一种直流配电网分布式电源的防孤岛方法及设备与流程

本发明涉及直流配电网技术领域，特别涉及一种直流配电网分布式电源的防孤岛方法及设备。

背景技术：

随着传统化石能源日渐枯竭，全球气候变化和环境污染问题日益严重，为了满足人类社会日益增长的能源需求，减轻环境负担，亟待开发清洁、低碳、可持续的绿色能源。因此，分布式电源中的分布式光伏发电是太阳能利用的有效形式，转化效率高，有利于资源充分利用，并提高能源供应可靠性。

直流配电网是未来配电网发展新方向之一，近年来受到学术界的广泛关注，并有示范工程投入应用。直流配电网的优势之一是灵活开放，取消了光伏发电等直流电源接入的逆变环节，大幅降低分布式发电入网成本，能够适应分布式电源大量接入。

但与交流接入类似，分布式光伏发电接入直流配电网存在防孤岛效应的技术问题。具体可以参见图1所示的分布式电源接入直流配电网示意图。

图1所示的是两端配电的直流配电网，两端的供电系统分别是交流系统1和交流系统2，交流系统1经过第一AC/DC接口换流器100a连接直流配电网，交流系统2经过第二AC/DC接口换流器100b连接直流配电网，分布式电源300经过并网DC/DC换流器200和断路器400接入直流配电网；还包括与直流配电网连接的本地负荷500、其他负荷600和其他电源700。

要防止分布式电源300在电网停运时，不能按照计划安排退出运行，而是向本地负荷500继续供电，在停运电网中形成非计划性的供电孤岛。特别是当分布式电源500发出功率与本地负荷500基本相等时，会形成相对稳定供电的孤岛，造成检测盲区。

孤岛效应带来的危害包括：孤岛内供电稳定性和电能质量无法保证，孤岛带电影响低压重合闸，检修时孤岛带电威胁人身、设备安全，供电权责易发纠纷等。直流配电网防孤岛与交流电网防孤岛不同，无法实现频率异常检测，也无法实施主动频移避免盲区，使其防孤岛更加困难。

因此，本领域技术人员需要提供一种直流配电网分布式电源的防孤岛方法及设备，能够及时准确地检测出分布式电源是否发生孤岛现象，当发生孤岛现象时，及时控制分布式电源停止运行。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种直流配电网分布式电源的防孤岛方法及设备，能够及时准确地检测出分布式电源是否发生孤岛现象，当发生孤岛现象时，及时控制分布式电源停止运行。

本发明实施例提供一种直流配电网分布式电源的防孤岛方法，应用于直流配电网中，所述分布式电源连接DC/DC换流器的输入端，所述DC/DC换流器的输出端通过并网直流断路器连接所述直流配电网；交流系统连接AC/DC接口换流器的输入端，所述AC/DC接口换流器的输出端连接所述直流配电网；该方法包括：

向所述AC/DC接口换流器的输出端注入交流电压分量，所述交流电压分量的频率小于工频频率；

采样所述DC/DC换流器输出端的第一电压信号；

提取所述第一电压信号中的交流信号的第一有效值；

将所述第一有效值与第一预设电压值进行比较；

判断所述第一有效值小于所述第一预设电压值时，则所述分布式电源发生孤岛现象，控制所述分布式电源停止运行。

优选地，所述直流配电网为单端配电网或两端配电网。

优选地，当所述直流配电网为两端配电网时，包括两个所述AC/DC接口换流器，分别为第一AC/DC接口换流器和第二AC/DC接口换流器；第一交流系统通过所述第一AC/DC接口换流器连接直流配电网，第二交流系统通过所述第二AC/DC接口换流器连接直流配电网；向所述AC/DC接口换流器的输出端注入交流电压分量，具体包括：

判断两个所述AC/DC接口换流器均正常工作，则向其中任意一个AC/DC接口换流器的输出端注入交流电压分量；

判断两个所述AC/DC接口换流器中的一个出现故障，则向正常工作的一个所述AC/DC接口换流器的输出端注入交流电压分量。

优选地，判断所述AC/DC接口换流器出现故障，具体包括：

采样所述AC/DC接口换流器的输出端的第二电压信号；

提取所述第二电压信号中的交流信号的第二有效值；

将所述第二有效值与第二预设电压值进行比较；

判断所述第二有效值小于所述第二预设电压值时，则确定该AC/DC接口换流器出现故障。

优选地，所述交流电压分量的表达式如下：

$u_{\mathrm{ac}}^{*}=k{U}_{\mathrm{dc}}\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{ac}}t\right);$

其中，U_dc是所述直流配电网的额定直流电压；k是注入的所述交流电压分量所占的百分比；f_ac是所述交流电压分量的频率；k的取值范围是2～5％；

f_ac是所述工频频率的10％-60％。

优选地，所述第一预设电压值和第二预设电压值相同，均为U_set；

所述U_set的取值范围为kU_dc的5～20％。

本发明提供一种直流配电网分布式电源的防孤岛设备，应用于直流配电网中，所述分布式电源连接DC/DC换流器的输入端，所述DC/DC换流器的输出端通过并网直流断路器连接所述直流配电网；交流系统连接AC/DC接口换流器的输入端，所述AC/DC接口换流器的输出端连接所述直流配电网；该设备包括：

交流电压分压注入单元，用于向所述AC/DC接口换流器的输出端注入交流电压分量，所述交流电压分量的频率小于工频频率；

第一电压信号采样单元，用于采样所述DC/DC换流器输出端的第一电压信号；

第一有效值提取单元，用于提取所述第一电压信号中的交流信号的第一有效值；

第一比较单元，将所述第一有效值与第一预设电压值进行比较；

控制单元，用于判断所述第一有效值小于所述第一预设电压值时，则所述分布式电源发生孤岛现象，控制所述分布式电源停止运行。

优选地，所述直流配电网为单端配电网或两端配电网；

当所述直流配电网为两端配电网时，包括两个所述AC/DC接口换流器， 分别为第一AC/DC接口换流器和第二AC/DC接口换流器；第一交流系统通过所述第一AC/DC接口换流器连接直流配电网，第二交流系统通过所述第二AC/DC接口换流器连接直流配电网；还包括：故障判断单元；

所述故障判断单元，用于判断两个所述AC/DC接口换流器均正常工作时，所述交流电压分量注入单元向其中任意一个AC/DC接口换流器的输出端注入交流电压分量；

所述故障判断单元，用于判断两个所述AC/DC接口换流器中的一个出现故障时，则述交流电压分量注入单元向正常工作的一个所述AC/DC接口换流器的输出端注入交流电压分量。

优选地，所述故障判断单元包括：

第二电压信号采样子单元，用于采样所述AC/DC接口换流器的输出端的第二电压信号；

第二有效值提取子单元，用于提取所述第二电压信号中的交流信号的第二有效值；

比较子单元，用于将所述第二有效值与第二预设电压值进行比较；

判断子单元，用于判断所述第二有效值小于所述第二预设电压值时，则确定该AC/DC接口换流器出现故障。

优选地，

所述交流电压分量的表达式如下：

$u_{\mathrm{ac}}^{*}=k{U}_{\mathrm{dc}}\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{ac}}t\right);$

其中，U_dc是所述直流配电网的额定直流电压；k是注入的所述交流电压分量所占的百分比；f_ac是所述交流电压分量的频率；k的取值范围是2～5％；

f_ac是所述工频频率的10％-60％；

所述第一预设电压值和第二预设电压值相同，均为U_set；

所述U_set的取值范围为kU_dc的5～20％。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本实施例提供的防孤岛方法，通过在AC/DC接口换流器的输出端注入交流电压分量，检测DC/DC换流器输出端是否存在该交流电压分量，从而判断分布式电源是否要停止运行。如果DC/DC换流器输出端不存在该交流电压分 量，则要控制分布式电源停止运行，这样就可以避免分布式电源与本地负荷形成孤岛供电现象。本实施例提供的方法实施简单，并且能够及时准确判断出是否存在孤岛现象。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中的分布式电源接入直流配电网示意图；

图2是本发明提供的直流配电网分布式电源的防孤岛方法实施例一流程图；

图3是本发明提供的直流配电网分布式电源的防孤岛方法实施例二流程图；

图4是本发明提供的分布式光伏发电并网DC/DC换流器输出端正极电压U_dc的波形图；

图5是本发明提供的直流配电网分布式电源的防孤岛设备实施例一示意图；

图6是本发明提供的直流配电网分布式电源的防孤岛设备实施例二示意图；

图7是本发明提供的故障判断单元的结构示意图。

具体实施方式

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

方法实施例一：

参见图2，该图为本发明提供的直流配电网分布式电源的防孤岛方法实施 例一流程图。

本实施例提供的直流配电网分布式电源的防孤岛方法，应用于直流配电网中，所述分布式电源连接DC/DC换流器的输入端，所述DC/DC换流器的输出端通过并网直流断路器连接所述直流配电网；交流系统连接AC/DC接口换流器的输入端，所述AC/DC接口换流器的输出端连接所述直流配电网；该方法包括：

S201：向所述AC/DC接口换流器的输出端注入交流电压分量，所述交流电压分量的频率小于工频频率；

例如，直流配电网连接的交流系统的工频频率为50Hz，那么交流电压分量的频率低于50Hz，例如为10Hz。

设置交流电压分量的频率低于工频频率的原因是：

交流电压分量在直流配电网中不易因其他原因产生，传播的距离较远，对外干扰较小，且便于DC/DC换流器连接分布式光伏发电侧的稳压控制，但交流电压分量的频率过低时计算第一有效值延迟时间会过长，因此，交流电压分量的频率可以选择的范围是工频频率的10％-60％。

另一方面也防止交流系统中有干扰信号串扰到直流配电网中，影响信号检测的精准性。

S202：采样所述DC/DC换流器输出端的第一电压信号；

可以理解的是，如果直流配电网没有停止运行，是正常运行，并且并网直流断路器没有断开，则第一电压信号中会包括交流电压分量。

S203：提取所述第一电压信号中的交流信号的第一有效值；

第一电压信号中可能既包括直流分量也包括交流分量，因此，通过判断是否包含交流电压分量来判断是否发生孤岛，就需要将交流电压分量提取出来。具体可以通过带通滤波器来提取交流电压分量。

S204：将所述第一有效值与第一预设电压值进行比较；

S205：判断所述第一有效值小于所述第一预设电压值时，则所述分布式电源发生孤岛现象，控制所述分布式电源停止运行。

需要说明的是，一般判断第一有效值小于第一预设电压值持续的时间大于第一预设时间段T_set1时，才认为是真正的第一有效值小于第一预设电压值，因 为瞬间的小于可能是因为电网的抖动造成的。

如果判断第一有效值大于第一预设电压值，则说明DC/DC换流器输出端存在注入的交流电压分量，进而说明直流配电网正常运行且并网直流断路器闭合。如果第一有效值小于第一预设电压值，

如果直流配电网停止运行或者并网直流断路器断开，或者直流配电网停止运行且并网直流断路器断开，则DC/DC换流器输出端不存在注入的交流电压分量，因此，当判断第一有效值小于第一预设电压值时，则说明分布式电源需要停止工作，否则会与本地负荷形成孤岛供电现象。

本实施例提供的防孤岛方法，通过在AC/DC接口换流器的输出端注入交流电压分量，检测DC/DC换流器输出端是否存在该交流电压分量，从而判断分布式电源是否要停止运行。如果DC/DC换流器输出端不存在该交流电压分量，则要控制分布式电源停止运行，这样就可以避免分布式电源与本地负荷形成孤岛供电现象。本实施例提供的方法实施简单，并且能够及时准确判断出是否存在孤岛现象。

方法实施例二：

参见图3，该图为本发明提供的直流配电网分布式电源的防孤岛方法实施例二流程图。

需要说明的是，所述直流配电网为单端配电网或两端配电网。本发明提供的方法既适用于直流配电网为单端配电网的，也适用于直流配电网为两端配电网的情况。

下面介绍当所述直流配电网为两端配电网时的情况，包括两个所述AC/DC接口换流器，分别为第一AC/DC接口换流器和第二AC/DC接口换流器；具体的系统结构图可以参见图1所示。第一交流系统通过所述第一AC/DC接口换流器连接直流配电网，第二交流系统通过所述第二AC/DC接口换流器连接直流配电网；

需要说明的是，被注入交流电压分量的一个AC/DC接口换流器为主模式，另一个AC/DC接口换流器为从模式。

设置AC/DC接口换流器主从模式的原因是，防止两个接口换流器间形成 环流，正常工作时只有一台AC/DC接口换流器注入交流电压分量，如果主模式换流器因故停运，则从模式换流器接替其注入交流电压分量。

本实施例与方法实施例一的区别是：向所述AC/DC接口换流器的输出端注入交流电压分量，具体包括：

判断两个所述AC/DC接口换流器均正常工作，则向其中任意一个AC/DC接口换流器的输出端注入交流电压分量；

判断两个所述AC/DC接口换流器中的一个出现故障，则向正常工作的一个所述AC/DC接口换流器的输出端注入交流电压分量。

判断所述AC/DC接口换流器出现故障，具体包括：

S301：采样所述AC/DC接口换流器的输出端的第二电压信号；

S302：提取所述第二电压信号中的交流信号的第二有效值；

S303：将所述第二有效值与第二预设电压值进行比较；

S304：判断所述第二有效值小于所述第二预设电压值时，则确定该AC/DC接口换流器出现故障。

需要说明的是，一般判断第二有效值小于第二预设电压值持续的时间大于第二预设时间段T_set2时，才认为是真正的第二有效值小于第二预设电压值，因为瞬间的小于可能是因为电网的抖动造成的。

需要说明的是，T_set1应在2秒以下，并保证T_set1＞T_set2，以便在AC/DC接口换流器因主从模式切换注入时，防孤岛不会误动作。

需要说明的是，所述第一预设电压值和第二预设电压值相同，均为U_set；

考虑到直流配电网线路的分压，所述U_set的取值范围可以选择取kU_dc的5～20％。

例如，对于典型的±200V两端配电的直流配电网，U_set可以选择0.5V。

所述交流电压分量的表达式如下：

$u_{\mathrm{ac}}^{*}=k{U}_{\mathrm{dc}}\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{ac}}t\right);$

其中，U_dc是所述直流配电网的额定直流电压；k是注入的所述交流电压分量所占的百分比；f_ac是所述交流电压分量的频率；k的取值范围是2％～5％；

f_ac是所述工频频率的10％-60％。

k取值应在保证全直流配电网各并网点能可靠检测到低频分量的前提下尽量取小值，以便把低频电压注入带来的影响降到最低，一般取2％～5％。

为了本领域技术人员能够更好地理解和实施本发明，下面结合一个具体仿真图进行介绍。

参见图4，该图为本发明提供的分布式光伏发电并网DC/DC换流器输出端正极电压U_dc的波形图。

结合图1，设定第一AC/DC接口换流器100a工作在主模式，第二AC/DC接口换流器100b工作在从模式。K取2％，f_ac取10Hz，U_set取0.5V，T_set2取0.2秒，T_set1取0.5秒。

由波形可以看出：仿真开始后，第一AC/DC接口换流器100a首先注入10Hz低频电压分量，第2秒时停机跳闸，第二AC/DC接口换流器100b在0.3秒后接替其注入10Hz交流电压分量，由于10Hz低频电压分量在0.5秒内恢复，切换过程中防孤岛没有发生误动作；第5秒时，并网直流断路器跳闸形成孤岛，此时DC/DC换流器与直流配电网失去联络，由于本地负荷和分布式光伏发电的功率相等，直流分量保持不变造成盲区；但由于孤岛内没有10Hz交流电压分量注入，跳闸0.7秒后光伏发电装置停机。

仿真结果表明，本发明实施例提供的方法可以快速、有效地防止直流配电网产生光伏孤岛，能够克服检测盲区，并在AC/DC接口换流器工作模式切换时保证不发生误动作。

基于以上实施例提供的一种直流配电网分布式电源的防孤岛方法，本发明还提供了一种直流配电网分布式电源的防孤岛设备，下面结合附图详细来介绍。

设备实施例一：

参见图5，该图为本发明提供的直流配电网分布式电源的防孤岛设备实施例一示意图。

本实施例提供的直流配电网分布式电源的防孤岛设备，应用于直流配电网中，所述分布式电源连接DC/DC换流器的输入端，所述DC/DC换流器的输出端通过并网直流断路器连接所述直流配电网；交流系统连接AC/DC接口换流 器的输入端，所述AC/DC接口换流器的输出端连接所述直流配电网；该设备包括：

交流电压分压注入单元500，用于向所述AC/DC接口换流器的输出端注入交流电压分量，所述交流电压分量的频率小于所述工频频率；

例如，工频频率为50Hz，那么交流电压分量的频率低于50Hz，例如为10Hz。

设置交流电压分量的频率低于工频频率的原因是：

交流电压分量在直流配电网中不易因其他原因产生，传播的距离较远，对外干扰较小，且便于DC/DC换流器连接分布式光伏发电侧的稳压控制，但交流电压分量的频率过低时计算第一有效值延迟时间会过长，因此，交流电压分量的频率可以选择的范围是工频频率的10％-60％。

另一方面也防止交流系统中有干扰信号串扰到直流配电网中，影响信号检测的精准性。

第一电压信号采样单元600，用于采样所述DC/DC换流器输出端的第一电压信号；

可以理解的是，如果直流配电网没有停止运行，是正常运行，并且并网直流断路器没有断开，则第一电压信号中会包括交流电压分量。

第一有效值提取单元700，用于提取所述第一电压信号中的交流信号的第一有效值；

第一电压信号中可能既包括直流分量也包括交流分量，因此，通过判断是否包含交流电压分量来判断是否发生孤岛，就需要将交流电压分量提取出来。具体可以通过带通滤波器来提取交流电压分量。

第一比较单元800，将所述第一有效值与第一预设电压值进行比较；

控制单元900，用于判断所述第一有效值小于所述第一预设电压值时，则所述分布式电源发生孤岛现象，控制所述分布式电源停止运行。

需要说明的是，一般判断第一有效值小于第一预设电压值持续的时间大于第一预设时间段T_set1时，才认为是真正的第一有效值小于第一预设电压值，因为瞬间的小于可能是因为电网的抖动造成的。

如果判断第一有效值大于第一预设电压值，则说明DC/DC换流器输出端 存在注入的交流电压分量，进而说明直流配电网正常运行且并网直流断路器闭合。如果第一有效值小于第一预设电压值，

如果直流配电网停止运行或者并网直流断路器断开，或者直流配电网停止运行且并网直流断路器断开，则DC/DC换流器输出端不存在注入的交流电压分量，因此，当判断第一有效值小于第一预设电压值时，则说明分布式电源需要停止工作，否则会与本地负荷形成孤岛供电现象。

本实施例提供的防孤岛设备，通过在AC/DC接口换流器的输出端注入交流电压分量，检测DC/DC换流器输出端是否存在该交流电压分量，从而判断分布式电源是否要停止运行。如果DC/DC换流器输出端不存在该交流电压分量，则要控制分布式电源停止运行，这样就可以避免分布式电源与本地负荷形成孤岛供电现象。本实施例提供的方法实施简单，并且能够及时准确判断出是否存在孤岛现象。

设备实施例二：

参见图6，该图为本发明提供的直流配电网分布式电源的防孤岛设备实施例二示意图。

需要说明的是，所述直流配电网为单端配电网或两端配电网。本发明提供的设备既适用于直流配电网为单端配电网的，也适用于直流配电网为两端配电网的情况。

下面介绍当所述直流配电网为两端配电网时的情况，包括两个所述AC/DC接口换流器，分别为第一AC/DC接口换流器和第二AC/DC接口换流器；第一交流系统通过所述第一AC/DC接口换流器连接直流配电网，第二交流系统通过所述第二AC/DC接口换流器连接直流配电网；

需要说明的是，被注入交流电压分量的一个AC/DC接口换流器为主模式，另一个AC/DC接口换流器为从模式。

设置AC/DC接口换流器主从模式的原因是，防止两个接口换流器间形成环流，正常工作时只有一台AC/DC接口换流器注入交流电压分量，如果主模式换流器因故停运，则从模式换流器接替其注入交流电压分量。

该设备还包括：故障判断单元1000；

所述故障判断单元1000，用于判断两个所述AC/DC接口换流器均正常工作时，所述交流电压分量注入单元500向其中任意一个AC/DC接口换流器的输出端注入交流电压分量；

所述故障判断单元1000，用于判断两个所述AC/DC接口换流器中的一个出现故障时，则述交流电压分量注入单元500向正常工作的一个所述AC/DC接口换流器的输出端注入交流电压分量。

设备实施例三：

参见图7，该图为本发明提供的故障判断单元的结构示意图。

所述故障判断单元包括：

第二电压信号采样子单元1001，用于采样所述AC/DC接口换流器的输出端的第二电压信号；

第二有效值提取子单元1002，用于提取所述第二电压信号中的交流信号的第二有效值；

比较子单元1003，用于将所述第二有效值与第二预设电压值进行比较；

判断子单元1004，用于判断所述第二有效值小于所述第二预设电压值时，则确定该AC/DC接口换流器出现故障。

需要说明的是，一般判断第二有效值小于第二预设电压值持续的时间大于第二预设时间段T_set2时，才认为是真正的第二有效值小于第二预设电压值，因为瞬间的小于可能是因为电网的抖动造成的。

需要说明的是，T_set1应在2秒以下，并保证T_set1＞T_set2，以便在AC/DC接口换流器因主从模式切换注入时，防孤岛不会误动作。

需要说明的是，所述第一预设电压值和第二预设电压值相同，均为U_set；

考虑到直流配电网线路的分压，所述U_set的取值范围可以选择取kU_dc的5～20％。

例如，对于典型的±200V两端配电的直流配电网，U_set可以选择0.5V。

所述交流电压分量的表达式如下：

$u_{\mathrm{ac}}^{*}=k{U}_{\mathrm{dc}}\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{ac}}t\right);$

其中，U_dc是所述直流配电网的额定直流电压；k是注入的所述交流电压分量所占的百分比；f_ac是所述交流电压分量的频率；k的取值范围是2％～5％；

f_ac是所述工频频率的10％-60％。

k取值应在保证全直流配电网各并网点能可靠检测到交流电压分量的前提下尽量取小值，以便把交流电压分量注入带来的影响降到最低，一般取2％～5％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。