CN101777758A - 施加脉冲电流干扰的频率偏移孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

施加脉冲电流干扰的频率偏移孤岛检测方法，选用斩波率cf＝0.01的AFD法对公共耦合点的频率进行小幅度偏移；若检测到公共耦合点频率朝一个方向持续波动后，认为电网存在故障可能性，以在高速重合闸之前完成孤岛检测并断开并网为目标，施加合适周期的电流幅值干扰；一旦发现故障的可能性排除，撤销电流干扰；而当电压频率检测到超出OVP/UVP、OFP/UFP界限时，反孤岛保护动作。该方法能加快故障检测速度，缩小检测盲区，对电网的影响较小。采用这样的检测方法能很好地弥补两种方法单独使用时存在的不足，准确快速地判断出故障的发生，采取相应措施，为电网安全稳定可靠运行提供保障。

Description

施加脉冲电流干扰的频率偏移孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及的是施加脉冲电流干扰的频率偏移孤岛检测方法，是对传统的频率偏移(AFD)法的改进，属于太阳能光伏发电技术领域。

背景技术

随着经济的快速发展，世界各国对能源的需求急剧增加，能源消耗和环境保护成为了经济可持续发展的两大瓶颈，开发和利用可再生能源已成为全世界的共识。太阳能作为一种新兴绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广应用。从长远前景来看，光伏发电将是最具潜力的战略替代发电技术之一。太阳能光伏发电实现光能到电能的转换，电能可离网使用或并网输送，在传输、存储、使用等方面十分方便，极具优势。

光伏发电系统主要包括光伏电池、升压环节、逆变并网环节，其基本结构图如图1所示。逆变器并网运行存在着潜在危险——孤岛效应，即当电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时逆变器仍向电网传输电能，和本地负载形成一个公共电网系统无法控制的自给供电孤岛。孤岛现象的存在会危及到人身及设备的安全。因而，实际系统中逆变器并网必须要有完善的反孤岛保护措施，能快速准确地检测到电网发生故障，并及时切断逆变器的输出，以避免不必要的人员伤亡和财产损失。随着电力系统重合闸要求的不断提高，实际应用中对反孤岛保护的要求也越来越高。国际上已经先后制定针对孤岛效应防护的并网技术标准和具体的反孤岛测试电路，提出了不少孤岛效应检测的方法。

逆变器侧的孤岛检测方法，按是否人为施予扰动可分为被动(无源)检测和主动(有源)检测两种。被动式检测法监测公共耦合点电压的特征量，如幅值、频率、相位和谐波等，判断它们在电网故障前后是否发生变化，实现孤岛检测。此类方法的缺点是，当光伏系统输出功率与本地负载功率平衡时，孤岛效应很难检测到。具体方法有过/欠电压保护(OVP/UVP)检测、过/欠频率保护(OFP/UFP)检测、相位突变检测、电压谐波检测等。主动式检测法，通过控制逆变器的输出，在电网故障时使扰动快速累积并超出允许范围，从而触发反孤岛保护电路，实现孤岛检测。这类方法检测精度高，NDZ小，但会降低逆变器输出电能的质量。具体方法包括输出功率扰动法、输出电流/电压扰动法、主动频率偏移(AFD)法和滑动频率移相法等。

AFD法是目前研究较多的一种方法，该方法对逆变器输出电流I_inv加入零点时间t_z，其基本原理如图2所示。t_z与公共耦合点电压周期一半T_pcc/2的比值为斩波率cf，通过cf的施加，可以实现参考电流频率的变化，从而控制逆变器输出电流频率跟踪变化。图2所示对应cf为正值的情况，T_pcc/2大于T_inv/2，I_inv的频率增大；反之，cf为负值时，T_pcc/2小于T_inv/2，I_inv的频率减小。当市电存在时，受电网频率的钳制，公共耦合点(Point of Common Coupling，PCC)电压U_pcc的频率稳定；当电网故障时，逆变器输出电流产生扰动，U_pcc频率不断变化。实时监测系统一旦检测到频率达到过/欠频保护(OFP/UFP)频率动作阈值，孤岛保护装置动作，切断逆变器的输出。

cf取值的大小和极性关系到逆变器输出电流的THD、检测的时间和盲区。图3所示为cf与逆变器输出电流谐波THD的关系。为满足逆变器并网谐波限制要求，cf大小应控制在±5％以内。图4所示为采用Q_f0×C_norm法描述AFD法的NDZ，其中Q_f0、C_norm定义如式(1)、(2)所示

$Q_{f0}=\frac{R}{{\mathrm{\ω}}_{0}L}---\left(1\right)$

C_norm＝CLω₀                       (2)

其中，R、L、C分别为负载的电阻、电感和电容，ω₀为电网额定角频率。每一个cf值对应的两条边界曲线包围的区域即为该值对应的NDZ范围。从图4可以看到，增大cf值，将NDZ推往C_norm值较大的区域(容性负载对应区域)，推离实际电网系统(感性负载区域)的分布区间，即相对减小了NDZ。

对比图3可知，增大cf的绝对值将相应增大逆变器输出电流的THD。因此，NDZ和THD对cf取值来说是相互矛盾的。此外，当cf为正且负载为感性，或cf为负且负载为容性时，检测较快，否则检测所需要的时间会延长。为缓解几个量之间的矛盾，同时参照GB/19939的规定，本发明提出采用频率偏移技术为基本扰动工具，增加电流幅值偏移量来检测孤岛效应。

发明内容

技术问题：针对传统频率偏移孤岛检测法存在的不足，本发明提出在施加脉冲电流干扰的频率偏移孤岛检测方法，这样处理的优势在于这两种方法能相互取长补短，更准确地检测孤岛效应。

具体要求为：

(1)幅值干扰仅在电网可能故障的情况施加；

(2)逆变器并网时尽量减少对电网的影响；

(3)任何时刻电网故障，系统都能在自动重合闸时间0.3s内快速准确地检测到孤岛效应的发生。

技术方案：电流干扰法作为一种独立的孤岛检测方法已有不少研究，其基本原理为：当逆变器正常并网时公共耦合点的电压为电网电压，而当电网发生故障时此电压大小取决于逆变器输出电流和本地负载。因此，通过控制逆变器输出电流的幅值就能控制故障时公共耦合点的电压，再结合过/欠压检测，就能判断孤岛效应的发生。

本发明的施加脉冲电流干扰的频率偏移孤岛检测方法包括：

步骤一：不管电网正常与否都采用传统的频率偏移法进行孤岛效应的检测和防护，频率偏移为0＜|cf|＜0.03的小幅度偏移，逆变器输出电流的幅值控制在1p.u.；

步骤二：取电压频率监测系统检测到公共耦合点频率持续朝同一方向变化超过两个电压周波的时刻点作为施加电流幅值干扰信号的时刻点，施加的干扰信号是一个以T为干扰周期，占空比为75％的方波信号，且该方波的最大值为1p.u.，最小值为0.2p.u.；

步骤三：当检测到公共耦合点的电压降到额定值的一半以下，且时间超过两个电压周波时，认为孤岛效应发生，停止逆变器输出；若检测到公共耦合点电压波动小于额定值一半，且该点的频率又恢复了正常值，则撤销电流幅值的干扰，逆变器输出电流的幅值还原为1p.u.。

电流幅值干扰时刻点的选取以及干扰周期T的选取方法为：若高速重合闸动作时间为t_r，公共耦合点电压周波时间为

为保证任意时刻的故障都能在高速重合闸之前检测到，按照下式计算所得T的范围选择干扰周期，

$8T_{U_{\mathrm{pcc}}}<T<\frac{4}{5}{t}_r-\frac{2}{5}{T}_{U_{\mathrm{pcc}}}.$

有益效果：本发明所提出的施加脉冲电流干扰的频率偏移孤岛检测方法，能很好的弥补主动频率偏移(AFD)法和电流幅值干扰法两种方法单独使用存在的不足。若单纯使用AFD法，由前面分析可知，很难均衡cf取值对THD、NDZ以及检测时间的影响。实际中往往要求优先考虑谐波畸变率因素，因此，为保证谐波畸变率较小而选择cf＝0.01进行验证，为电网的故障可能性提供判断依据。而由单周期偏移幅度较小产生的与电网故障检测快速性要求相悖的缺点，通过本发明提出的施加脉冲电流幅值干扰来弥补，使之满足高速重合闸的要求。若单纯使用传统的电流幅值干扰法，即对电网情况不采取任何判断，就对电流施加脉冲式的幅值干扰，虽然不存在检测盲区，但对正常运行电网的电能质量影响很大；稍加改进的电流干扰法，在过/欠压保护检测到U_pcc在(88％～110％)范围之外时，施加电流幅值干扰，虽然改善了前者对电能质量的影响，但在光伏输出与负载功率匹配的情况下失效。

本发明提出的两者配合使用，在保证谐波输出满足要求的前提下，相互矛盾的AFD输出THD和检测的NDZ以及快速性问题可以通过电流干扰法改进，用本发明所述电流干扰施加时间选取方法，能确保在高速重合闸之前检测到孤岛效应的发生，保证了检测快速性，而NDZ减小至仅在负载与逆变器输出无功匹配时存在的情况。相比传统电流干扰法，由于增加了频率是否持续变化以及电压是否变化过大的判断，本发明所述方法会根据判断结果作出施加或者撤销电流干扰的命令，在疑似故障的情况下避免不必要的动作，减小了对电网正常运行的影响；同时，在逆变器输出和负载有功匹配的情况下也能实现检测。

另外，本发明与基于主动频率偏移的孤岛效应检测方法及其装置(中国发明专利，申请号：200710025311.3)相比，具有下述特点：

1)检测快速性好。基于主动频率偏移的孤岛效应检测方法及其装置(中国发明专利，申请号：200710025311.3)斩波率的施加有间歇性，且开通时间(即斩波率作用时间)T_on小于关断时间(即斩波率停止作用时间)T_off，会相对影响检测的速度。本发明在发现存在电网故障可能性的情况下采用电流幅值干扰来加快检测速度，设计时选择了合理的干扰周期，性能优越于主动频率偏移的孤岛效应检测方法及其装置(中国发明专利，申请号：200710025311.3)。

2)对电网的影响小。基于主动频率偏移的孤岛效应检测方法及其装置(中国发明专利，申请号：200710025311.3)中斩波率|cf|＝0.05，由图3知，短时THD达到5％，对电网影响较大。本发明0＜|cf|＜0.03，THD＜3％，谐波畸变率影响小于基于主动频率偏移的孤岛效应检测方法及其装置(中国发明专利，申请号：200710025311.3)，而电流幅值干扰在非故障情况下很快撤销，对电网正常运行带来的影响能快速消除。

附图说明

图1为光伏系统基本结构图，

图2为AFD法的基本原理图，

图3为cf与THD关系图，

图4为AFD法检测盲区图，

图5为施加电流干扰的AFD法孤岛检测流程图，

图6为电流幅值控制信号图，

图7为孤岛检测总结构图。

具体实施方式

本发明选择适时施加电流幅值干扰来改善传统的频率偏移法，其控制和检测的基本流程图如图5所示。首先，频率偏移法对逆变器输出电流施以改变频率的小扰动，使电网故障时PCC点的频率有别于正常情况；考虑到对电网的谐波影响，进一步优化时以THD＜3％为目标，则由图3可知cf取值范围为(0，0.03)。本发明取cf＝0.01进行验证。其次，一旦频率监测系统检测到PCC点的频率持续向一个方向变化时，认为存在电网故障的可能，施加能快速确定故障可能性的电流幅值干扰信号如图6所示。最后，若电压监测系统检测到PCC点连续两个周波电压幅值低于0.5p.u.，则认为故障发生，否则，认为可能存在大电机负载或其他因素造成的电网暂时性波动，解除电流幅值干扰，将对电网的影响降到最低。孤岛发生时，OFP/UFP、OVP/UVP总有一个会动作，保证了快速准确检测和较小的谐波影响。又按照并网同步要求规定，正常工作时光伏并网系统输出电压的幅值应与电网相同，考虑施加电流幅值干扰时，对电网的影响越小越好，即干扰越少越好，因此该方法使用的关键在于幅值干扰施加时间的选取。

由图5可知，当检测到一段时间内频率向同一方向持续变化时，认为故障可能已发生，这时施加电流干扰，控制电流幅值I_m的信号从恒为1p.u.切换为如图6所示信号。

设该信号周期为T，一个周期内T_injection时间电流幅值为最小值0.2p.u.，其它时间为最大值1p.u.。根据表1并网系统电压频率异常响应时间，电压幅值减至一半以下时，2个周波后反孤岛保护才动作，所以T_injection时间应大于2倍公共耦合点电压周波时间

即

$T_{\mathrm{injection}}=\frac{1}{4}T>{2T}_{U_{\mathrm{pcc}}}---\left(3\right)$

同时，考虑检测时间最长的情况。设故障时间点在图6信号下降沿之前t₁时刻，而检测到频率向同一个方向变化从而控制电流幅值切换的时间点位于T_injection时间范围内的t₂时刻，且接下来2个周波内该控制信号已越过上升沿，反孤岛保护未动作。这种情况下，保护动作发生在下一个T_injection时间内t₃时刻。显然，这种情况下，从故障发生到检测到故障所需的时间t_d必须满足

$t_d=\frac{5}{4}T+{2T}_{U_{\mathrm{pcc}}}<0.3s---\left(4\right)$

而由表1得

$T_{U_{\mathrm{pcc}}}\&Element;(\frac{1}{50.5},\frac{1}{49.5})s---\left(5\right)$

将式(5)代入式(3)、(4)，选择T＝0.2s，能保证任何时间点断网，系统都能在高(快)速重合闸动作之前检测到孤岛发生。

图7所示为孤岛检测的总结构图，逆变器输出电流经滤波器滤波并网供电，公共耦合点电压经锁相环(PLL)获得频率、相位等信息，这些信息施加偏移后作为逆变器输出电流的参考信号。采用本发明所述方法检测孤岛现象的发生，实时监测公共耦合点的电压、频率，一旦达到OVP/UVP、OFP/UFP保护阈值，系统采取保护动作。

再根据图5所示流程图，本发明孤岛效应检测时的步骤如下：

1.采用AFD法施加公共耦合点的频率偏移，取cf＝0.01，这样对电网产生的谐波干扰约为1％；同时逆变器输出电流参考信号的幅值控制信号恒为1p.u.；频率、电压监测系统实时运行。

2.当频率监测系统检测到PCC点频率变动较大(大于0.05Hz，约为cf＝0.01产生的单周期频率偏移)，且持续同一方向变动超过两个电压周波，表示电网失去了稳定，存在故障的可能，此时将幅值控制信号换为图6所示(0.2s为干扰周期，T_injection时间大于两个电压周波)，即施加周期性电流干扰。

3.按光伏系统并网规范要求，一旦实时监测到频率在额定值上下波动±5％的范围外，开始周期计数，当超过5个周波时间，OFP/UFP动作，停止逆变器输出；一旦实时监测到的电压在额定值的一半以下时，开始周期计数，当超过2个周波时间，OVP/UVP动作，停止逆变器输出。否则继续监测。

4.若频率的变化仅出于电网暂时性的波动，公共耦合点的频率一段时间内回复到正常值，或者电流幅值干扰施加后两个电压周波时间内并未出现电压大幅度下降，未至0.5p.u.以下，一旦电压频率监测系统发现这一情况，将电流幅值控制信号又还原为恒为1p.u.的信号，即关闭电流的干扰，AFD照常施加频率扰动便于监测。

孤岛发生时，OFP/UFP、OVP/UVP总有一个会动作。

            表1 并网系统电压频率异常响应时间

Claims (2)

1.一种施加脉冲电流干扰的频率偏移孤岛检测方法，其特征在于该方法包括：

步骤一：不管电网正常与否都采用传统的频率偏移法进行孤岛效应的检测和防护，频率偏移为0＜|cf|＜0.03的小幅度偏移，逆变器输出电流的幅值控制在1p.u.；

步骤二：取电压频率监测系统检测到公共耦合点频率持续朝同一方向变化超过两个电压周波的时刻点作为施加电流幅值干扰信号的时刻点，施加的干扰信号是一个以T为干扰周期，占空比为75％的方波信号，且该方波的最大值为1p.u.，最小值为0.2p.u.；

步骤三：当检测到公共耦合点的电压降到额定值的一半以下，且时间超过两个电压周波时，认为孤岛效应发生，停止逆变器输出；若检测到公共耦合点电压波动小于额定值一半，且该点的频率又恢复了正常值，则撤销电流幅值的干扰，逆变器输出电流的幅值还原为1p.u.。

2.根据权利要求1所述的施加脉冲电流干扰的频率偏移孤岛检测方法，其特征在于电流幅值干扰时刻点的选取以及干扰周期T的选取方法为：若高速重合闸动作时间为t_r，公共耦合点电压周波时间为为保证任意时刻的故障都能在高速重合闸之前检测到，按照下式计算所得T的范围选择干扰周期，

${8T}_{U_{\mathrm{pcc}}}<T<\frac{4}{5}{t}_r-\frac{2}{5}{T}_{U_{\mathrm{pcc}}}.$

Images