CN102723735B - 孤岛检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孤岛检测方法及系统，涉及逆变器控制技术领域。该方法包括：采集发电系统并网点的电压信号，并提取其相位信息的步骤；根据所述相位信息，采用二次函数的方式构建滑模频率偏移孤岛检测曲线的步骤；以及根据所述滑模频率偏移孤岛检测曲线生成扰动信号并发送至发电系统的逆变器。本发明方法及系统能够避免检测盲区，且控制简单，能够快速、准确的进行逆变器孤岛检测的孤岛检测方法及系统。

Description

孤岛检测方法及系统

技术领域

本发明涉及并网逆变器控制技术领域，尤其涉及一种孤岛检测方法及系统。

背景技术

光伏并网逆变器作为光伏发电系统的关键部件，其作用是将太阳能电池板发出的直流电转换成与电网电压同频率、同相位的交流电，并将该交流电反馈至电网。电网因故中断供电时，逆变器仍向电网传输电能，其将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，这种现象即称为孤岛现象。如果没有任何孤岛检测或保护技术，逆变器会持续给本地负载和局部电网负载供电。光伏并网发电系统处于孤岛运行状态时会产生严重的后果：电网无法控制孤岛中的电压和频率，若电压和频率超出允许的范围，可能会对用户的设备造成损坏；若负载容量大于光伏发电系统容量，光伏发电系统过载运行，易被烧毁；与光伏发电系统相连的线路仍然带电，对检修人员造成危险，降低电网的安全性；对孤岛进行重合闸操作会导致线路再次跳闸，还有可能损坏光伏发电系统和其他设备。可见，逆变器应具有快速准确的孤岛检测响应功能，这对于将孤岛产生的危害降至最低具有十分重要的现实意义。

现有孤岛检测方法主要有被动检测、以及主动检测的方法。被动检测利用电网断电时逆变器输出端电压、频率、相位或谐波的变化进行孤岛效应检测。该方法是一种主要通过过/欠电压和过/欠频检测法来确定是否发生孤岛现象，在公共耦合点的电压幅值和频率超过正常范围时，停止逆变器并网运行的检测方法。逆变器工作时，电压、频率的工作范围要合理设置，如果电压或频率偏移达到孤岛检测设定阀值，则可检测到孤岛发生。然而当逆变器所带的本地负荷与其输出功率接近于匹配时，则电压和频率的偏移将非常小甚至为零，因此该方法存在着较大的盲区，对于负载匹配很好的系统，被动检测方法失效。

主动检测方法是指通过控制逆变器，使其输出功率、频率或相位存在一定的扰动。电网正常工作时，由于电网的平衡作用，检测不到这些扰动。一旦电网出现故障，逆变器输出的扰动将快速累积并超出允许范围，从而触发孤岛效应检测电路。该方法检测精度高，非检测区小，但是控制较复杂，且降低了逆变器输出电能的质量。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种能够避免检测盲区，且控制简单，能够快速、准确的进行逆变器孤岛检测的孤岛检测方法及系统。

（二）技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种孤岛检测方法，包括：采集发电系统并网点的电压信号，并提取其相位信息的步骤；根据所述相位信息，采用二次函数的方式构建滑模频率偏移孤岛检测曲线的步骤；以及根据所述滑模频率偏移孤岛检测曲线生成扰动信号并发送至发电系统的逆变器的步骤。

优选地，采用二次函数的方式构建的滑模频率偏移孤岛检测曲线如下：

θ＝Δf(a|Δf|+b)，-M≤θ≤M

其中，θ为所述扰动信号的相位，Δf＝f-f_g，f_g是电网额定频率，f是当前采集到的电压信号的频率，M为预设的扰动信号最大幅值，a、b为预设参数。

优选地，生成的扰动信号如下：

(ωt)’=ωt+θ

其中，ωt为提取的相位信息，(ωt)’为生成的扰动信号，θ为所述扰动信号的相位。

优选地，f_g=50Hz。

优选地，所述检测方法还包括：根据所述采集到的电压信号和提取的相位信息得到电压峰值和频率，若所述并网点的电压信号的电压峰值超出预设电压范围，或所述并网点的电压信号的频率超出预设频率范围，则切断所述发电系统中逆变器与本地负载的连接。

优选地，所述预设电压范围为[0.8V，1.2V]，所述预设频率范围[49.5Hz，50.5Hz]。

本发明还提供一种孤岛检测系统，该系统包括：采集模块，用于采集发电系统并网点的电压信号，并提取其相位信息；孤岛检测模块，用于根据所述相位信息，采用二次函数的方式构建滑模频率偏移孤岛检测曲线；驱动模块，用于根据所述滑模频率偏移孤岛检测曲线生成扰动信号并发送至发电系统的逆变器。

优选地，所述孤岛检测模块采用二次函数的方式构建的滑模频率偏移孤岛检测曲线如下：

θ＝Δf(a|Δf|+b)，-M≤θ≤M

其中，θ为所述扰动信号的相位，Δf＝f-f_g，f_g是电网额定频率，f是采集到的当前电压信号的频率，M为预设的扰动信号最大幅值，a、b为预设参数。

优选地，所述驱动模块根据所述滑模频率偏移孤岛检测曲线生成的扰动信号如下：

(ωt)’=ωt+θ

ωt为提取的相位信息，(ωt)’为生成的扰动信号，θ为所述扰动信号的相位。

优选地，所述孤岛检测模块还用于根据所述采集到的电压信号和提取的相位信息得到的电压峰值和频率判断，若所述并网点的电压信号的电压峰值超出预设电压范围，或所述并网点的电压信号的频率超出预设频率范围，则切断所述发电系统中逆变器与本地负载的连接。

优选地，所述采集模块包括依次连接的：传感器、调理电路以及锁相环。

（三）有益效果

本发明方法及系统采用主动与被动结合的检测方法，能够避免检测盲区，且控制简单，能够快速、准确的进行逆变器孤岛检测，此外，根据当前采样的并网点电压信号的频率，采用二次函数的方式构建SMS曲线，在方法运行过程中，所占用的CPU资源小，便于嵌入式系统的开发；计算简单，通过对相关参数的设定可获得需要的检测响应时间。

附图说明

图1为依照本发明一种实施方式的孤岛检测方法流程图；

图2为依照本发明一种实施方式的孤岛检测方法所生的SMS曲线与负载曲线的关系示意图；

图3为传统的光伏发电系统与依照本发明一种实施方式的孤岛检测系统结构框图。

具体实施方式

本发明提出的孤岛检测方法及系统，结合附图及实施例详细说明如下。

本发明的方法及系统采用主动与被动结合的检测方法进行并网逆变器的孤岛检测，且主要利用主动检测方法中的滑模频率偏移检测法（Slip-Mode Frequency Shift，SMS），SMS是一种主动式孤岛检测方法。该方法控制逆变器的输出电流，引入一个小的相移扰动，使其与并网点电压间存在一定的相位差，在逆变器与电网连接的情况下，由于电网的钳位作用，逆变器输出的电流与电网电压同相位，输出频率保持稳定且与电网同频。当电网故障时，且逆变器运行于本地负载匹配很好的情况下，逆变器与本地负载形成孤岛系统，此时基于SMS的主动孤岛检测扰动使相角与频率形成正反馈，从而导致逆变器的输出电流的频率和并网点处电压的变化，触发过/欠压、过/欠频故障的发生，切断逆变器与本地负载的连接。本发明的方法及系统利用二次函数的方式构建SMS曲线，通过调整控制参数，使在孤岛发生时，逆变器的输出频率与相位信息之间存在正反馈，进而触发过/欠频或过/欠压故障（即切断逆变器与负载之间的连接），使逆变器停止向负载供电，从而提高光伏系发电系统的安全性。

下面以光伏发电系统为例，来说明本发明，其它例如风力发电系统等仍可使用本发明，在此不作为对本发明的限制。

如图1所示，依照本发明一种实施方式的光伏并网逆变器孤岛检测方法包括：

采集光伏发电系统并网点的电压信号，并提取其相位信息的步骤，其中，并网点为经过滤波等处理后的逆变器输出信号接入电网以及本地负载处。

根据该并网点电压信号的相位信息ωt和频率f，采用二次函数的方式构建SMS曲线的步骤。以及

根据SMS曲线生成扰动信号并发送至光伏发电系统的逆变器的步骤。

需要说明的是，孤岛检测是一个实时进行的连续过程，即本发明根据前一时刻采集到的电压信号、该电压信号的相位信息和频率，根据SMS曲线生成扰动信号，并将生成的扰动信号发送至逆变器，然后在下一次循环过程中采集受到扰动后的电压信号、该电压信号的相位信息和频率，进行检测，如此往复循环。

该孤岛检测方法还包括：根据采集到的并网点电压信号和提取的相位信息和频率判断：若采集到的当前并网点的电压信号的电压峰值Vp（根据该相位信息计算该电压峰值Vp，此为本领域成熟的技术）超出预设电压范围（过/欠压阈值），或并网点的电压信号的频率超出预设频率范围（过/欠频阈值），则切断光伏发电系统中逆变器与本地负载的连接。该切断过程由断路器执行。

根据并入的电网电压，优选预设电压范围为[0.8V，1.2V]，预设频率范围[49.5Hz，50.5Hz]。

本实施方式的方法采用二次函数的方式构建新型的SMS曲线如下：

θ＝Δf(a|Δf|+b)，-M≤θ≤M        （1）

其中，θ为扰动信号的相位，Δf＝f-f_g，f_g是电网额定频率，通常为50Hz，f是采集到的当前电压信号的频率，M为预设的扰动信号最大幅值（限幅值），a、b、M均为预设参数。生成的SMS曲线为二次曲线，其与负载曲线关系如图2所示。如图2中所示，本实施方式的方法所构建的SMS二次曲线斜率要大于负载曲线斜率。当出现孤岛时，逆变器输出信号的相位信息与频率形成正反馈，直至触发过/欠压或过/欠频保护。

a、b以及M三个参数可以根据所需要的检测时间（检测时间定义为从出现孤岛现象到断路器关断的时间）来预先设置。a、b值越大，检测时间越短，M值影响逆变器输出电流的谐波含量，M值应当在逆变器输出电流谐波含量符合要求的范围内设置。

根据SMS曲线生成的扰动信号(ωt)’为：

(ωt)’=ωt+θ          （2）

其中，ωt为提取的相位信息，(ωt)’为生成的扰动信号，θ为所述扰动信号的相位。

如图3所示，传统的光伏发电系统包括光伏电池板1、逆变器2、滤波器3、以及变压器4。变压器4的输出连接电网以及本地负载（RLC），连接点即为并网点。依照本发明一种实施方式的孤岛检测系统包括：采集模块5、孤岛检测模块6、以及驱动模块7。

采集模块5优选由依次连接的传感器、调理电路、以及锁相环构成（不限于此），其用于由传感器采集光伏发电系统并网点（图中虚线椭圆框）的电压信号Vab，并经过调理电路处理后由锁相环提取其相位信息ωt以及频率f，锁相环的输出作为孤岛检测模块6的输入，优选地，该锁相环在数字信号处理（DSP）中实现。孤岛检测模块6根据采集模块5相位信息，根据公式（1）计算出扰动信号的目标相位θ，采用上述二次函数的方式构建SMS曲线，该孤岛检测模块6可优选地与锁相环在同一块DSP中实现，但不限于此。驱动模块7根据该SMS曲线和公式（2）生成最终的扰动信号并发送至光伏发电系统的逆变器2，同时驱动逆变器2输出相应的电流，从而使主动孤岛检测扰动的相位信息与频率形成正反馈。孤岛检测模块6时刻检测孤岛现象的发生，在孤岛导致的频率和并网点处电压的变化触发过/欠压、过/欠频故障的发生时，使断路器8断开，切断逆变器2与本地负载之间的连接，逆变器2停止向负载侧供电，直到电网恢复。该驱动模块7优选地使用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）的方法生成该扰动信号，且可使用PWM电路来实现，该PWM电路为本领域成熟的技术，在此不再赘述。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种孤岛检测方法，其特征在于，包括：

采集发电系统并网点的电压信号，并提取其相位信息的步骤；

根据所述相位信息，采用二次函数的方式构建滑模频率偏移孤岛检测曲线的步骤；以及

根据所述滑模频率偏移孤岛检测曲线生成扰动信号并发送至发电系统的逆变器的步骤；

其中，采用二次函数的方式构建的滑模频率偏移孤岛检测曲线如下：

θ＝Δf(a|Δf|+b)，-M≤θ≤M

其中，θ为所述扰动信号的相位，Δf＝f-f_g，f_g是电网额定频率，f是当前采集到的电压信号的频率，M为预设的扰动信号相位的最大值，a、b为预设参数；

其中，生成的扰动信号如下：

(ωt)’＝ωt+θ

其中，ωt为提取的相位信息，(ωt)’为生成的扰动信号，θ为所述扰动信号的相位。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，f_g＝50Hz。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测方法还包括：

根据所述采集到的发电系统并网点的电压信号和提取的相位信息得到电压峰值和频率，若所述并网点的电压信号的电压峰值超出预设电压范围，或所述并网点的电压信号的频率超出预设频率范围，则切断所述发电系统中逆变器与本地负载的连接。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设电压范围为[0.8V，1.2V]，所述预设频率范围[49.5Hz，50.5Hz]。

5.一种孤岛检测系统，其特征在于，该系统包括：

采集模块，用于采集发电系统并网点的电压信号，并提取其相位信息；

孤岛检测模块，用于根据所述相位信息，采用二次函数的方式构建滑模频率偏移孤岛检测曲线；

驱动模块，用于根据所述滑模频率偏移孤岛检测曲线生成扰动信号并发送至发电系统的逆变器；

其中，所述孤岛检测模块采用二次函数的方式构建的滑模频率偏移孤岛检测曲线如下：

θ＝Δf(a|Δf|+b)，-M≤θ≤M

其中，θ为所述扰动信号的相位，Δf＝f-f_g，f_g是电网额定频率，f是采集到的当前电压信号的频率，M为预设的扰动信号相位的最大值，a、b为预设参数；

其中，所述驱动模块根据所述滑模频率偏移孤岛检测曲线生成的扰动信号如下：

(ωt)’＝ωt+θ

其中，ωt为提取的相位信息，(ωt)’为生成的扰动信号，θ为所述扰动信号的相位。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述孤岛检测模块还用于根据所述采集到的发电系统并网点的电压信号和提取的相位信息得到的电压峰值和频率判断，若所述并网点的电压信号的电压峰值超出预设电压范围，或所述并网点的电压信号的频率超出预设频率范围，则切断所述发电系统中逆变器与本地负载的连接。

7.如权利要求5-6任一项所述的系统，其特征在于，所述采集模块包括依次连接的：传感器、调理电路以及锁相环。