CN102545262B - 一种计及电能质量约束的光伏并网发电系统孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

检测单元，比较光伏并网发电系统并网点运行电压和并网点额定电压的大小，进而周期性改变光伏并网发电系统中Boost电路的触发脉冲占空比，使得光伏并网逆变器输出电压调节指定比例，然后将此时测量的光伏并网发电系统并网点电压变化量和设定的孤岛检测电压变化量阈值进行比较，最终确定孤岛是否发生。本发明既能避免当光伏并网逆变器输出功率与负载功率相匹配时被动式检测法存在的不可检测区，又能解决已有的主动式检测法引起的电能质量问题，本发明方法对电网运行适应性强，便于实际工程应用。

Description

一种计及电能质量约束的光伏并网发电系统孤岛检测方法

技术领域

本发明属于光伏并网发电技术领域，尤其涉及一种计及电能质量约束的光伏并网发电系统孤岛检测方法。

背景技术

在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，太阳能利用成为世界各国争相发展的热点，光伏并网发电作为太阳能利用的主要发展趋势，已得到迅猛发展。

光伏并网发电系统并网运行时除了应具有基本的保护功能以外，还应该具有预防孤岛效应的特殊功能。所谓孤岛效应是指：当电网因故障或停电维修等原因而跳闸停止供电时，安装于用户端的分布式并网发电系统(如光伏发电、风力发电、燃料电池、微型燃汽轮机等)未能及时检测出停电状态而将自身切离电网，最终形成由分布式并网发电系统及其所连接本地负载组成的一个自给供电的孤岛发电系统。近年来，随着分布式电源并网发电的广泛应用，发生孤岛效应的概率越来越高，因此，研究孤岛检测方法及保护措施来避免孤岛效应产生的危害，具有重要的理论价值和应用价值。

孤岛效应的检测方法一般分为两类，即被动式检测法和主动式检测法。所谓被动式检测法就是通过测量分布式电源并网逆变器的输出参量(如电压、频率、相角等)的异常来判断系统是否发生孤岛。通常情况下当电网断电时，光伏并网发电系统的输出功率和负载功率之间的差异会引起系统的电压和频率的较大变化，通过对系统电压和频率的检测，可以很容易地检测出孤岛效应。但是如果光伏并网逆变器提供的功率与负载需求的功率相匹配，那么当线路维修或故障导致电网供电中断时，并网点电压和频率的变化很小甚至不发生变化，很难通过对系统电压和频率的检测来判断孤岛是否发生，即被动式检测法存在相对较大的不可检测区(NDZ，Non-Detection Zone)，此时需要采用主动式检测法来避免这种检测盲区。主动式检测法的原理是通过向电网注入扰动，并利用扰动引起的系统电压、频率、阻抗等的相应变化来判断孤岛是否发生。已有的主动式检测法虽然可有效地减少不可检测区，但可能对电网产生电能质量影响。一旦电网电压、频率等电能质量指标超出规定的变化范围，将可能造成用电设备损坏、负载烧毁等诸多问题，因此采取计及电能质量约束的主动式孤岛检测法具有重要的技术创新意义和广泛的应用价值。

需要指出的是，孤岛检测时间是孤岛保护的一项重要技术指标，必须在规定时间内检测到孤岛效应。根据IEEE Std.929-2000对孤岛问题提出的标准要求，分布式并网发电系统应避免孤岛的出现，并且检测时间不得超过2秒。GB/T19939-2005《光伏系统并网技术要求》对防孤岛效应问题也做出了相应规定，当电网失压时，防孤岛效应保护应在2秒内动作，将光伏并网发电系统与电网断开。

发明内容

针对上述背景技术中提到现有孤岛检测方法没有考虑对电网产生电能质量影响的不足，本发明提出了一种计及电能质量约束的光伏并网发电系统孤岛检测方法。

本发明的技术方案是，一种计及电能质量约束的光伏并网发电系统孤岛检测方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：当光伏电源的输出功率与本地负载匹配时，启动本孤岛检测单元；

步骤2：孤岛检测单元测得光伏并网逆变器输出电压和光伏并网发电系统并网点电压；

步骤2.1：当光伏并网发电系统并网点电压大于等于并网点额定电压时，减小Boost电路的触发脉冲占空比，使得Boost电路输出电压发生相应改变，进而改变光伏并网逆变器输出电压下调指定比例；

若测得此时的光伏并网发电系统并网点电压和未改变Boost电路占空比时孤岛检测单元测得的光伏并网发电系统并网点电压之间的变化量小于指定阈值时，则说明光伏并网发电系统并网点电压受到大电网的钳制作用，孤岛未发生；

若测得此时的光伏并网发电系统并网点电压和未改变Boost电路占空比时孤岛检测单元测得的光伏并网发电系统并网点电压之间的变化量超出指定阈值时，且其变化特征与光伏并网逆变器输出电压的变化特征相同，则说明光伏并网发电系统并网点电压不受大电网的钳制作用，孤岛发生，发出报警信号；

步骤2.2：当光伏并网发电系统并网点电压小于并网点额定电压时，增大Boost电路的触发脉冲占空比，使得Boost电路输出电压发生相应改变，进而改变光伏并网逆变器输出电压上调指定比例；

若测得此时的光伏并网发电系统并网点电压和未改变Boost电路占空比时孤岛检测单元测得的光伏并网发电系统并网点电压之间的变化量小于指定阈值时，则说明光伏并网发电系统并网点电压受到大电网的钳制作用，孤岛未发生；

若测得此时的光伏并网发电系统并网点电压和未改变Boost电路占空比时孤岛检测单元测得的光伏并网发电系统并网点电压之间的变化量超出指定阈值时，且其变化特征与光伏并网逆变器输出电压的变化特征相同，则说明光伏并网发电系统并网点电压不受大电网的钳制作用，孤岛发生，发出报警信号；

所述Boost电路输出电压的计算公式为：

$U_d=\frac{1}{1-\mathrm{\α}}E$

${U_d}^{\′}=(1\±k\%)U_d=\frac{1}{1-{\mathrm{\α}}^{\′}}E$

其中：

U_d为调整前的Boost电路输出电压；

U_d′为调整后的Boost电路输出电压；

k％为计及电能质量约束，使得Boost电路输出电压上调或下调的指定比例；

α为调节前的Boost电路的触发脉冲占空比；

α′为调节后的Boost电路的触发脉冲占空比；

E为Boost电路的输入电压。

所述改变Boost电路的触发脉冲占空比的方法为PWM脉宽调制技术。

所述k％为5％。

所述指定阈值为4.5％。

本发明既能避免当光伏并网逆变器输出功率与负载功率相匹配时被动式检测法存在的不可检测区(NDZ)，又能解决已有的主动式检测法可能引起的电能质量问题，且满足IEEE Std.929-2000和GB/T 19939-2005《光伏系统并网技术要求》对孤岛检测快速性和准确性的要求。

本发明所提出的主动式孤岛检测方法简捷易于实现，对电网运行工况适应性强，便于实际工程应用。

附图说明

图1为光伏并网发电系统接入电网的原理示意图；

图2为光伏并网发电系统接入电网的电路图；

图3光伏并网发电系统并网运行的等效电路图；

图4为光伏并网发电系统孤岛运行的等效电路图；

图5为Boost(升压斩波)电路原理图；

图6为本发明的孤岛检测流程图；

图7为输出电压不变时Boost电路的参考波、载波、调制波及直流输出电压波形原理示意图；

图8为一个扰动周期内上调输出电压时的参考波、载波、调制波及直流输出电压波形原理示意图；

图9为一个扰动周期内下调输出电压时的参考波、载波、调制波及直流输出电压波形原理示意图；

图10为并网运行工况下改变Boost电路占空比时光伏并网发电系统并网点的电压U_B波形；

图11为孤岛运行工况下Boost电路占空比增大时光伏并网发电系统并网点的电压U_B波形；

图12为孤岛运行工况下Boost电路占空比减小时光伏并网发电系统并网点的电压U_B波形。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

为了实时、准确地检测出孤岛效应，克服被动式检测法存在的不可检测区，并且避免已有的主动式检测法对电网电能质量的扰动影响，本发明提出一种计及电能质量约束的光伏并网发电系统的孤岛检测新方法，即通过对光伏并网发电系统中Boost(升压斩波)电路的调节使光伏并网发电系统的输出电压按指令周期性地发生变化，再通过对光伏并网逆变器的输出电压变化量和光伏并网发电系统的并网点电压变化量的检测分析来判断孤岛效应：

1.由本孤岛检测单元获取光伏并网发电系统并网点运行电压。

2.根据所获取的并网点运行电压及电能质量约束条件决定光伏并网发电系统中Boost(升压斩波)电路上调电压或下调电压指令，再按相应指令周期性地改变Boost电路的触发脉冲占空比α从而改变光伏并网逆变器输出电压，并以光伏并网逆变器输出电压的变化量作为本发明所提出的主动式检测法的扰动量。

光伏并网发电系统中Boost电路的输出电压的计算公式如下：

$U_d=\frac{t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}}}{t_{\mathrm{off}}}E=\frac{T}{t_{\mathrm{off}}}E=\frac{1}{1-\mathrm{\α}}E---\left(1\right)$

式中：

U_d为Boost电路输出电压；

t_on为绝缘栅双极型晶体管IGBT处于通态的时间；

t_off为绝缘栅双极型晶体管IGBT处于断态的时间；

T为开关周期；

α为Boost电路的触发脉冲占空比；

E为Boost电路的输入电压。

由(1)式可见，Boost电路输出电压U_d将随着Boost电路的触发脉冲占空比α的增大而增大，使得光伏并网逆变器输出电压增大且增大比例与U_d相同；Boost电路输出电压U_d将随着Boost电路的触发脉冲占空比α的减小而减小，使得光伏并网逆变器输出电压减小且减小比例与U_d相同。

设Boost电路的触发脉冲占空比为α，其对应的Boost电路输出电压为U_d；调整后的Boost电路的触发脉冲占空比变为α′，其对应的Boost电路输出电压为U_d′，Boost电路输出电压变化幅度为k％。变化前后Boost电路输出电压与占空比关系分别如(2)、(3)式所示：

$U_d=\frac{1}{1-\mathrm{\α}}E---\left(2\right)$

${U_d}^{\′}=(1\±k\%)U_d=\frac{1}{1-{\mathrm{\α}}^{\′}}E---\left(3\right)$

由(2)式和(3)式可得α′与α关系如下：

${\mathrm{\α}}^{\′}=\frac{\mathrm{\α}\±k\%}{1\±k\%}---\left(4\right)$

3.分别测量光伏并网逆变器输出电压的变化量和光伏并网发电系统并网点电压的变化量。当光伏并网发电系统并网运行时，由于电网的钳位作用，扰动量不改变并网点的电压；而当孤岛运行时，扰动量可使并网点电压发生相应的变化。

4.根据测得的光伏并网发电系统并网点电压的变化量，判断是否超过孤岛发生时的电压变化量阈值。若增加扰动后测得的光伏并网发电系统并网点电压变化量超过设定的孤岛检测电压变化量阈值，则判断光伏并网发电系统处于孤岛运行状态，并报警；若扰动后测得的并网点电压变化量未超过设定的孤岛检测电压变化量阈值，则判断光伏并网发电系统处于并网运行状态。

参见图1，该光伏并网发电系统由光伏电池阵列、Boost电路、光伏并网逆变器、并网变压器及孤岛检测单元组成。

参见图2，该图为光伏并网发电系统接入电网的电路图。图中，Z_pv为光伏并网逆变器滤波阻抗和并网变压器的漏抗之和；Z_s为电网等值阻抗，由于电网容量远大于光伏发电系统容量，Z_s一般可计为0。A点为光伏并网逆变器输出端，其电压为U_A，B点为光伏并网发电系统的并网点，其电压为U_B。

图3为光伏并网发电系统并网运行的等效电路图，图4为光伏并网发电系统孤岛运行的等效电路图。

参见图5，该图为光伏并网发电系统中的Boost电路。本发明利用PWM脉宽调制技术改变Boost电路触发脉冲的占空比，从而实现通过周期性地改变光伏并网逆变器输出电压来调节光伏并网发电系统的输出电压。设t₀时刻光伏并网逆变器输出功率与本地负载功率相匹配，启动本孤岛检测单元，按指令周期性改变Boost电路触发脉冲占空比来调节光伏并网逆变器输出电压。这里选5个工频周期为一个扰动周期(其中前2个工频周期为扰动时段，后3个工频周期为非扰动时段)，持续两个扰动周期改变Boost电路的触发脉冲占空比来调节光伏并网逆变器输出电压。

当光伏并网发电系统并网点B的实际运行电压U_B低于电网额定电压U_N时，增大Boost电路的触发脉冲占空比使光伏并网逆变器输出电压上调k％；

当光伏并网发电系统并网点B的实际运行电压U_B高于或等于电网额定电压U_N时，减小Boost电路的触发脉冲占空比使光伏并网逆变器输出电压下调k％。

为了避免电网本身电压波动可能引起的孤岛误检测，本发明的检测方法连续采样两个上述扰动周期引起的光伏并网发电系统并网点电压U_B变化量，因此本发明孤岛检测周期选定为0.2秒，满足相关标准对孤岛检测响应时间的要求。

由理论分析可知，并网运行时，由于电网的钳制作用，光伏并网发电系统并网点B的电压U_B保持不变；孤岛运行时，由于与电网脱离，Boost电路输出电压的改变使得并网点电压U_B也相应变化，由此可判断孤岛是否发生。

参见图6，该图为孤岛检测流程图，具体检测原理为：当测得光伏并网逆变器输出功率与本地负载功率相匹配时，启动本孤岛检测单元。

1)如果此时测得光伏并网发电系统并网点电压U_B大于等于并网点额定电压U_N，考虑电能质量约束，通过改变Boost电路占空比，使得Boost电路输出电压发生改变，进而改变光伏并网逆变器输出电压U_A下调k％，

1.1)若测得此时光伏并网发电系统并网点电压U_B和未改变Boost电路占空比时孤岛检测单元测得的光伏并网发电系统并网点电压之间的变化量在指定阈值范围内，则说明并网点电压U_B受大电网钳制作用，孤岛未发生；

1.2)若测得此时光伏并网发电系统并网点电压U_B和未改变Boost电路占空比时孤岛检测单元测得的光伏并网发电系统并网点电压之间的变化量超出指定阈值范围，并且与光伏并网逆变器输出电压U_A变化特征一样，则说明电网对并网点电压的钳位作用消失，孤岛已发生，发出报警信号。

2)如果此时测得光伏并网发电系统并网点电压U_B低于并网点额定电压U_N，考虑电能质量约束，改变Boost电路的触发脉冲占空比，使得Boost电路输出电压发生改变，进而改变光伏并网逆变器输出电压U_A上调k％，

2.1)若测得此时光伏并网发电系统并网点电压U_B和未改变Boost电路占空比时孤岛检测单元测得的光伏并网发电系统并网点电压之间的变化量在指定阈值范围内，则说明光伏并网发电系统并网点电压受到大电网的钳制作用，孤岛未发生；

2.2)若测得此时光伏并网发电系统并网点电压U_B和未改变Boost电路占空比时孤岛检测单元测得的光伏并网发电系统并网点电压之间的变化量超出指定阈值范围，并且与光伏并网逆变器输出电压U_A变化特征一样，则电网对并网点电压的钳位作用消失，孤岛已发生，发出报警信号。

计及电能质量约束，k的取值为5，使光伏并网发电系统并网点电压在电网电压额定值的±5％偏差范围内运行，完全满足相关的电压质量国家标准。由于实际运行中Z_pv(光伏并网逆变器滤波阻抗和并网变压器的漏抗之和)的影响，并网点电压U_B与光伏并网逆变器输出电压U_A之间存在电压损耗，考虑到此电压损耗的上限，本发明设并网点电压变化指定阈值k₁％为4.5％，这样当并网点电压U_B变化量超过4.5％时，可作为孤岛发生的一个判据。

参见图7，该图为Boost电路输出电压的调节原理图。u_c为脉宽调制的载波，u_r为参考波，经过比较得到了Boost电路的PWM控制信号u_PWM，再通过此PWM控制信号的调控可得到Boost电路的平均输出电压大小为u_d0。图8、图9分别给出了在一个扰动周期内Boost电路输出电压上调和下调的具体实现过程。电压上调时参见图8，(这里设工频周期为0.02s)连续2个工频周期时间0.04s增大参考波幅值，大小为Δu_r，当参考波幅值增大时占空比增大，光伏并网发电系统中Boost电路平均输出电压也相应增大Δu_d，随后的3个工频周期时间0.06s为非扰动时段，输出电压仍为u_d0。电压下调时参见图9，连续2个工频周期时间0.04s减小参考波幅值，大小为Δu_r，当参考波幅值减小时占空比减小，光伏并网发电系统中Boost电路平均输出电压也相应减小Δu_d，随后的3个工频周期时间0.06s为非扰动时段，输出电压仍为u_d0。这样通过对Boost电路输出电压的调节，可调节光伏并网逆变器的输出电压。

在对本发明所提出的孤岛检测方法进行的仿真实验中，取t₀＝0.1s，即0.1s时刻启动本孤岛检测单元，通过Boost电路的触发脉冲占空比的变化来改变光伏并网逆变器输出电压从而产生扰动信号。根据上述原理，光伏并网发电系统并网运行时由于电网钳制作用，所加入的扰动不改变光伏并网发电系统并网点电压U_B，仿真结果参见图10，该图为并网运行时改变Boost电路占空比时光伏并网发电系统并网点U_B的电压波形，可见，并网运行时未发生变化。当孤岛运行时，电网失去钳制作用，所加入的扰动改变光伏并网发电系统并网点电压U_B，仿真结果如图11、图12所示。

参见图11，该图为孤岛运行时通过增大Boost电路触发脉冲占空比使光伏并网逆变器输出端的电压U_A上调5％时并网点电压U_B随U_A以相同特征变化的波形。这里，计及电能质量约束时增大后的Boost电路触发脉冲占空比取值可由(4)式得到，为α′＝(α+5％)/105％，由此占空比的变化来实现光伏并网逆变器输出端的电压U_A上调5％。参见图12，该图为孤岛运行时通过减小Boost电路触发脉冲占空比使光伏并网逆变器输出端的电压U_A下调5％时并网点电压U_B随U_A以相同特征变化的波形。这里，计及电能质量约束时减小后的Boost电路触发脉冲占空比取值可由(4)式得到，为α′＝(α-5％)/95％，由此占空比的变化来实现光伏并网逆变器输出端的电压U_A下调5％。

由仿真结果可知，通过检测并网点电压U_B的波形变化即可方便地判断孤岛是否发生。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种计及电能质量约束的光伏并网发电系统孤岛检测方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：当光伏电源的输出功率与本地负载匹配时，启动本孤岛检测单元；

步骤2：孤岛检测单元测得光伏并网逆变器输出电压和光伏并网发电系统并网点电压；

步骤2.1：当光伏并网发电系统并网点电压大于等于并网点额定电压时，减小Boost电路的触发脉冲占空比，使得Boost电路输出电压发生相应改变，进而改变光伏并网逆变器输出电压下调指定比例；

若测得此时的光伏并网发电系统并网点电压和未改变Boost电路占空比时孤岛检测单元测得的光伏并网发电系统并网点电压之间的变化量小于指定阈值时，则说明光伏并网发电系统并网点电压受到大电网的钳制作用，孤岛未发生；

若测得此时的光伏并网发电系统并网点电压和未改变Boost电路占空比时孤岛检测单元测得的光伏并网发电系统并网点电压之间的变化量超出指定阈值时，且其变化特征与光伏并网逆变器输出电压的变化特征相同，则说明光伏并网发电系统并网点电压不受大电网的钳制作用，孤岛发生，发出报警信号；

步骤2.2：当光伏并网发电系统并网点电压小于并网点额定电压时，增大Boost电路的触发脉冲占空比，使得Boost电路输出电压发生相应改变，进而改变光伏并网逆变器输出电压上调指定比例；

若测得此时的光伏并网发电系统并网点电压和未改变Boost电路占空比时孤岛检测单元测得的光伏并网发电系统并网点电压之间的变化量小于指定阈值时，则说明光伏并网发电系统并网点电压受到大电网的钳制作用，孤岛未发生；

若测得此时的光伏并网发电系统并网点电压和未改变Boost电路占空比时孤岛检测单元测得的光伏并网发电系统并网点电压之间的变化量超出指定阈值时，且其变化特征与光伏并网逆变器输出电压的变化特征相同，则说明光伏并网发电系统并网点电压不受大电网的钳制作用，孤岛发生，发出报警信号。

2.根据权利要求1所述的一种计及电能质量约束的光伏并网发电系统孤岛检测方法，其特征是所述Boost电路输出电压的计算公式为：

$U_d=\frac{1}{1-\mathrm{\α}}E$

${U_d}^{\′}=(1\±k\%)U_d=\frac{1}{1-{\mathrm{\α}}^{\′}}E$

其中：

U_d为调整前的Boost电路输出电压；

U_d′为调整后的Boost电路输出电压；

k%为计及电能质量约束，使得Boost电路输出电压上调或下调的指定比例；

α为调节前的Boost电路的触发脉冲占空比；

α′为调节后的Boost电路的触发脉冲占空比；

E为Boost电路的输入电压。

3.根据权利要求1所述的一种计及电能质量约束的光伏并网发电系统孤岛检测方法，其特征是所述改变Boost电路的触发脉冲占空比的方法为PWM脉宽调制技术。

4.根据权利要求2所述的一种计及电能质量约束的光伏并网发电系统孤岛检测方法，其特征是所述k%为5%。

5.根据权利要求1所述的一种计及电能质量约束的光伏并网发电系统孤岛检测方法，其特征是所述指定阈值为4.5%。

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