CN102522770B - 一种无变压器型的光伏并网检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无变压器型的光伏并网检测系统，其特征在于：包括全桥逆变器，前级直流电压经过全桥逆变器逆变并经滤波后得到工频正弦交流电，逆变工作方式可根据需要使逆变器工作于并网工作模式或独立供电模式，它们之间的切换由控制器通过对继电器的控制实现。本发明还提供了一种采用上述系统的方法，该方法采用了连续主动检测孤岛，即每个周期控制并网逆变器输出的主动扰动系统。本发明的优点是：能够有效提高逆变器的并网质量及光伏系统的可靠性。

Description

一种无变压器型的光伏并网检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种光伏发电系统中户用型逆变器（1kW-10kW）的并网检测系统及采用该系统的方法。

背景技术

由于常规能源的逐渐枯竭、环境污染的逐渐加剧，新能源的发展及应用得到了世界各国的广泛关注。随着国家对智能电网概念的提出，以及建设高品质、高可靠性电力系统的要求，逆变器作为新能源系统中不可或缺的重要设备，对其性能的稳定性、优越性、尤其是并网质量的要求也越来越高。而锁相环与孤岛检测是保证并网高质量、高可靠性的重要环节。

孤岛检测方法有被动式孤岛检测和主动式孤岛检测，而主动式检测方法主要包括：输出电压扰动法、有源频率扰动法、自动相位偏移法等。目前大部分并网逆变器采用输出电压扰动法。即通过对逆变器控制信号加入很小的电压干扰信号，然后对逆变器输出进行检测。当逆变器与主电网相连则扰动信号的作用很小，而当孤岛发生时扰动信号的作用就会显现出来，当输出变化超过规定的门限值就能预报孤岛的发生。

锁相环有模拟锁相和数字锁相，而数字锁相中又包括过零、虚拟乘法器、构造虚拟两相等多种方法。目前大部分并网逆变器采用过零鉴相+同步锁相算法。即通过不断比较电网电压周期和并网电流周期，从而改变SPWM波的载波周期的值，如此反复调整后控制误差在一个极小的范围内来回摆动，从而实现同步锁相。

此并网方法存在一些缺陷：（1）由于微小电压的干扰，导致并网波形的THD变大，影响供电质量；（2）在输出电压扰动中没有采用正反馈，导致孤岛检测速度过慢，及时性较差；（3）过零鉴相+同步锁相算法虽然实现了最小超调量，但锁相所用时间较长。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高逆变器的并网质量和光伏系统的可靠性的检测系统及采用该系统的方法。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种无变压器型的光伏并网检测系统，包括全桥逆变器，全桥逆变器的输出端连接滤波电路，前级的直流电压经全桥逆变器及滤波电路后转换为工频正弦交流电，其特征在于：滤波电路的第一输出端依次串联电流互感器L8、继电器RE1后连接两个用户负载接入端中的第一端口，控制单元通过电流互感器L8捕获电流，控制单元的逆变输出控制信号端连接光耦U15，光耦U15通过半导体器件控制继电器RE1打开或闭合，滤波电路的第二输出端直接连接用户负载接入端中的第二端口及电网接入端中的第三端口，电网接入端中的第四端口连接继电器RE2的一端，继电器RE2的另一端连接在继电器RE1与第一端口之间的电路上，控制单元的独立/并网模式切换控制信号端连接光耦U16，光耦U16通过半导体器件控制继电器RE2打开或闭合，电压互感器L6跨接在滤波电路的第一输出端与第二输出端之间，控制单元通过电压互感器L6捕获全桥逆变器的输出电压，电压互感器L7跨接在第四端口与第三端口之间，控制单元通过电压互感器L7捕获电网电压。

优选地，所述半导体器件为三极管。

优选地，所述滤波电路为LC滤波电路。

优选地，所述控制单元为相互连接的DSP及智能功率模块。

优选地，所述控制单元通过各自的信号转换电路分别由所述电流互感器L6捕获电流、由所述电流互感器L8捕获电流、由所述电压互感器L7捕获电压，该信号转换电路包括放大器，放大器与电流互感器L6、电流互感器L8或电压互感器L7相连，放大器串联比较器，比较器连接所述控制单元。

本发明的另一个技术方案是提供了一种采用上述的无变压器型的光伏并网检测系统的检测方法，其特征在于，步骤为：

步骤1、通过电压互感器L7检测电网电压是否突变，若电网电压突变，则说明孤岛发生，全桥逆变器应立即停止并网；若没发生，再由过零检测电路通过电压互感器L7检测电网电压是否过零点；若电网电压过零点之后，再由控制单元捕获其上升沿，当频率在49.5Hz-50.5Hz时接受，进入25周期并网检测；

步骤2、25周期并网检测：

当并网开始时，由控制单元每25个周期检测一次孤岛，其中，前两个周期检测扰动的频率信号是否存在，来判断系统是否发生孤岛现象，在确定系统正常之后，其他23个周期用来实现并网电流与电网电压的同步锁相，具体步骤为：

步骤2.1、由滤波电路输出的电流为并网电流，在第1个周期时，将并网电流主动移相                                               ；

步骤2.2、在第2个周期，由控制单元通过电流互感器L8捕获并网电流，检测该并网电流是否存在

的相移，若不存在，则说明孤岛发生，立刻停止并网运行，否则，进入下一步；

步骤2.3、全桥逆变器输出的电压频率或电流频率即为并网频率，强制将该并网频率与电网频率保持一致，每次在电网电压变相的时候，由控制单元通过电流互感器L8捕获并网电流，检测该并网电流是否存在接近于

的相移，若存在，则计数一次，当在剩余23个周期内成功计数50次，认为本次锁相成功，否则，认为锁相失败，立刻停止并网运行。 

本发明中采用了连续主动检测孤岛的方法，即每个周期控制并网逆变器输出的主动扰动系统。即使是在发电输出功率与负载功率匹配的情况下，也会及时通过扰动破坏功率平衡状态，造成逆变系统的相位、电压、频率有明显波动，再通过控制单元检测出来而将光伏发电系统与市电隔离，及时防止孤岛现象的发生。该发明中的25个周期，是基于控制单元产生的16K中断，不但超调量小，而且锁相速度快。

本发明的优点是：能够有效提高逆变器的并网质量及光伏系统的可靠性。

附图说明

图1为逆变器并网电流和电网电压采集电路结构示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1

如图1所示，本发明提供的一种无变压器型的光伏并网检测系统，包括全桥逆变器，该全桥逆变器由场效应晶体管Q1、场效应晶体管Q2、场效应晶体管Q3及场效应晶体管Q4组成。全桥逆变器的输出端连接滤波电路，滤波电路由电感L1及电容C22组成。前级的直流电压

经全桥逆变器及滤波电路后转换为工频正弦交流电。滤波电路的第一输出端依次串联电流互感器L8、继电器RE1后连接两个用户负载接入端中的第一端口4。控制单元通过电流互感器L8捕获电流。控制单元的逆变输出控制信号端连接光耦U15，光耦U15通过半导体器件（在本实施例中，该半导体器件选用三极管Q6）控制继电器RE1打开或闭合。滤波电路的第二输出端直接连接用户负载接入端中的第二端口5及电网接入端中的第三端口2。电网接入端中的第四端口1连接继电器RE2的一端，继电器RE2的另一端连接在继电器RE1与第一端口4之间的电路上。控制单元的独立/并网模式切换控制信号端连接光耦U16，光耦U16通过半导体器件（在本实施例中，该半导体器件选用三极管Q7）控制继电器RE2打开或闭合。电压互感器L6跨接在滤波电路的第一输出端与第二输出端之间，控制单元通过电压互感器L6捕获全桥逆变器的输出电压。电压互感器L7跨接在第四端口1与第三端口2之间，控制单元通过电压互感器L7捕获电网电压。

在进行并网电流和电网电压同步的过程中，控制单元需要采集电网电压信号和并网电流信号的相位。由于控制单元只能采集TTL信号，所以需要硬件电路实现将电网的正弦波电压信号转换成5V脉冲信号，具体实现方法为：

控制单元通过各自的信号转换电路分别由电流互感器L6捕获电流、由电流互感器L8捕获电流、由电压互感器L7捕获电压，该信号转换电路包括放大器，放大器与电流互感器L6、电流互感器L8或电压互感器L7相连，放大器串联比较器，比较器连接控制单元。电网电压信号进过放大器及比较器后变成脉冲信号，该脉冲信号和正弦波信号具有相同的过零点，即在正弦信号的过零点，产生脉冲跃变。

当控制单元给出逆变输出控制信号时，驱动光耦U15导通，从而使得三极管Q6导通，继电器RE1闭合。而此时独立/并网模式切换控制信号端无效，所以全桥逆变器经过端口第一端口4及第二端口5独立输出220V交流电，可以为用户负载提供交流电。此时，控制单元通过电压互感器L6捕获全桥逆变器的输出电压，用于独立工作模式的电压控制。

当控制单元给出独立/并网模式切换控制信号有效时（此时，逆变输出控制信号同时有效），驱动光耦U16导通，从而使得三极管Q7导通，继电器RE2闭合，而此时逆变输出控制信号同时有效，即继电器RE1同样处于闭合状态，全桥逆变器的输出经过第四端口1及第三端口2并入电网。

本发明提供了一种采用上述系统的检测方法，其特征在于，步骤为：

步骤1、通过电压互感器L7检测电网电压是否突变，若电网电压突变，则说明孤岛发生，全桥逆变器应立即停止并网；若没发生，再由过零检测电路通过电压互感器L7检测电网电压是否过零点；若电网电压过零点之后，再由控制单元捕获其上升沿，当频率在49.5Hz-50.5Hz时接受，进入25周期并网检测；

步骤2、25周期并网检测，其中，62.5us：

当并网开始时，由控制单元每25个周期检测一次孤岛，其中，前两个周期检测扰动的频率信号是否存在，来判断系统是否发生孤岛现象，在确定系统正常之后，其他23个周期用来实现并网电流与电网电压的同步锁相，具体步骤为：

步骤2.1、由滤波电路输出的电流为并网电流，在第1个周期时，将并网电流主动移相

，在本实施例中

取值为4-12°；

步骤2.2、在第2个周期，由控制单元通过电流互感器L8捕获并网电流，检测该并网电流是否存在

的相移，若不存在，则说明孤岛发生，立刻停止并网运行，否则，进入下一步；

步骤2.3、全桥逆变器输出的电压频率或电流频率即为并网频率，强制将该并网频率与电网频率保持一致，每次在电网电压变相的时候，由控制单元通过电流互感器L8捕获并网电流，检测该并网电流是否存在接近于

的相移，在本实施例中，接近于是指±2°，若存在，则计数一次，当在剩余23个周期内成功计数50次，认为本次锁相成功，否则，认为锁相失败，立刻停止并网运行。

实施例2

在本实施例中，控制单元采用了DSP和智能功率模块（英文简称为IPM）来实现并网运行。DSP控制单元捕获到过零信号之后，应用上述的25周期检测并网法，使得其检测时间更短，更加快速的发现孤岛并同步锁相。应用IPM模块，使得整个电路更加的简单。这样逆变器的并网质量和可靠性会更高。其他结构及步骤同实施例1。

Claims (6)

1.一种无变压器型的光伏并网检测系统，包括全桥逆变器，全桥逆变器的输出端连接滤波电路，全桥逆变器前级的直流电压经全桥逆变器及滤波电路后转换为工频正弦交流电，其特征在于：滤波电路的第一输出端依次串联电流互感器L8、继电器RE1后连接两个用户负载接入端中的第一端口（4），控制单元通过电流互感器L8捕获电流，控制单元的逆变输出控制信号端连接光耦U15，光耦U15通过半导体器件控制继电器RE1打开或闭合，滤波电路的第二输出端直接连接用户负载接入端中的第二端口（5）及电网接入端中的第三端口（2），电网接入端中的第四端口（1）连接继电器RE2的一端，继电器RE2的另一端连接在继电器RE1与第一端口（4）之间的电路上，控制单元的独立/并网模式切换控制信号端连接光耦U16，光耦U16通过半导体器件控制继电器RE2打开或闭合，电压互感器L6跨接在滤波电路的第一输出端与第二输出端之间，控制单元通过电压互感器L6捕获全桥逆变器的输出电压，电压互感器L7跨接在第四端口（1）与第三端口（2）之间，控制单元通过电压互感器L7捕获电网电压。

2.如权利要求1所述的一种无变压器型的光伏并网检测系统，其特征在于：所述半导体器件为三极管。

3.如权利要求1所述的一种无变压器型的光伏并网检测系统，其特征在于：所述滤波电路为LC滤波电路。

4.如权利要求1所述的一种无变压器型的光伏并网检测系统，其特征在于：所述控制单元为相互连接的DSP及智能功率模块。

5.如权利要求1所述的一种无变压器型的光伏并网检测系统，其特征在于：所述控制单元通过各自的信号转换电路分别由所述电压互感器L6捕获电压、由所述电流互感器L8捕获电流、由所述电压互感器L7捕获电压，该信号转换电路包括放大器，放大器与电流互感器L6、电流互感器L8或电压互感器L7相连，放大器串联比较器，比较器连接所述控制单元。

6.一种采用如权利要求1所述的无变压器型的光伏并网检测系统的检测方法，其特征在于，步骤为：

步骤1、通过电压互感器L7检测电网电压是否突变，若电网电压突变，则说明孤岛发生，全桥逆变器应立即停止并网；若没发生，再由过零检测电路通过电压互感器L7检测电网电压是否过零点；若电网电压过零点之后，再由控制单元捕获其上升沿，当频率在49.5Hz-50.5Hz时接受并网，进入25周期并网检测；

步骤2、25周期并网检测：

当并网开始时，由控制单元每25个周期检测一次孤岛，其中，前两个周期检测扰动的频率信号是否存在，来判断系统是否发生孤岛现象，在确定系统正常之后，其他23个周期用来实现并网电流与电网电压的同步锁相，具体步骤为：

步骤2.1、由滤波电路输出的电流为并网电流，在第1个周期时，将并网电流主动移相                                               

；

步骤2.2、在第2个周期，由控制单元通过电流互感器L8捕获并网电流，检测该并网电流是否存在

的相移，若不存在，则说明孤岛发生，立刻停止并网运行，否则，进入下一步；

步骤2.3、全桥逆变器输出的电压频率或电流频率即为并网频率，强制将该并网频率与电网频率保持一致，每次在电网电压变相的时候，由控制单元通过电流互感器L8捕获并网电流，检测该并网电流是否存在接近于

的相移，若存在，则计数一次，当在剩余23个周期内成功计数50次，认为本次锁相成功，否则，认为锁相失败，立刻停止并网运行。

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