e v i c eo fs e t t i n gv a l u eu n i t 7 6 6 3d y n a m i cs i m u l a t i o nt e s t 7 6 i l i 山东大学博士学位论文 6 3 it e s ts y s t e ma n dp a r a m e t e rs e l e c t i n g 7 7 6 3 2t e s to f i s l a n d i n g 7 8 6 3 3t e s to fl o a df l u c t u a t i o n 8 2 6 4s u m m a r y 8 2 c h a p t e r7c o n c l u s i o n 。8 4 r e f e r e n c e s 8 7 a c k n o w l e d g m e n t 9 7 p u b l l c a t i o n s 9 8 p r o j e c t si n v o l v e d 9 9 山东大学博士学位论文 摘要 随着可再生能源为核心的新能源发电技术的广泛应用，分布式发电技术成 为电力系统一个新的研究热点。分布式电源一般从低压端接入系统，对配电网 运行和控制的诸多方面产生影响，孤岛问题就是其中之一。分布式电源非计划 的孤岛运行会给系统、电力用户以及分布式电源本身带来不利影响，因此，孤 岛发生后，必须迅速检测出孤岛状态，并采取相应的应对措施。 孤岛检测是研究孤岛问题的基础，由于分布式电源的类型及并网方式的多 样性，孤岛检测方法也呈现出多样性特点。本文围绕直接并网同步发电机的孤 岛检测问题进行理论研究和装置开发，所做主要工作如下： 在广泛查阅国内外文献的基础上，对直接并网同步发电机各类孤岛检测方 法的特性进行详细分析，总结出各自的优势、存在的问题以及适用性。由于被 动检测法对系统及发电机本身不会造成影响，并且易于实现，因而是直接并网 同步发电机孤岛检测行之有效的方法，但需要解决灵敏性和可靠性问题。 利用p s c a d e m t d c 构成的仿真系统，对基于相位偏移的被动检测法进行 全面的仿真研究。详细分析了影响相位偏移检测法灵敏度和可靠性的因素。将 数字仿真的结果用指数函数进行拟合后得到的曲线，同“检测时间与不平衡功 率关系曲线”进行对比，证明两者基本一致。在此基础上，利用“检测时间与 不平衡功率关系曲线”，对影响相位偏移特性的因素做出了全面、直观的分析和 评价。 在对传统相位偏移算法深入研究的基础上，提出两种相位偏移新算法，即 基于离散傅氏变换的快速相位偏移算法和相位偏移积分算法。对两种算法进行 了详细分析和全面仿真并与传统的一周过零算法相比较，结果表明：前者检测 速度更快，后者灵敏性更高。 针对传统相位偏移孤岛检测法存在的灵敏性和可靠性问题，提出一种基于 相位偏移和频率变化的复合型孤岛检测新方法。新方法针对孤岛后功率不平衡 程度较小时的孤岛检测，将频率变化作为辅助判据，与相位偏移相结合组成复 山东大学博士学位论文 合判据，其实质是降低门槛值而又不产生误动，从而提高孤岛检测装置的灵敏 度。对新的检测方法进行了仿真分析和动模试验验证，结果表明：新方法与传 统的相位偏移法相比较，在不降低可靠性的前提下，能明显缩小孤岛检测的死 区。 在理论研究的基础上，针对孤岛检测的要求，以微机保护硬件平台为基础， 采用新的孤岛检测方法，研制出适用于直接并网同步发电机的孤岛检测装置。静 模和动模测试表明，装置的各项技术指标满足设计要求。新装置所允许的功率不 平衡度可达5 左右，检测死区显著减小；同时大大降低了由负载波动造成的装置 误动几率，达到了预期目标。 关键词：分布式发电同步发电机孤岛检测相位偏移频率变化被动法主 动法离散傅立叶变换 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fr e n e w a b l ee n e r g yg e n e r a t i o n ，d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o nb e c o m ean e wf o c u si np o w e rs y s t e mr e s e a r c h d i s t r i b u t e dr e s o u r c e s a r eu s u a l l yc o n n e c t e di n t ot h ep u b l i cg r i df r o ml o wv o l t a g es y s t e m ，s od i s t r i b u t e d g e n e r a t i o nb r o u g h tm a n yi m p a c t so no p e r a t i o na n dc o n t r o lo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ， a n di s l a n d i n gi so n eo ft h e m b e c a u s eu n i n t e n t i o n a li s l a n d i n gw o u l da d v e r s e l ya f f e c t u t i l i t y , u s e r sa n dd i s t r i b u t e dg e n e r a t o ri t s e l f , i s l a n d i n gm u s tb ed e t e c t e da ss o o na s p o s s i b l e ，a n da p p r o p r i a t er e s p o n s em e a s u r e ss h o u l db et a k e n i s l a n d i n gd e t e c t i o ni sk e yi s s u eo ni s l a n dr e l a t e dr e s e a r c h a st h ed i v e r s i t yo f t h et y p e so fd i s t r i b u t e dg e n e r a t o r s ，i s l a n d i n gd e t e c t i o nm e t h o da l s oa p p e a r st o d i v e r s i t y t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e o r ys t u d ya n dd e v i c ed e v e l o p i n gf o ri s l a n d i n g d e t e c t i o no fd i s t r i b u t e ds y n c h r o n o u sg e n e r a t o r s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： b a s i n go nw i d e l ys u r v e yo fl i t e r a t u r e s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe x i s t i n gi s l a n d i n g d e t e c t i o n m e t h o d st od i s t r i b u t e ds y n c h r o n o u sg e n e r a t o r sa r ea n a l y z e di nd e t a i l t h e a d v a n t a g e s ，s h o r t i n g c o m i n g sa n da p p l i c a b i l i t ya r es u m m a r i z e d a sp a s s i v ed e t e c t i o n m e t h o dh a sn oi n f l u e n c eo nt h ec o n n e c t e dd i s t r i b u t i o nn e t w o r k sa n di s e a s yt o i m p l e m e n t ，i tb e c o m e s e f f e c t i v ew a yo ni s l a n d i n gd e t e c t i o n h o w e v e r , t h es e n s i t i v i t y a n dr e l i a b i l i t yi s s u e sn e e dt ob ea d d r e s s e d t h ep a s s i v ed e t e c t i o nm e t h o db a s e do nv e c t o rs h i f ti ss i m u l a t e d c o m p r e h e n s i v e l yu s i n gp s c a d e m t d c f a c t o r sa f f e c t i n gs e n s i t i v i t ya n d r e l i a b i l i t ya r ea n a l y z e di nd e t a i l c o m p a r i n gt h ec u r v ew h i c hi s f i t t e dw i t h e x p o n e n t i a lf u n c t i o nb a s e do nd i g i t a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ec u r v ew h i c hr e f l e c t s r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e t e c t i o nt i m ea n du n b a l a n c e dp o w e lt h e ya r ew e l lm a t c h e d u s i n gt h es e c o n dc u r v e ，t h ef a c t o r sa f f e c t i n gp h a s es h i f t a r ec o m p r e h e n s i v e l y a n a l y z e da n de v a l u a t e d b a s i n go nt h es t u d yt ot r a d i t i o n a lp h a s es h i f ta l g o r i t h m s ，t w on e wa l g o r i t h m s c a l c u l a t i n gp h a s es h i f ta r ep r o p o s e da n da n a l y z e d t h ef i r s to n ei sc a l l e df a s tm e t h o d 1 1 1 山东大学博士学位论文 b a s e do nd i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，a n dt h es e c o n do n ei sc a l l e di n t e g r a t i o n m e t h o d c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lz e r o - c r o s sa l g o r i t h m ，t h ef i r s tm e t h o di sa b l e t or e d u c ed e t e c t i n gt i m e ，a n dt h es e c o n do n eh a sah i g h e rs e n s i t i v i t y t oi m p r o v eb o t hs e n s i t i v i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft r a d i t i o n a li s l a n d i n gd e t e c t i n g m e t h o db a s e do np h a s es h i f t ，an e w m e t h o d ，c o m b i n i n gp h a s es h i f tw i t h 丘e q u e n c y v a r i a t i o n ，i sd e v e l o p e d t h ef r e q u e n c yv a r i a t i o ni sm e a s u r e da n dc o m b i n e dw i t h p h a s es h i f t t of o r mac o m p l e xc r i t e r i o n f o ri s l a n d i n gd e t e c t i o nw h e np o w e r i m b a l a n c ei ss m a l l b o t hd i g i t a ls i m u l a t i o na n dd y n a m i ct e s th a v eb e e nc a r d e do u tt o e v a l u a t et h en e wd e t e c t i o nm e t h o d t h es i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h en e w m e t h o dc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h en o n d e t e c t i o nz o n et r a d i t i o n a lm e t h o dw h i l e k e e p i n gs a m er e l i a b i l i t y o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a ls t u d y ，an e wi s l a n d i n gd e t e c t i o nd e v i c ei sd e v e l o p e d u s i n gs i m i l a rh a r d w a r ep l a t f o r ma