CN101488664A - 一种基于输出电流频率扰动的抗孤岛效应保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于输出电流频率扰动的抗孤岛效应保护方法，包括两种减小传统频率扰动方法的检测盲区的方法，一是加大频率扰动的周期，采用此方法可以用相对较小的频率扰动幅度，在保证电流波形质量基础上进一步提高孤岛检测的性能。另一个方法采用间歇性频率扰动的方法，插入不施加扰动的时段，此时段内系统工作频率为负载的谐振频率，系统根据谐振频率与特定的频率基值比较的结果来确定扰动的方向。是本发明可以有效的提高孤岛检测的可靠性，减少进入电网的电流谐波含量，进而提高了并网发电系统的安全性能并改善了并网电流的质量。

Description

一种基于输出电流频率扰动的抗孤岛效应保护方法

技术领域：

本发明专利涉及并网发电系统中逆变器的控制方法，尤其涉及一种基于输出电流频率扰动的抗孤岛效应保护方法。

背景技术：

分布式并网发电是将太阳能、风能等新能源的能量转化为电力，并通过并网逆变器将电力送入常规电网的新能源利用模式。并网逆变器是并网发电系统中技术含量较高的关键部件，其作用是将直流电能转化与电网频率和相位同步的正弦电流，成为可输入电网的高品质交流电能。从安全角度考虑，并网逆变器必须具备抗孤岛运行保护的功能。(注：在并网发电系统正常运行状态下，电网断电后如果逆变器检测不到电网的断电状态，仍向本地负载提供电流，这种运行状态就称为孤岛运行)。

由于在孤岛运行模式下，并网发电系统继续向已与电力公司的配电网断开的电力线供电，这不但会影响电能质量，进而导致用电设备损害，严重时还会危及维护检修人员的生命安全。因此，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现实意义。

现有的抗孤岛保护方法主要有被动检测法和主动检测法。

一般情况下，本地负载与并网逆变器的输出功率是不匹配的，市电掉电时，逆变器输出电压的幅度和频率或者电压电流的谐波都会有突然变化，被动检测法通过监测这些电量的突变来检测孤岛效应。在负载容量与逆变器输出功率相当情况下，电网断电前后逆变器输出端的电压和频率可能都不会有较大变化，处于正常工作范围之内，被动方法就会失效。所以，为确保系统的安全性，一般采用主动施加扰动的方法结合被动检测方法实现孤岛效应的检测与保护。

并网逆变器采用电流控制模式，输出电流跟踪电网电压的频率和相位，可认为是受控交流电流源，它有三个要素可以被控制，即其峰值、频率和相位。主动扰动的方法一般是基于这三个要素施加扰动的，分别对应于有功、频率和无功扰动三种主动扰动方法。其中，频率扰动是较为常用的一种孤岛检测方法，它通过对输出电流的频率施加扰动来进行孤岛效应检测：逆变器检测电网电压的频率，稍微放大或缩小后作为输出电流频率的给定信号，从而使输出电流频率偏移电网电压频率，造成输出电压、电流存在相位偏移，孤岛情况下，该相位偏移会被系统内部的锁相电路检测到，从而影响频率检测值，在此基础上施加新的频率扰动，便可使系统工作频率逐步偏移，直至超出频率工作范围，最终触发频率保护动作，由此实现孤岛效应检测。

频率扰动方法在特定的负载条件下可能失去扰动效果，其检测失败的原因是：孤岛运行情况下，逆变器的交流输出端的电压由逆变器输出电流和负载阻抗特性共同决定，电压与电流之间的相位差取决于负载阻抗角，特定负载和频率扰动策略下，负载阻抗角造成的相位差抵消了频率扰动相位偏移作用，系统频率无法持续偏移，逆变器与负载就形成了一个相对稳定的系统。

对于特定的频率扰动策略，如果某个特定的负载使孤岛检测失败，检测盲区的大小是由频率扰动幅度的大小和扰动施加的策略决定的。对于常规的频率偏移检测方法，在系统正常运行情况下，由于频率扰动的施加，电流频率与电网电压频率存在一定偏差，系统输出电流波形为过零点存在畸变的正弦波形，频率扰动幅度愈大，电流波形受到的影响愈大，输出电能质量越差。并网发电系统对电流波形质量的要求决定了频率扰动幅度不能取的太大，而要获得更小的检测盲区，又需要适当大的频率扰动幅度，这是一对矛盾。要获得更好的检测效果和相对较高的电流波形质量，需要从新的角度来改进频率扰动的策略。本发明的研究表明，对于特定的频率扰动幅度，检测盲区的大小是由频率扰动的方向、频率保护上限和下限等因素共同决定的，系统要根据负载的特性来确定频率扰动的方向，这样才能获得最小的检测盲区。常规频率扰动方法的工作模式是根据频率检测结果来确定扰动的方向，频率扰动的初始方向一般由电网断电前的系统工作频率决定，这无法确保正确的扰动方向，也就无法获得特定频率扰动幅度下的最佳检测效果。

发明内容：

本发明的目的是针对频率扰动法孤岛效应检测方法存在的缺陷，提供一种基于输出电流频率扰动的抗孤岛效应保护方法。该方法通过两种途径来减小检测盲区：一是加大频率扰动的周期，二是根据负载的谐振频率确定频率扰动的方向。

方法一：

由于传统频率扰动方法的频率检测和扰动周期为半个工频周期，本方案把频率扰动周期由常规的半个工频周期加大到一个或多个工频周期，从而通过增大频率扰动周期，可以以相对较小的频率扰动幅度，在保证波形质量的基础上大大减小检测盲区。此外，同传统频率扰动方法相比，在检测效果相当的基础上，提高了输出电流的波形质量。

需要注意的是，这里通过加大频率扰动的周期来增加扰动，而不是单纯的增大扰动幅度，从而既减小了检测盲区又确保了波形质量。

方法二：

本方案首先要明确频率保护限、扰动方向与检测盲区的关系：

由于特定频率扰动幅度下，检测盲区的大小是由频率扰动的策略决定的，根据频率保护上限和下限，确定频率范围的中心频率。由此根据检测频率偏移中心频率的方向，确定频率的扰动方向，便可以获得最小的检测盲区。

实施时：在连续的频率扰动之间插入一个不施加扰动的时段，孤岛情况下，此段时间内的系统工作频率为负载的谐振频率，据此确定频率扰动的方向，可以减小孤岛效应的检测盲区。

然后，进行负载谐振频率的检测：系统要根据负载的谐振频率偏移中心频率的方向来确定频率扰动的方向。

由于传统频率扰动方法扰动是连续施加的，系统的工作频率在扰动下偏移负载谐振频率，无法获得准确的频率信息。所以采用间歇性频率扰动的方法，在不施加频率扰动的时段内检测系统工作频率，可以获得准确的负载谐振频率。

上述方案中选择(fmin+fmax)/2作为频率比较的基准，由于各国电网的客观差别，频率保护上下限常常不同，如澳大利亚标准AS4777要求fmin＝45HZ，fmax＝55HZ，IEEE1547和UL1741要求fmin＝59.3HZ，fmax＝60.5HZ，德标VDE0126要求fmin＝47.5HZ，fmax＝50.2HZ，这使得传统选择基准的方法变得不适用，因此本发明选择(fmin+fmax)/2作为比较的基准，而不是以系统的额定频率作为施加方向判断的基准，更为科学。

另外，在两次扰动期间插入不施加扰动的时段，检测该时段内频率的平均值，获得负载的谐振频率，与(fmin+fmax)/2作比较，以确定下一次扰动的方向。

当电网断开时，系统自动工作在负载的谐振频率上，此时测量到的系统工作频率，若小于fmin或大于fmax，则无需再施加扰动，系统自可检测出孤岛；若负载的谐振频率在区间[fmin，(fmin+fmax)/2]上，则对系统施加令频率继续减小的扰动，直至系统工作频率低于fmin，被检测到孤岛；若负载的谐振频率在区间[(fmin+fmax)/2，fmax]上，则对系统施加令频率继续增大的扰动，直至系统工作频率高于fmax，被检测出孤岛，从而有效减小了传统频率扰动方法的检测盲区。

本发明方法的有益效果如下；

与传统频率扰动方法相比，本发明一方面提高了孤岛检测的效果，另一方面降低了注入电网的谐波，提高了并网电流的波形质量；该方法简单可行，只需对控制程序加以修改，而不需要增加额外的检测或控制环节，在谐振负载的严峻情况下也能确保检测出孤岛的概率大大提高，在同样的孤岛检测效果情况下，可减小电流谐波，有效的提高输出电流的波形质量。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明中实验用逆变器样机的电路结构示意图；

图2为RLC并联谐振负载Gz(s)的频率特性曲线；

图3为频率扰动周期为半个工频周期下孤岛模式下电压、电流波形示意图；

图4是孤岛检测盲区示意图；

图5为频率扰动周期为3个工频周期下孤岛模式下电压、电流波形示意图；

图6是半个工频周期施加一次扰动的电流波形及其付利叶分析示意图；

图7是3个工频周期施加一次扰动的电流波形及其付利叶分析示意图；

图8是电网存在条件下并网实验波形示意图；

图9是电网断电后孤岛检测实验结果波形示意图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明方法主要从频率扰动幅度、周期对并网电流波形质量的影响、检测盲区的大小与扰动策略的关系以及如何根据负载的特性来确定频率扰动方向三个角度来说明本发明的特点与检测效果。

以下为根据本发明技术方案的具体实现原理和过程：

(一)孤岛模式下RLC并联谐振负载对输出电流的响应；

并网逆变器的抗孤岛效应保护功能一般采用与逆变器输出功率相当，谐振频率等于系统额定频率的RLC并联平衡负载来考核，负载的品质因数Q_f＝R(C/L)^1/2，谐振频率f_r＝1/(2π(LC)^1/2)，系统工作频率为f时负载阻抗角

可表示为

图1所示为本发明实验样机的电路结构图。K₁为逆变器并网开关，K₂为电网供电开关，本地负载为RLC并联谐振负载。V_d为直流母线电压，v_a为逆变器输出电压，e_a为逆变器交流输出端电压。逆变器采用电流控制模式，对电感电流i₁闭环控制，使其跟踪给定电流信号i_r。k_if为电流反馈系数。L₁C_fL₂为输出滤波网络，i₂为并网电流。在频率扰动情况下，输出电流i₂为过零点存在畸变的正弦波形，它主要包含基波成分和低频谐波成分。

孤岛运行情况下，输出端电压e_a由逆变器输出电流i₂和负载阻抗特性决定。对于RLC负载，逆变器输出电流到输出电压的传递函数为：

$G_Z\left(s\right)=Z_{\mathrm{RLC}}=\frac{e_a\left(s\right)}{i_2\left(s\right)}=\frac{\mathrm{sRL}}{s^2\mathrm{RLC}+\mathrm{sL}+R}---\left(2\right)$

图2所示为(26.45Ω，84.2mH，120.3uF)和(26.45Ω，33.7mH，300.9uF)负载情况下G_z(s)的频率特性曲线，两种情况下负载品质因数分别为1和2.5，负载谐振频率为50Hz，在230V/50Hz电网系统内，负载有功功率为2kW。由G_z(s)的频率特性曲线可知，谐振频率点ω_r处，传递函数G_z(s)的幅频响应具有最大值，也就是说，负载对基波电流有较大的放大作用，放大作用随电流谐波次数的增加而减小；由相位响应曲线可知，在ω_r处相差为零，偏离ω_r越远，则相位差越大。由G_z(s)的频率特性曲线可知：(1)系统工作频率稍稍偏移谐振频率点，不会引起电压明显的变化；(2)工作频率偏移谐振频率，会造成电压和电流间出现相位差；(3)负载品质因数越大，对谐波电流的放大作用越小，频率偏移谐振频率造成的相位差越大。

(二)检测盲区分析和扰动方法改进；

RLC负载对谐波电流的放大作用较弱，可以以负载对逆变器输出电流基波分量的响应来判断频率扰动方法的孤岛检测效果。传统频率扰动方法每工频周期施加两次扰动，图3所示为施加正向频率扰动孤岛情况下负载电压、电流(标么值，以电压电流的有效值为基值)之间的相位关系。系统工作频率f_is为输出电流的基波i_f的频率，负载阻抗角决定了基波电流和负载电压间的相位差，孤岛形成的原因是负载阻抗角抵消了频率扰动造成的相位扰动。有f_is＝1/T，电流给定信号的频率f_i＝1/T_i，频率扰动量Δf＝(1/T_i-1/T)，

为电流相对于电压的相位角。由电压、电流相位关系可得，

相位角

由负载阻抗角决定，有

对于特定的负载和频率扰动幅度，由(4)式可得系统的孤岛频率f_is。系统频率工作范围为[f_min，f_max]，则对于特定的谐振负载(f_r，Q_f)和频率扰动量Δf，若f_min<f_is<f_max，则可判定该谐振负载位于检测盲区内，否则位于可检测区内。以50Hz的系统为例，取频率下限f_min为49.5Hz，上限f_max为50.5Hz。如图4所示，取Δf为1Hz，并令f_is等于50.5Hz，可得曲线1，其左上侧区域为不可检测区，若取Δf为-1Hz，并令f_is等于49.5Hz，可得曲线2，其右上侧区域为不可检测区。

由(4)式可知，频率扰动幅度、扰动策略和频率保护限决定了检测盲区的大小。对于谐振频率点位于频率工作范围中心点((f_min+f_max)/2)右侧的谐振负载，应施加正向的频率扰动，而对左侧的谐振负载，应施加负向的频率扰动，这样才能获得特定频率扰动幅度下最小的孤岛效应检测盲区。

要获得最小的检测盲区，需要检测负载的谐振频率。传统频率扰动方法的扰动是连续施加的，无法得到准确的负载频率，为克服该缺点，获得最佳的检测效果，即得到最小的检测盲区，本发明采用间歇性频率扰动策略，在频率扰动操作过程中插入不施加频率扰动的时段，在此时段内，孤岛运行情况下的工作频率就是负载的谐振频率，根据此时段的频率检测结果，确定下一步频率扰动的方向。采用此方法，负载的谐振频率决定了频率扰动的方向，由此可以得到最小的检测盲区，理想情况下，频率扰动方法的最小不可检测区为曲线1的左上侧和曲线2的右上侧区域的重叠部分，如图4中阴影部分所示。

由图4可知，对于谐振频率为50Hz的负载，其品质因数超过1.7左右就进入检测盲区。要进一步减小孤岛检测的盲区，一种选择是加大频率扰动的幅度，但这是以牺牲电流波形质量为代价的。本发明采用另一种方法，通过加大频率扰动的周期，即把频率扰动周期由常规的半个工频周期加大到一个或多个工频周期。图5所示为频率扰动的周期为3个工频周期情况下的波形示意图。由图4所示的相位关系可得，

与(3)式相对比，若扰动周期为3个工频周期，采用1/6的频率扰动幅度，就可以达到传统频率扰动方法同样的检测效果。下述表1所示为不同扰动幅度下两种方法仿真所得输出电流的THD，在检测效果等效的基础上，可以得到更好的电流波形质量。

表1 频率扰动幅度与并网电流THD

以频率扰动周期为半个工频周期、Δf＝1.5Hz和频率扰动周期为3个工频周期、Δf＝0.25Hz为例，对输出波形做傅立叶分析，分析结果见图6和图7。

(三)实验结果；

以一台3kW(230V，50Hz)并网逆变器样机进行孤岛效应检测实验。逆变器开关频率为18kHz，频率检测与锁相控制采用DSP捕捉端口，电网电压通过零点检测电路获得方波信号，捕获端口捕获方波信号的上升沿，两次上升沿之间所计时间为一个工频周期。频率检测及扰动由一个计数器控制，捕获端口每进入一次中断，计数器便加1，计数器等于1时计算电压周期并送入寄存器，当计数器等于3时复位为零，同时从寄存器读取电网周期并计算频率，根据扰动方向适当增大或减小后作为电流的给定频率。

图8为电网存在条件下并网实验波形，模拟电网由20kW调频调压交流电源和5kW阻性负载组成。频率扰动幅度为0.27Hz。由于每三个工频周期施加一次频率扰动，电流波形相应出现一次畸变。图9为孤岛效应检测实验结果。电网电压为230V，频率为50Hz，逆变器恒电流输出，输出功率2.3kW，功率因数为0.996。RLC并联负载中电阻为23Ω，电容为318μF，电感为31.8mH，负载谐振频率为50Hz，品质因数Q_f为2.3。电感和电容的无功功率为5.3kVA，负载吸收的有功功率为2.3kW，孤岛保护时间约为120ms。

间歇性频率扰动的实现方法：相关标准一般要求孤岛检测时间为2s，这里取单次扰动的大周期为1s，其中的300ms时段内频率不施加扰动，该时段内频率检测的(约15个工频周期)平均值作为扰动方向判断的基准，剩余的700ms内对频率施加扰动。孤岛运行情况下，在不施加频率扰动时系统的工作频率等于负载的谐振频率，也就是说谐振频率位于频率工作范围之外的谐振负载在不施加频率扰动时段内会被频率保护(过频/欠频)检测出来，而谐振频率位于频率工作范围之内的负载需要施加频率扰动来检测。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1、一种基于输出电流频率扰动的抗孤岛效应保护方法，其特征在于，在传统频率扰动方法基础上把频率扰动周期由常规的半个工频周期加大到一个或多个工频周期，利用增大频率扰动周期，以相对较小的频率扰动幅度，在保证波形质量的基础上大大减小检测盲区，并提高输出电流的波形质量。

2、一种基于输出电流频率扰动的抗孤岛效应保护方法，其特征在于，在连续的频率扰动之间插入一个不施加扰动的时段，孤岛情况下，此段时间内的系统工作频率为负载的谐振频率，据此确定频率扰动的方向，可以减小孤岛效应的检测盲区。同时采用间歇性频率扰动的方法，在不施加频率扰动的时段内检测系统工作频率，可以获得准确的负载谐振频率。

3、根据权利要求2的抗孤岛效应保护方法，其特征在于，所述方案中选择(fmin+fmax)/2作为频率比较的基准。

4、根据权利要求2的抗孤岛效应保护方法，其特征在于，所述方案中在两次扰动期间插入不施加扰动的时段，检测该时段内频率的平均值，获得负载的谐振频率，与(fmin+fmax)/2作比较，以确定下一次扰动的方向。

5、根据权利要求2的抗孤岛效应保护方法，其特征在于，所述方案中当电网断开时，系统自动工作在负载的谐振频率上，此时测量到的系统工作频率，若小于fmin或大于fmax，则无需再施加扰动，系统自可检测出孤岛；若负载的谐振频率在区间[fmin，(fmin+fmax)/2]上，则对系统施加令频率继续减小的扰动，直至系统工作频率低于fmin，被检测到孤岛；若负载的谐振频率在区间[(fmin+fmax)/2，fmax]上，则对系统施加令频率继续增大的扰动，直至系统工作频率高于fmax，被检测出孤岛，从而有效减小了传统频率扰动方法的检测盲区。

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