CN102420435A - 并网光伏发电系统的自适应孤岛检测方法 - Google Patents

并网光伏发电系统的自适应孤岛检测方法 Download PDF

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夏泽中
邓燕妮
唐爱红
陈跃鹏
李向舜
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Abstract

本发明公开了一种并网光伏发电系统孤岛的自适应检测方法，包括步骤：(1)判断并网点电压有效值是否达到保护阈值，若是，输出启动孤岛保护信号，否则，进入步骤(2)；(2)计算与并网逆变器输出功率成正比的正反馈系数；(3)将并网点电压有效值与并网点电压额定值之差与正反馈系数的乘积作为扰动量施加给并网逆变器输出电流给定的幅值分量；(4)根据并网点的电压频率、电压相位以及所述并网逆变器的输出电流给定的幅值确定并网逆变器的输出电流给定信号；(5)对并网逆变器的输出电流给定值与并网逆变器实际输出电流值的差值进行调节并控制并网逆变器，再返回步骤(1)。本发明能有效保障孤岛检测的成功率，减少孤岛检测的扰动对并网光伏发电系统的稳定性及最大功率跟踪效果的影响。

Description

并网光伏发电系统的自适应孤岛检测方法
技术领域
本发明涉及并网光伏发电系统领域，尤其涉及一种并网光伏发电系统的孤岛检测方法。
背景技术
日益严峻的能源危机催生了新能源开发利用的热潮，光伏发电作为一种优秀的可再生能源备受关注。如图1所示，并网光伏发电系统主要包括太阳能电池组件10、直流升压变换器20、并网逆变器30、公共电网40以及负载50。工作时，直流升压变换器20将太阳能电池组件10输出的低压直流变换成稳定的高压直流，并网逆变器30将稳定的高压直流逆变成与公共电网40同频同相的正弦交流电并入公共电网40，并为负载50提供电能。在并网光伏发电系统的实际运行过程中，公共电网40会由于电气现象或自然因素等原因中断供电，若此时，太阳能电池组件10仍然向公共电网40停电区的部分线路供电，则形成一个电力公司无法控制的自给供电孤岛。当并网光伏发电系统处于孤岛运行状态时，会产生一系列的安全隐患，例如：(1)公共电网40断电后，电气维护人员进入停电区作业，如果此时太阳能电池组件10继续供电，可能导致作业人员不慎接触带电体，而引发人身伤亡；(2)当公共电网40供电中断后恢复供电时，如果公共电网40与孤岛中的相位(或频率)不同步，将产生大的冲击电流，会毁坏相关装置，或引发更长时间的电力中断。因而，孤岛检测是并网光伏发电系统的一个必备的功能。
目前，孤岛检测方法有很多，电压正反馈孤岛检测方法是其中的一种。如图2所示，传统的电压正反馈孤岛检测方法主要包括以下步骤：
步骤S101，检测并网点的电压有效值；
步骤S102，判断并网点的电压有效值是否达到保护阈值，若达到，进入步骤S106，否则，进入步骤S103；
步骤S103，将上一周期并网点的电压有效值与并网点的电压额定值的差值与第四常数的乘积作为扰动量施加给所述并网逆变器的输出电流给定幅值分量；
步骤S104，根据检测到的并网点的电压频率和电压相位产生同频率同相位的标准正弦波，并根据所述标准正弦波以及所述并网逆变器的输出电流给定的幅值，确定并网逆变器的输出电流给定信号；
步骤S105，对并网逆变器的输出电流给定值与并网逆变器的实际输出电流值的差值进行调节并控制并网逆变器30，再返回步骤S101；
步骤S106，输出启动孤岛保护信号。
其中，并网点的电压额定值为220伏，所述保护阈值与并网点的电压额定值的偏差限值为并网点的电压额定值的±7％。所述第四常数为正反馈系数。
然而，由于传统的电压正反馈孤岛检测方法中的所述正反馈系数的大小是设计人员经过实验得到的经验值，若该正反馈系数的取值偏小，则会导致孤岛检测的失败，若该正反馈系数的取值偏大，则会影响并网光伏发电系统的最大功率跟踪效果，而不能有效利用太阳能，有时甚至会引发并网光伏发电系统的不稳定。
因此，有必要提供一种并网光伏发电系统的自适应孤岛检测方法来克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种并网光伏发电系统的自适应孤岛检测方法，能实时更新正反馈系数，从而有效保障孤岛检测的成功率，并最大限度地减少孤岛检测过程中施加的扰动对并网光伏发电系统的稳定性及最大功率跟踪效果的影响。
为了实现上述目的，本发明提供了并网光伏发电系统的自适应孤岛检测方法，包括如下步骤：(1)检测并网点的电压有效值，判断所述并网点的所述电压有效值是否达到保护阈值，若达到，输出启动孤岛保护信号，否则，进入步骤(2)；(2)计算上一周期并网逆变器的输出功率，并根据所述并网逆变器的所述输出功率计算与所述并网逆变器的所述输出功率成正比的正反馈系数；(3)将所述并网点的所述电压有效值与所述并网点的电压额定值之差与所述正反馈系数的乘积作为扰动量施加给所述并网逆变器的输出电流给定幅值分量；(4)根据并网点的电压频率、电压相位以及所述并网逆变器的输出电流给定的幅值，确定所述并网逆变器的所述输出电流给定信号；(5)对所述并网逆变器的所述输出电流给定值与所述并网逆变器的实际输出电流值的差值进行调节并控制所述并网逆变器，再返回步骤(1)。
较佳地，所述步骤(2)中计算并网逆变器的输出功率具体为：分别检测所述并网逆变器的输出电流和输出电压，并计算所述并网逆变器的所述输出电流和所述输出电压的乘积得到所述并网逆变器的所述输出功率。
较佳地，所述正反馈系数为第一常数与上一周期的所述并网逆变器的所述输出功率的乘积值，所述第一常数的取值范围为3×10-5～-3×10-4。
较佳地，所述正反馈系数为第二常数与上一周期的所述并网逆变器的所述输出电流给定幅值的乘积值，所述第二常数的取值范围为1/220～1/22。
较佳地，所述正反馈系数为第三常数乘以上一周期的所述并网逆变器的所述输出电流给定幅值与上一周期的所述并网点的所述电压有效值的比值，所述第三常数的取值范围为1～10。
与现有技术相比，由于本发明中的正反馈系数与并网逆变器的输出功率成正比，因而正反馈系数可随并网逆变器的输出功率的变化而自动变化，而由正反馈系数决定的扰动量也可根据并网逆变器的输出功率的变化而自动调整，从而有效保障了孤岛检测的成功率，并最大限度地减少孤岛检测过程中施加的扰动对并网光伏发电系统的稳定性及最大功率跟踪效果的影响。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为并网光伏发电系统的结构框图。
图2为传统的电压正反馈孤岛检测方法的流程图。
图3为本发明并网光伏发电系统的自适应孤岛检测方法的实现框图。
图4为本发明第一实施例的流程图。
图5为并网逆变器的输出功率为3KW，第四常数为0.08时，孤岛发生后，采用传统的电压正反馈孤岛检测方法得到的并网点电压有效值的仿真波形图。
图6为并网逆变器输出功率为3KW，第四常数为0.088时，孤岛发生后，采用传统的电压正反馈孤岛检测方法得到的并网点电压有效值的仿真波形图。
图7为并网逆变器输出功率为6KW，第四常数为0.088时，孤岛发生后，采用传统的电压正反馈孤岛检测方法得到的并网点电压有效值的仿真波形图。
图8为并网逆变器输出功率为3KW，孤岛发生后，采用本发明第三实施例(其中，第三常数d＝1)的自适应孤岛检测方法得到的并网点电压有效值的仿真波形图。
图9为并网逆变器输出功率为6KW，孤岛发生后，采用本发明第三实施例(其中，第三常数d＝1)的自适应孤岛检测方法得到的并网点电压有效值的仿真波形图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
参考图3-4，本发明第一实施例的并网光伏发电系统的自适应孤岛检测方法包括如下步骤：
步骤S201，检测并网点a的电压有效值U(kT)；
步骤S202，判断所述并网点a的所述电压有效值U(kT)是否达到保护阈值，若达到，进入步骤S208，否则，进入步骤S203；
步骤S203，计算并网逆变器100上一周期的输出功率P(kT-T)，根据正反馈系数h(kT)为第一常数b与所述并网逆变器100的上一周期的所述输出功率P(kT-T)的乘积值计算正反馈系数h(kT)＝b*P(kT-T)；
步骤S204，将所述正反馈系数h(kT)与所述并网点a的所述电压有效值U(kT)与所述并网点a的电压额定值U0之差ΔU(kT)＝U(kT)-U0的乘积h(kT)*ΔU(kT)作为扰动量施加给所述并网逆变器的输出电流给定幅值分量Iref(kT)＝IMPPT(kT)+h(kT)*ΔU(kT)；
步骤S205，采用锁相环电路200(PLL)检测所述并网点a的电压频率和电压相位，并根据检测到的所述并网点a的所述电压频率和所述电压相位产生同频率同相位的标准正弦波；
步骤S206，根据所述标准正弦波及所述并网逆变器的电流给定的幅值，确定所述并网逆变器100的所述输出电流给定信号；
步骤S207，对所述并网逆变器100的所述输出电流给定值与所述并网逆变器100的所述实际输出电流值I0(kT)的差值进行比例积分(PI)调节并控制并网逆变器100，再返回步骤S201；
步骤S208，输出启动孤岛保护信号。
具体地，所述第一常数b的取值范围为3×10-5～3×10-4。所述第一常数b取下限值3×10-5是保证孤岛检测成功的前提下，所要施加的最小扰动量；所述第一常数b取上限值3×10-4是在保证并网光伏发电系统稳定的前提下，所能施加的最大扰动量。所述第一常数b的取值越大，检测孤岛状态所需的时间越短。所述步骤S203中计算并网逆变器100的上一周期的输出功率具体为：分别检测所述并网逆变器100的上一交流周期的输出电流和输出电压，并计算所述并网逆变器100的上一周期的所述输出电流和所述输出电压的乘积得到所述并网逆变器100的上一周期的所述输出功率P(kT-T)。
可理解地，在步骤S207中，对所述并网逆变器100的所述输出电流给定值与所述并网逆变器100的所述实际输出电流值I0(kT)的差值ΔI(kT)进行比例积分(PI)调节后，经过调制产生一组脉冲信号300，所述脉冲信号300被发送给所述并网逆变器100来控制所述并网逆变器100的工作状态。
在本实施例中，自适应电压正反馈算法可以表示为：
Iref(kT)＝IMPPT(kT)+h(kT)*ΔU(kT)＝IMPPT(kT)+b*P(kT-T)*ΔU(kT)
本发明第二实施例与本发明第一实施例不同在于，所述正反馈系数h(kT)为第二常数c与上一周期的所述并网逆变器100的所述输出电流给定幅值Iref(kT-T)的乘积值。所述第二常数的取值范围为1/220～1/22。在本发明第二实施例中，自适应电压正反馈算法可以表示为：
Iref(kT)＝IMPPT(kT)+h(kT)*ΔU(kT)＝IMPPT(kT)+c*Iref(kT-T)*ΔU(kT)
本发明第三实施例与本发明第一实施例不同在于，所述正反馈系数h(kT)为第三常数d乘以上一周期的所述并网逆变器100的所述输出电流给定幅值Iref(kT-T)与上一周期的所述并网点a的所述电压有效值U(kT-T)的比值。所述第三常数d的取值范围为1～10。在本发明第三实施例中，自适应电压正反馈算法可以表示为：
I ref ( kT ) = I MPPT ( kT ) + h ( kT ) * ΔU ( kT ) = I MPPT ( kT ) + d * I ref ( kT - T ) U ( kT - T ) * ΔU ( kT )
通过计算机仿真实验，参考图5～图7，采用传统的电压正反馈孤岛检测方法时，正反馈系数越大，孤岛发生后，电压偏离额定值越快，孤岛状态越容易检测出来，但扰动带来的潜在不良影响越大。正反馈系数需要精心整定，检测效果受逆变器输出功率大小的影响。
参考图5和图6，若传统的电压正反馈孤岛检测方法中的正反馈系数为0.08时，孤岛发生后，公共电网的电压会因扰动不足而停止偏离，导致孤岛检测失败。因而，传统的电压正反馈孤岛检测方法中的正反馈系数0.088是保证公共电网电压变化的最小扰动。参考图8和图9，采用本发明的并网光伏发电系统的自适应孤岛检测方法对并网光伏发电系统产生的扰动与采用正反馈系数为0.088时的传统的电压正反馈孤岛检测方法对并网光伏发电系统产生的扰动相同。故，在保证孤岛检测成功的前提下，采用本发明的并网光伏发电系统的自适应孤岛检测方法使得所需的扰动量最小，从而最大限度地保证了并网光伏发电系统在孤岛检测过程中的稳定性。同时，本发明给出的孤岛检测方法的检测效果不受逆变器输出功率大小变化的影响，具有强鲁棒性。
如上所述，由于本发明中的正反馈系数与并网逆变器的输出功率成正比，因而正反馈系数可随并网逆变器的输出功率的变化而自动变化，而由正反馈系数决定的扰动量也可根据并网逆变器的输出功率的变化而自动调整，从而有效保障了孤岛检测的成功率，并最大限度地减少孤岛检测过程中施加的扰动对并网光伏发电系统的稳定性及最大功率跟踪效果的影响。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (5)

1.一种并网光伏发电系统的自适应孤岛检测方法，包括如下步骤：
(1)检测并网点的电压有效值，判断所述并网点的所述电压有效值是否达到保护阈值，若达到，输出启动孤岛保护信号，否则，进入步骤(2)；
(2)计算上一周期并网逆变器的输出功率，并根据所述并网逆变器的所述输出功率计算与所述并网逆变器的所述输出功率成正比的正反馈系数；
(3)将所述并网点的所述电压有效值与所述并网点的电压额定值之差与所述正反馈系数的乘积作为扰动量施加给所述并网逆变器的输出电流给定的幅值分量；
(4)根据并网点的电压频率、电压相位以及所述并网逆变器的输出电流给定的幅值，确定所述并网逆变器的所述输出电流给定信号；
(5)对所述并网逆变器的所述输出电流给定值与所述并网逆变器的实际输出电流值的差值进行调节并控制所述并网逆变器，再返回步骤(1)。
2.如权利要求1所述的并网光伏发电系统的自适应孤岛检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中计算并网逆变器的输出功率具体为：
分别检测所述并网逆变器的输出电流和输出电压，并计算所述并网逆变器的所述输出电流和所述输出电压的乘积得到所述并网逆变器的所述输出功率。
3.如权利要求2所述的并网光伏发电系统的自适应孤岛检测方法，其特征在于，所述正反馈系数为第一常数与上一周期的所述并网逆变器的所述输出功率的乘积，所述第一常数的取值范围为3×10-5～3×10-4。
4.如权利要求2所述的并网光伏发电系统的自适应孤岛检测方法，其特征在于，所述正反馈系数为第二常数与上一周期的所述并网逆变器的所述输出电流给定幅值的乘积，所述第二常数的取值范围为1/220～1/22。
5.如权利要求2所述的并网光伏发电系统的自适应孤岛检测方法，其特征在于，所述正反馈系数为第三常数乘以上一周期的所述并网逆变器的所述输出电流给定幅值与上一周期的所述并网点的所述电压有效值的比值，所述第三常数的取值范围为1～10。
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