專利名稱：通過使用由多個逆變器進行受控無功功率注入檢測孤島的方法和區(qū)域電力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
所公開的構(gòu)思一般涉及檢測孤島(islanding)的方法，尤其涉及對于區(qū)域電力系統(tǒng)(area electric power system)檢測孤島的方法。所公開的構(gòu)思還涉及提供反孤島功能的區(qū)域電力系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在市電系統(tǒng)中，電網(wǎng)斷電情況可以導致包括電負荷以及發(fā)電源的“孤島”的產(chǎn)生。 這種孤島是不希望出現(xiàn)的，并且，在多個發(fā)電源和負荷在配電饋線上并存的分布式發(fā)電系統(tǒng)中是特別擔心的。例如，這種孤島可導致異常電壓或頻率被提供給負荷。此外，通過反饋， 這種孤島可以對上游電力電路的工人產(chǎn)生安全危險。當逆變器電氣連接到市電網(wǎng)時，必須使得逆變器頻率和電壓幅值與電網(wǎng)的相匹配。逆變器將電網(wǎng)用作其基準，并產(chǎn)生與電網(wǎng)同步的輸出電壓。如果電網(wǎng)變?yōu)閿嚅_，那么逆變器不會發(fā)現(xiàn)頻率或電壓中的任何改變，并且如果逆變器的輸出功率與電網(wǎng)上的本地負荷要求匹配的話將繼續(xù)供電。這種情況被稱為孤島，其可具有實質(zhì)上的安全以及性能含義。在圖1中，當斷路器(CB)2在流進電網(wǎng)4中的零電流的情況下開路時，電氣孤島6 形成，包括光伏(PV)逆變器8和本地負荷10。例如，孤島導致在由于缺少市電控制的孤島期間提供給用戶(例如，本地負荷10) 的電力質(zhì)量下降。未受控的頻率和/或電壓漂移可損壞用戶設(shè)備。此外，如果電網(wǎng)斷開是系統(tǒng)中的暫態(tài)故障的結(jié)果，中斷裝置將在幾個周期(例如，典型地，大約12到15個周期) 后試圖重新閉合電網(wǎng)連接。重合閘可潛在地毀壞逆變器8，這是因為孤島6中的電壓不是必然與電網(wǎng)(例如，市電網(wǎng)4)同步。當電網(wǎng)被重新連接時，電網(wǎng)電壓可具有相對于孤島電壓 12不同的相角。這可導致出現(xiàn)能夠毀壞逆變器8的相對較大的過電流，其已經(jīng)出現(xiàn)在系統(tǒng)中并且已經(jīng)被負荷10孤島化。為了解決這些關(guān)注的問題，已經(jīng)對市電互連逆變器建立了 IEEE巧47(用于將分布式電源與電力系統(tǒng)互連的標準)。這個標準由安全檢測實驗室(Underwriters Laboratories)作為UL1741 (分布式能源所用的逆變器，變換器，控制器以及互連系統(tǒng)設(shè)備)采用。在解決孤島問題時，這些標準要求逆變器能通過采用與標準所定義的負荷并聯(lián)連接的諧振電路而在規(guī)定時間內(nèi)檢測電網(wǎng)喪失并斷開。參考圖2，示出了用以驗證常規(guī)的電網(wǎng)連接逆變器16的反孤島控制功能的IEEE測試(諧振)電路14。測試逆變器16與諧振電路14電氣連接，諧振電路14包括無功部件 18、20，其大小為斷路器或中斷器22斷開時形成的孤島中的負荷21 (K)的250% (K*2. 5) 0 當逆變器16的反孤島控制功能停用時，逆變器16和無功部件18、20的輸出被調(diào)諧以形成例如60Hz的孤島。在反孤島測試過程中，市電端斷路器或者中斷器22斷開，斷開逆變器接觸器M并且停止向負荷21供電的時刻被計時。如果在斷開斷路器或者中斷器22的兩秒內(nèi)停止功率輸出，那么，逆變器16滿足IEEE 1547.在電網(wǎng)斷電之后，諧振電路14將不允許逆變器16的輸出電壓和頻率偏移。因此，逆變器16必須具有恰當?shù)姆垂聧u控制功能，以檢測孤島情況。已經(jīng)知道，電網(wǎng)具有特定的阻抗，通過注入與電網(wǎng)頻率不同的信號到電網(wǎng)互連點中并且通過查找該信號的喪失，可以檢測出孤島情況。例如，美國專利No. 6，603，290公開了檢測在分布式發(fā)電源到電力系統(tǒng)或者市電網(wǎng)的電氣連接中的孤島情況的出現(xiàn)。將電壓或電流信號注入到系統(tǒng)中，確定所得的系統(tǒng)阻抗。所得的結(jié)果用作孤島情況的指示。IEEE 1547沒有觸及近些年來的常見情況如圖3所示，在發(fā)電場地，多個逆變器 26,28,30電氣連接到市電網(wǎng)32。然而，每個逆變器沈、28、30能夠影響其他逆變器的孤島檢測，這將負面地影響到反孤島控制功能的運行和相關(guān)的安全性。已知的常規(guī)逆變器通常通過確保注入到電網(wǎng)中的無功功率在所有的逆變器輸出功率等級上為零而以1.0的功率因數(shù)運行。當功率因數(shù)對于為一的功率因數(shù)受到調(diào)節(jié)時， 諧振電路14(圖2)的諧振狀態(tài)在孤島情況下不受打擾。此外，由于IEEE 1547的跳閘時間要求是從市電網(wǎng)喪失開始的兩秒，負荷可能在反孤島控制功能正在確定該狀態(tài)的同時經(jīng)歷相對很差質(zhì)量的供電。換句話說，異常的負荷狀態(tài)不受控制。

發(fā)明內(nèi)容
這些需求和其他需求通過所公開構(gòu)思的實施例來滿足，其提供了一種方法，該方法通過使用多個逆變器中的每個逆變器的受控無功功率注入來響應于電網(wǎng)斷電在孤島中產(chǎn)生安全的異常狀態(tài)。例如，通過采用外部且獨立的保護繼電器來檢測多個異常狀態(tài)(例如，頻率跳閘設(shè)定值；電壓跳閘設(shè)定值)并做出響應地斷開所述多個逆變器，所公開的構(gòu)思可解決負荷質(zhì)量性能問題。例如但并不限制于，安全的異常狀態(tài)可通過在電網(wǎng)斷電的過程中限制和控制逆變器輸出頻率到59Hz來形成，或者通過限制和控制逆變器輸出電壓不超過標稱額定電壓的110%而形成。例如，這種安全的異常狀態(tài)可通過采用外部保護繼電器檢測低頻 (under-frequency)而進行檢測，其中，低頻指示孤島的出現(xiàn)。例如，除通過逆變器控制器檢測頻率偏移之外，通過采用保護繼電器內(nèi)的一個以上的參數(shù)(例如但不限于，低頻；過頻(over-frequency)，欠壓，過壓)，可改進該檢測。例如，在線路電感相對較高且諧振狀態(tài)不存在的位置，電容性無功電流(即，超前電壓)的注入將導致過壓狀態(tài)的出現(xiàn)，保護繼電器將能夠檢測該異常狀態(tài)。根據(jù)所公開構(gòu)思的一個方面，一種檢測孤島的方法用于區(qū)域電力系統(tǒng)，區(qū)域電力系統(tǒng)包含輸出包括電壓和頻率的交流電壓的多個逆變器。該方法包含采用所述多個逆變器的受控無功功率注入；響應于所述多個逆變器輸出的交流電壓的電壓和頻率的多個變化，檢測孤島。該方法還可進一步包括通過檢測由所述多個逆變器輸出的交流電壓的低頻狀態(tài)、過頻狀態(tài)、欠壓狀態(tài)和過壓狀態(tài)中的若干個，提供這種孤島檢測。該方法可通過所述多個逆變器外部的保護繼電器來提供這種孤島檢測。該方法可通過采用多個逆變器控制器來測量所述多個逆變器中的每個逆變器的逆變器功率因數(shù)偏移而單獨地檢測孤島。該方法還可包括，通過由所述多個逆變器中一個逆變器的逆變器控制器檢測所述多個逆變器輸出的交流電壓的低頻狀態(tài)或過頻狀態(tài)，獨立地檢測孤島。該方法可在所述多個逆變器中的一個逆變器的逆變器控制器之外提供這種孤島檢測。該方法還包括通過采用保護繼電器來檢測由所述多個逆變器輸出的交流電壓的異常電壓狀態(tài)或異常頻率狀態(tài)來提供這種孤島檢測；做出響應地采用保護繼電器來斷開電路斷續(xù)器。該方法可通過采用所述多個逆變器的一個逆變器的逆變器控制器檢測異常頻率狀態(tài)而獨立地檢測孤島。該方法還可包括將所述多個逆變器從并網(wǎng)運行模式切換至故意的孤島運行模式。作為所公開構(gòu)思的另一方面，一種區(qū)域電力系統(tǒng)包括多個直流電源；與所述多個直流電源可操作地關(guān)聯(lián)的多個逆變器，所述多個逆變器的每個逆變器被構(gòu)造成提供有功功率和受控無功功率注入，以檢測孤島；由所述多個逆變器供電的輸出；多個電氣開關(guān)裝置，其被構(gòu)造成將所述多個逆變器電氣連接到市電網(wǎng)或者將所述多個逆變器從市電網(wǎng)斷開；以及被構(gòu)造成響應于該輸出的交流頻率或電壓的若干個變化而檢測相對于市電網(wǎng)的孤島的多個設(shè)備。所述多個設(shè)備中的一個可以是所述多個逆變器外部的保護繼電器。交流頻率或電壓的所述若干個變化可選自輸出的低頻狀態(tài)、過頻狀態(tài)、欠壓狀態(tài)以及過壓狀態(tài)。所述多個設(shè)備可以是所述多個逆變器中的一個逆變器外部的保護繼電器以及被構(gòu)造成控制所述多個逆變器中的所述一個逆變器的逆變器控制器；逆變器控制器可進一步被構(gòu)造成，通過測量所述多個逆變器中的所述一個逆變器的逆變器功率因數(shù)偏移，獨立地檢測孤島。所述多個設(shè)備中的一個可以是被構(gòu)造成控制所述多個逆變器中的一個逆變器的逆變器控制器；該逆變器控制器可進一步被構(gòu)造成通過測量所述多個逆變器中的所述一個逆變器的逆變器功率因數(shù)偏移而檢測孤島。


結(jié)合附圖。閱讀下面對優(yōu)選實施例的說明，可以得到所公開構(gòu)思的全面理解，在附圖中圖1是包括孤島的市電網(wǎng)和逆變器系統(tǒng)的框圖；圖2是用于逆變器系統(tǒng)的反孤島測試電路的框圖；圖3是包括由光伏(PV)陣列供電的多個逆變器的市電網(wǎng)和逆變器系統(tǒng)的框圖；圖4是根據(jù)所公開構(gòu)思的實施例的包括逆變器系統(tǒng)的區(qū)域電力系統(tǒng)的框圖；圖5是根據(jù)所公開構(gòu)思的實施例的矢量圖，其示出了電壓和電流矢量；圖6和7是根據(jù)所公開構(gòu)思的其他實施例的包括多個逆變器的其他市電網(wǎng)和逆變器系統(tǒng)的框圖；圖8是根據(jù)所公開構(gòu)思的其他實施例的包括本地負荷的逆變器系統(tǒng)的框圖；圖9是示出了圖4的逆變器系統(tǒng)的控制的框圖。
具體實施例方式如下文所使用的那樣，術(shù)語“多個”、“若干個”表示一個或大于一的整數(shù)個(S卩，復數(shù)個)。如下文所使用的那樣，術(shù)語“處理器”表示能夠存儲，檢索和處理數(shù)據(jù)的可編程模擬和/或數(shù)字裝置；計算機；工作站；個人計算機；微處理器；微控制器；微型計算機；中央處理單元；主機計算機；小型計算機；服務(wù)器；網(wǎng)絡(luò)處理器；或者任何合適的處理設(shè)備或裝置。如下文中所使用的那樣，術(shù)語“逆變器”表示將電能從直流形式轉(zhuǎn)換為交流形式的裝置或設(shè)備。參考圖4，例如但不局限于，用于替代能源和/或能量存儲的示例性逆變器系統(tǒng)31 被示為示例性區(qū)域電力系統(tǒng)32的一部分。該示例性區(qū)域電力系統(tǒng)32包括多個(例如但不局限于，圖4中示出為一個)直流電源34 ；與所述多個直流電源34可操作地關(guān)聯(lián)的多個 (例如但不局限于，圖4中示出為一個)逆變器36 ；由所述多個逆變器36供電的輸出38 ； 多個電氣開關(guān)裝置48(例如但不局限于，多個接觸器，圖4中示出為一個)，所述多個電氣開關(guān)裝置48構(gòu)造成將所述多個逆變器36電氣連接到市電網(wǎng)42以及將所述多個逆變器36從市電網(wǎng)42斷開；被構(gòu)造成響應于輸出38的交流頻率或電壓的多個變化來相對于市電網(wǎng)42 檢測孤島的多個設(shè)備44，46(例如，保護繼電器44 ；逆變器控制器46)。如上所述，所述多個逆變器36中的每個被構(gòu)造成，與對于區(qū)域電力系統(tǒng)32檢測孤島組合，提供有功功率以及受控無功功率注入。與常規(guī)的相同，所述多個逆變器36向輸出 38輸出包括電壓和頻率的交流電壓。根據(jù)所公開的構(gòu)思，逆變器36采用受控無功功率注入，設(shè)備44和/或46中的一個或二者響應于由所述多個逆變器36輸出的交流電壓的電壓和頻率中的多個變化來檢測孤島。示例 1如上所述，可通過檢測輸出38的交流電壓的低頻狀態(tài)、過頻狀態(tài)、欠壓狀態(tài)和過壓狀態(tài)中的若干個，由設(shè)備44和/或46檢測孤島。因此，所述交流頻率或電壓中的多個變化可選自輸出38的交流電壓的低頻狀態(tài)、過頻狀態(tài)、欠壓狀態(tài)以及過壓狀態(tài)。示例 2在示例1之外，可由所述多個逆變器36外部的保護繼電器44來檢測孤島。例如， 保護繼電器44可以是逆變器系統(tǒng)31中常規(guī)的、市電網(wǎng)級的保護繼電器，其監(jiān)測輸出38的交流電壓(例如，電壓和/或頻率)。電路斷續(xù)器——例如接觸器K148——將示例性逆變器36電氣連接到市電網(wǎng)42以及從市電網(wǎng)42電氣斷開，并且由例如保護繼電器44控制，如將要介紹的那樣。單獨的電壓互感器49還向逆變器控制器46提供市電網(wǎng)電壓基準50。保護繼電器44監(jiān)測市電網(wǎng)電壓(盡管示出的是用于一相的單相線路圖，將會明了，所公開的構(gòu)思可以應用到具有任何合適相數(shù)的逆變器以及區(qū)域電力系統(tǒng)，例如但不局限于一相或三相)，并且可通過檢測電網(wǎng)42上的任何異常狀態(tài)(例如，異常電壓；異常頻率)而保護負荷(未示出)。例如，如果電網(wǎng)的低頻檢測被設(shè)定為59. 7Hz，那么保護繼電器 44將檢測電網(wǎng)頻率是否下降到這個頻率之下。例如，保護繼電器44可以通過例如苛刻環(huán)境下設(shè)計的魯棒檢測算法和硬件來準確并且可靠地檢測低頻。在示例實施例中，保護繼電器44檢測包括逆變器36和任何本地負荷(未示出)的孤島系統(tǒng)的異常狀態(tài)。僅僅保護繼電器44不能檢測圖2所示的那種測試(諧振)電路的孤島狀態(tài)，這是因為當測試電路以使得低頻不發(fā)生的例如但不局限于60Hz諧振時，示例性的低頻檢測設(shè)定點值(例如但不局限于59. 7Hz ；按照IEEE 1547和UL 1741，低于30kff的相對較小逆變器的59. 3Hz ；任何合適的頻率)將不能達到。過頻檢測設(shè)定點值、欠壓檢測設(shè)定點值以及過壓檢測設(shè)定點值(例如但不局限于，過頻設(shè)定點為60. 5Hz ；欠壓設(shè)定點為標稱額定電壓的88% ；過壓設(shè)定點為標稱額定電壓的106% )也是同樣的。保護繼電器44的非限制性實例是佛羅里達州Largo市Beckwith電氣公司出售的 Intertie/Generator保護繼電器M-3410A集成保護系統(tǒng)⑧。示例 3當逆變器36通過如下所述的合適控制將孤島頻率變化到保護繼電器過頻和低頻檢測設(shè)定點值的范圍之外的值時，保護繼電器44檢測到該狀態(tài)并且通過斷開繼電器輸出 KA 52而斷開接觸器Kl 48，如圖9所示出的那樣。視情況可選地，逆變器控制器46可使用這個信息，并且通過斷開繼電器輸出KB 53來獨立地斷開接觸器Kl 48。斷開繼電器輸出KA 52和/或KB 53中的任何一個通過斷開到接觸器線圈Kl M的控制電力而斷開電網(wǎng)連接。同時，逆變器控制器46——其通過反饋觸頭55和輸入56知道了接觸器Kl 48的狀態(tài)——可使得逆變器36停止切換，以便停止將電力輸出到電網(wǎng)連接中。示例 4 逆變器控制器46——其被構(gòu)造成控制所述多個逆變器36中的一個——可如下面將要描述的那樣被進一步構(gòu)造成通過測量所述多個逆變器36中的所述一個的逆變器功率因數(shù)偏移來檢測孤島。示例 5優(yōu)選的是，在圖9所示的相對更具魯棒性的方案中，保護繼電器44和逆變器控制器46都能檢測孤島。逆變器控制器46可檢測頻率偏移以及功率因數(shù)上的控制的缺失。逆變器控制器46的示例性無功功率注入功能58被設(shè)定成在電網(wǎng)42缺失(例如但不局限于當電氣開關(guān)裝置40 (例如斷開器)開路)之后在例如但不局限于59Hz時飽和。當頻率達到示例性的59Hz頻率后，逆變器控制器46從無功功率控制模式變換到頻率控制模式。當頻率保持在示例性的59Hz頻率時，示例性逆變器超前輸出電流和逆變器輸出電壓之間的相角增加并且取決于負荷(未示出)。這也作為逆變器36的功率因數(shù)被考慮。當諧振電路(例如但不局限于圖2的測試(諧振)電路14)缺失時，這種狀態(tài)更頻繁地出現(xiàn)。當諧振電路14缺失時，異常狀態(tài)相對更快地到達，并且反孤島要求仍然可以滿足。除保護繼電器44之外，逆變器控制器46包括內(nèi)部頻率測量功能，其將頻率偏移限制到59Hz。如上所述，逆變器控制器46跟隨相角，并且因此跟隨輸出38的電壓頻率。逆變器控制器46可以通過注入正確的無功(容性)電流而導致低頻狀態(tài)。這也導致過壓狀態(tài)的出現(xiàn)，其可以獨立地檢測。逆變器控制器46獨立地使用這種低頻狀態(tài)來斷開繼電器輸出 KB 53 (圖9)，其通過斷開到接觸器線圈Kl M的控制電力并且通過停止到電網(wǎng)42中的功率輸出而斷開電網(wǎng)連接。因此，如上所述，逆變器控制器46和保護繼電器44可以斷開接觸器 Kl 48。由于圖2的反孤島測試電路14的諧振電路不允許逆變器輸出電壓和頻率偏移，因此需要在逆變器控制器46內(nèi)部產(chǎn)生迫使逆變器36的輸出60從正常市電網(wǎng)電壓和頻率狀態(tài)移開的狀態(tài)。在圖4中，根據(jù)所公開構(gòu)思的實施形態(tài)，逆變器36有利地以1以外的功率因數(shù)運行，其不同于已知的逆變器。當市電網(wǎng)42存在時，逆變器36輸出的無功功率滿足了市電網(wǎng)42的某些無功功率需求。只要電網(wǎng)42存在，由逆變器36輸出的有功以及無功電流處于90度相角。當孤島狀態(tài)通過斷開市電網(wǎng)連接點處的電氣開關(guān)裝置40而形成時，無功電流沒有地方循環(huán)。為了適應無功功率，逆變器36的頻率——以及負荷阻抗(例如，無功負荷元件的阻抗、電容和/或電感，其是頻率的函數(shù))——改變以滿足逆變器36的有功和無功功率輸出。由無功功率注入功能58導致的逆變器輸出60的這種特性導致頻率的改變， 其由保護繼電器44檢測，并且視情況可選地由逆變器控制器46檢測。依次，保護繼電器 44(和/或逆變器控制器46)斷開接觸器Kl 48，逆變器36被安全地斷開和/或“關(guān)斷”，以停止電流到電網(wǎng)42中的輸出。以類似的方式，如果電容組(capacitive bank)(未示出)(與圖2的反孤島測試電路14相反)安裝成相對靠近逆變器36，那么當電網(wǎng)斷電時將出現(xiàn)欠壓狀態(tài)。常規(guī)的逆變器控制器使得所測量的三相電網(wǎng)電壓由圖5中的逆變器輸出電壓 (即，Van)匹配，并且通過控制逆變器要求的電壓和所測量的電網(wǎng)電壓之間的相角、通過注入有功電流(Ir)和無功電流(Ix)得到希望的有功功率。因此，在進行電網(wǎng)的無功功率在所有的輸出功率等級上均為零的情況下，常規(guī)的逆變器通常以1.0的恒定功率因數(shù)運行。根據(jù)所公開構(gòu)思的各方面，無功電流(Ix)的量值通過以下方式連續(xù)地得到管理 由逆變器控制器46的無功功率注入功能58連續(xù)調(diào)節(jié)無功電流的量值，從而使得逆變器36 有利地維持電網(wǎng)連接處的超前功率因數(shù)(例如但不局限于約0. 98到約0. 99)。逆變器控制器無功功率注入功能58基于有功功率輸出確定無功電流(Ix)的希望的量。當電網(wǎng)42 存在時，逆變器輸出電壓跟隨電網(wǎng)電壓的頻率和相位，而逆變器輸出電流(Ia)如圖5所示地相移(例如，逆變器輸出電流(Ia) 62超前逆變器輸出電壓(Van) 64)。通過使得cos Φ =常數(shù)，示例性超前功率因數(shù)在所有的輸出功率等級上維持，其中，Φ是逆變器輸出電流 (Ia) 62和所注入的有功電流(Ir) 66之間的恒定相角。例如，逆變器控制器46(圖4)可以采用電流模式運行，其中，逆變器輸出電流(Ia)62的量值和相角受到控制?？商鎿Q的，逆變器控制器46可調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓 (Van) 64以注入無功功率和頻率，從而調(diào)節(jié)有功功率?？刹捎眠@些中的任意一種，以注入希望的量和類型的無功電流(Ix)68?？商鎿Q地，可采用滯后功率因數(shù)(例如，但不局限于約-0. 98到約-0. 99)，使得輸出頻率增大，設(shè)備44和/或46檢測過頻和/或欠壓時的孤島。示例 6將會明了，包括多個逆變器36和多個對應的逆變器控制器46的電力系統(tǒng)可通過用對應的逆變器控制器46測量逆變器36的逆變器功率因數(shù)偏差來獨立地檢測孤島。示例 7與示例6類似，所述多個對應的逆變器控制器46可通過檢測市電網(wǎng)電壓基準50 的異常頻率狀態(tài)而獨立地檢測孤島。示例 8示例7的異常頻率狀態(tài)可以是輸出38的交流電壓的低頻狀態(tài)或過頻狀態(tài)。示例 9
在逆變器控制器46外部，保護繼電器44提供孤島檢測，逆變器控制器46包括所公開的無功功率注入功能58。示例 10盡管圖4中示出了一個逆變器36，如圖6所示，可采用多個逆變器36 ‘。例如但不局限于，對應的區(qū)域電力系統(tǒng)32'可以是太陽能轉(zhuǎn)換場或風能轉(zhuǎn)換場。示例 11與示例10中有某些程度的類似，圖7的區(qū)域電力系統(tǒng)32"的所述多個逆變器 36'可以電氣連接到公共變壓器62上，變壓器62可以通過電氣開關(guān)裝置40'有選擇地電氣連接到電網(wǎng)42，電氣開關(guān)裝置40'由單個保護繼電器44'控制。優(yōu)選的是，所述多個逆變器控制器46'通過合適的通訊通道或者通訊網(wǎng)絡(luò)70通訊，使得代表所有逆變器36'的單個保護繼電器44'和/或代表對應逆變器36'的多個逆變器控制器46'中任何一個的任何一個可以檢測孤島狀態(tài)并且隔離可構(gòu)成例如太陽能轉(zhuǎn)換場或風能轉(zhuǎn)換場的該組逆變器36'?？刂齐姎忾_關(guān)裝置40'的這種方法還可在變壓器62是將逆變器電壓提升為例如中壓的升壓變換器時采用。示例 12所公開的圖4的逆變器控制器46的無功功率注入功能58可以在逆變器36的全部額定功率范圍上采用。示例 13例如但不局限于，圖4的逆變器36可以是由兩個125kW的逆變器并聯(lián)形成的 250kW逆變器，但是，可采用具有寬功率輸出范圍的任何適合數(shù)量的逆變器36。在圖6和7中，例如，無功電流(Ix) 68 (圖5)的量值可在電網(wǎng)42 (圖6)或者變壓器62(圖7)處由每個逆變器36'受到控制。這種控制具有相對較高的增益并且使得頻率在孤島形成后變化，其中，該控制控制了多個逆變器36'的每個逆變器中的逆變器輸出電流(Ia)62(圖5)的相角Φ。如圖6所示，當多個逆變器36'(例如但不局限于，用于相對較大的PV陣列，在建筑物上)在相同的點上連接到電網(wǎng)42，所有的逆變器36'以相同的方向調(diào)節(jié)功率因數(shù)(例如，超前功率因數(shù)，滯后功率因數(shù))。然而，當電網(wǎng)42缺失時，無功功率在負荷(未示出)上建立相移，這改變了逆變器輸出頻率和電壓。這種頻率和電壓上的偏移相對較快地累積，外部保護繼電器44、44'檢測低頻(或過頻)。無功功率總是在一個方向上，使得低頻(或過頻)通過外部保護繼電器44，44'進行檢測。優(yōu)選的是，不像圖1-3的逆變器8、16、26、觀、30的逆變器控制器(未示出)那樣， 圖4、6和7的逆變器控制器46、46'被構(gòu)造成連續(xù)測量逆變器功率因數(shù)，其與超前(或滯后)的逆變器輸出電流(Ia)62與圖5的逆變器輸出電壓(Van)64之間的相角Φ相關(guān)聯(lián)。 在電網(wǎng)斷電時，由外部保護繼電器44、44'檢測的示例性低頻和測量得到的逆變器控制器 46,46'的相角用于檢測孤島狀態(tài)。作為響應地，接觸器Κ148斷開，逆變器控制器46、46' 停止切換，并停止向電網(wǎng)42輸出功率。例如，在圖6和7中，多個逆變器36'相對更為快速地驅(qū)動頻率，這是因為在電網(wǎng)連接點處注入的無功功率是每個逆變器36'所提供的無功電流的和。因此，區(qū)域電力系統(tǒng) 32'、32"可以累積地使能孤島檢測。示例 14
所公開的構(gòu)思還可有利地用于將多個逆變器從并網(wǎng)運行模式切換到故意的孤島運行模式。如圖8所示，區(qū)域電力系統(tǒng)32”’與圖4的區(qū)域電力系統(tǒng)32類似。這里，示例性的逆變器控制器46"可用在這樣的場合中其中，本地負荷72被提供，且逆變器36"運行在“故意的孤島模式”。例如，孤島檢測以及將逆變器36"從電網(wǎng)42斷開是一種運行模式。在從電網(wǎng)42斷開后，逆變器36"可關(guān)閉并空置，或者轉(zhuǎn)換成“故意的孤島”。示例性逆變器控制器46"迫使逆變器36"成為示例的低頻，然后在從電網(wǎng)42斷開的同時試圖以例如59Hz控制逆變器36"。這樣使得逆變器36"能從并網(wǎng)運行模式切換到故意的孤島運行模式，在某些場合中這是所希望的。已知的常規(guī)逆變器不會變?yōu)椤肮室獾墓聧u”。盡管圖8中示出了一個逆變器36"和一個逆變器控制器46"，將會明了，可采用多個逆變器36"和多個逆變器控制器46"，如上面結(jié)合圖6和7所討論的那樣。示例性的直流電源34可以是任何合適的DC電源，例如但不局限于光伏(PV)電源。盡管對于例如36、36'、36"的DC-AC逆變器考慮了光伏(PV)電源，但是，可以使用其他合適的DC電源(例如但不局限于，DC能量存儲設(shè)備；電池；多種不同的電池技術(shù)；雙層電容器；超級電容器；電化學雙層電容器(EDLC)；超電容器；燃料電池；具有DC輸出的風力渦輪機(例如，高頻))。DC電源可以是能量存儲和可再生能源或者基于諸如燃料電池之類的能源的不可再生能源的組合。盡管考慮了例如36、36'、36〃的DC-AC逆變器，但是也可采用其他的AC電源。例如，變換器或者其他耦合到第二 DC-AC逆變器的在第一方向上將電能從DC形式轉(zhuǎn)換成AC 形式(例如但不局限于，作為從DC能量存儲設(shè)備供電的逆變器)，和/或在相反的第二方向上將電能從AC形式轉(zhuǎn)換為DC形式(例如但不局限于，作為對DC能量存儲設(shè)備進行充電的有源整流器)的裝置或設(shè)備。所有的這種轉(zhuǎn)換器或這種其他的裝置或設(shè)備在這里由術(shù)語 “逆變器”包括?？刹捎帽Ｗo繼電器44的所公開的構(gòu)思不需要采用產(chǎn)生異常狀態(tài)的同一逆變器控制器——諸如46——檢測異常狀態(tài)，這對于已知的方法和系統(tǒng)是一種改進。例如，所公開的受控無功功率注入使得標準市電網(wǎng)設(shè)備保護繼電器可用于檢測孤島。所公開的構(gòu)思可提供電網(wǎng)斷電的魯棒性檢測，并且可通過采用測量得到的頻率和逆變器功率因數(shù)二者檢測電網(wǎng)斷電來提供反孤島。所公開的構(gòu)思在并網(wǎng)運行過程中不會擾亂逆變器頻率。該方案維持正常的線路電流諧波，不會擾亂逆變器36的正常運行。例如，對于相對較大的逆變器(例如但不局限于 500kW ;1MW)，這與可影響分布式系統(tǒng)的已知頻率抖動技術(shù)相比提供了更為穩(wěn)定的運行。這種頻率抖動技術(shù)通過周期性在逆變器頻率中引入偏移并查找響應而連續(xù)干擾逆變器。在相對較弱的電網(wǎng)中，這樣可導致異常電壓諧波。例如，盡管具有反孤島功能的逆變器早期設(shè)計處于直到125kW的相對較低的功率等級，使500kW逆變器的頻率抖動可在電力線中產(chǎn)生擾動。所公開的構(gòu)思減小或消除由于運行在公共變壓器62 (例如，如圖7所示)上的兩個或多于兩個的逆變器36'(例如，如圖6和7所示)引起的檢測誤差。例如，在圖3中， 當孤島檢測隨機(相位或頻率抖動)時，來自一制造商的一個逆變器沈可提供未受控的超前功率因數(shù)，來自不同制造商的不同逆變器觀可提供未受控的滯后功率因數(shù)，兩個不同的
11逆變器沈、28的輸出的和可以匹配本地負荷，這兩種不同的逆變器可以在一個逆變器支持另一個逆變器的情況下繼續(xù)以約60Hz運行，即使是在電網(wǎng)缺失之后。因此，這樣影響了相同連接點上多個逆變器26、28、30的反孤島性能。另外，當采用現(xiàn)有技術(shù)中的注入信號并且查找該信號缺失的信號注入技術(shù)時，一個逆變器可對于另一個作為電網(wǎng)運行，對應的孤島檢測方法可能失敗。所公開的構(gòu)思可以結(jié)合并聯(lián)運行以形成分布式發(fā)電系統(tǒng)的多個逆變器36'(例如但不局限于太陽能轉(zhuǎn)換場；風能轉(zhuǎn)換場)來采用。盡管已經(jīng)詳細描述了所公開構(gòu)思的特定實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會明了，根據(jù)所公開內(nèi)容的全部教導，可開發(fā)出細節(jié)的多種變形或替代。因此，所公開的特定布置僅表示為說明性的，并不限制所公開構(gòu)思的范圍，該范圍由所附權(quán)利要求以及其所有等效物的全
部范圍來給出。
附圖標記列表
2斷路器(CB)
4電網(wǎng)
6電氣孤島
8光伏(PV)逆變器
10本地負荷
12孤島電壓
14IEEE測試(諧振)電路
16常規(guī)電網(wǎng)連接逆變器
18無功部件
20無功部件
21負荷
22斷路器或者斷開器
24逆變器接觸器
26逆變器
28逆變器
30逆變器
31逆變器系統(tǒng)
32區(qū)域電力系統(tǒng)
32'區(qū)域電力系統(tǒng)
32"區(qū)域電力系統(tǒng)
32”’區(qū)域電力系統(tǒng)
34多個直流電源
36多個逆變器
36'逆變器
36"逆變器
38輸出
40電氣開關(guān)裝置
40'電氣開關(guān)裝置
42市電網(wǎng)
44保護繼電器
44'保護繼電器
46逆變器控制器
46'逆變器控制器
46"逆變器控制器
48接觸器Kl
49電壓互感器
50市電網(wǎng)電壓基準
52繼電器輸出KA
53繼電器輸出KB
54接觸器線圈Kl
55反饋觸點
56輸入
58無功功率注入功能
60逆變器輸出
62逆變器輸出電流(Ia)
64逆變器輸出電壓(Van)
66注入的有功電流(Ir)
68無功電流(Ix)
70通訊通道或通訊網(wǎng)絡(luò)
72本地負荷
權(quán)利要求
1.一種檢測區(qū)域電力系統(tǒng)(32)的孤島的方法，該區(qū)域電力系統(tǒng)包括輸出交流電壓的多個逆變器(36)，該交流電壓包括電壓和頻率，該方法包括通過所述多個逆變器，使用受控無功功率注入(58)；以及響應于由所述多個逆變器輸出的交流電壓的電壓和頻率中的多個變化來檢測 46)孤島。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括通過檢測由所述多個逆變器輸出的交流電壓的低頻狀態(tài)、過頻狀態(tài)、欠壓狀態(tài)以及過壓狀態(tài)中的若干個來提供所述的孤島檢測。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括通過所述多個逆變器外部的保護繼電器G4)來提供所述的孤島檢測。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，還包括通過用多個逆變器控制器G6)測量所述多個逆變器中的每個逆變器的逆變器功率因數(shù)偏差，獨立地檢測孤島。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，還包括通過由所述多個逆變器中的一個逆變器的逆變器控制器G6)檢測由所述多個逆變器輸出的交流電壓的低頻狀態(tài)或過頻狀態(tài)，獨立地檢測孤島。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括在所述多個逆變器中的一個逆變器的逆變器控制器外部，提供G4)所述的孤島檢測。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括將太陽能轉(zhuǎn)換場或風能轉(zhuǎn)換場(32' ；32")用作所述區(qū)域電力系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括 將一個逆變器(36)用作所述多個逆變器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括將電氣連接在公共變壓器(62)上的多個逆變器(36')用作所述多個逆變器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，還包括將太陽能轉(zhuǎn)換場或風能轉(zhuǎn)換場(32")用作所述區(qū)域電力系統(tǒng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括通過用保護繼電器G4)檢測由所述多個逆變器輸出的交流電壓的異常電壓狀態(tài)或異常頻率狀態(tài)，提供所述孤島檢測；以及由所述保護繼電器作為響應地斷開電路斷續(xù)器G8)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，還包括通過用所述多個逆變器中的一個逆變器的逆變器控制器G6)檢測異常頻率狀態(tài)，獨立地檢測孤島。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括在所述多個逆變器的額定功率等級的全部范圍上，使用所述孤島檢測G6)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括將包括多個光伏電源(34)、所述多個逆變器(36")以及本地負荷(7 的區(qū)域電力系統(tǒng)(32”’ )用作所述區(qū)域電力系統(tǒng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括將所述多個逆變器從并網(wǎng)運行模式切換)到故意的孤島運行模式。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括作為所述使用受控無功功率注入，控制(58)所述多個逆變器以在市電網(wǎng)連接處維持超前的功率因數(shù)。
17.—種區(qū)域電力系統(tǒng)(32 ;32' ；32" ；32，，，)，包括多個直流電源(34)；與所述多個直流電源可操作地關(guān)聯(lián)的多個逆變器(36)，所述多個逆變器中的每個逆變器被構(gòu)造成(58)提供有功功率和受控無功功率注入，以檢測孤島；由所述多個逆變器供電的輸出(38)；多個電氣開關(guān)裝置(48)，其被構(gòu)造成將所述多個逆變器電氣連接到市電網(wǎng)0 以及將所述多個逆變器從市電網(wǎng)G2)電氣斷開；以及被構(gòu)造成響應于所述輸出的交流頻率或電壓中的多個變化而相對于市電網(wǎng)檢測孤島的多個設(shè)備(44 ；46)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的區(qū)域電力系統(tǒng)(32;32' ；32" ；32”’)，其中，所述多個設(shè)備中的一個是所述多個逆變器外部的保護繼電器G4)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的區(qū)域電力系統(tǒng)(32;32' ；32" ；32”’)，其中，交流頻率或電壓的所述多個變化選自所述輸出的低頻狀態(tài)、過頻狀態(tài)、欠壓狀態(tài)以及過壓狀態(tài)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的區(qū)域電力系統(tǒng)(32;32' ；32" ；32”’)，其中，所述多個設(shè)備是所述多個逆變器中的一個逆變器外部的保護繼電器G4)以及被構(gòu)造成控制所述多個逆變器中的所述一個逆變器的逆變器控制器G6)；且其中，所述逆變器控制器還被構(gòu)造成，通過測量所述多個逆變器中的所述一個逆變器的逆變器功率因數(shù)偏差來獨立地檢測孤島。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的區(qū)域電力系統(tǒng)(32;32' ；32" ；32”’)，其中，所述保護繼電器被構(gòu)造成，通過檢測所述輸出的低頻狀態(tài)、過頻狀態(tài)、欠壓狀態(tài)以及過壓狀態(tài)中的若干個而檢測孤島。
22.根據(jù)權(quán)利要求17的區(qū)域電力系統(tǒng)(32;32' ；32" ；32”’)，其中，所述多個設(shè)備中的一個是被構(gòu)造成控制所述多個逆變器中的一個逆變器的逆變器控制器G6)；且其中，所述逆變器控制器還被構(gòu)造成，通過測量所述多個逆變器中的所述一個逆變器的逆變器功率因數(shù)偏差而檢測孤島。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的區(qū)域電力系統(tǒng)(32”’)，其中，所述逆變器控制器(46")還被構(gòu)造成將所述多個逆變器中的所述一個逆變器從并網(wǎng)運行模式切換到故意的孤島運行模式。
24.根據(jù)權(quán)利要求17的區(qū)域電力系統(tǒng)(32")，其中，由所述多個逆變器供電的所述輸出被構(gòu)造成用于與市電網(wǎng)并聯(lián)運行；且其中，所述多個直流電源選自能量存儲器、可再生能源以及不可再生能源。
25.根據(jù)權(quán)利要求17的區(qū)域電力系統(tǒng)(32")，其中，由所述多個逆變器供電的所述輸出被構(gòu)造成在市電網(wǎng)不存在時處于故意的孤島運行；且其中，所述多個直流電源選自能量存儲器、可再生能源以及不可再生能源。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過使用由多個逆變器進行受控無功功率注入檢測孤島的方法和區(qū)域電力系統(tǒng)。區(qū)域電力系統(tǒng)(32；32′；32″；32”’)包括多個直流電源(34)；與所述多個直流電源可操作地關(guān)聯(lián)的多個逆變器(36)。所述多個逆變器的每個逆變器構(gòu)造(58)成提供有功功率以及受控無功功率注入以檢測孤島。輸出(38)由所述多個逆變器供電。多個電氣開關(guān)裝置(48)構(gòu)造成將所述多個逆變器電氣連接到市電網(wǎng)(42)以及將所述多個逆變器從市電網(wǎng)(42)電氣斷開。多個設(shè)備(44；46)構(gòu)造成響應于輸出的交流頻率或電壓的多個變化而檢測相對于市電網(wǎng)的孤島。
文檔編號G01R19/00GK102170141SQ201010621540
公開日2011年8月31日 申請日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日
發(fā)明者A·普拉薩, R·P·佩普林斯基, U·穆哈斯卡爾, V·布哈瓦拉珠 申請人:伊頓公司