CN102879672A - 一种双向有功功率扰动孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向有功功率扰动孤岛检测方法, 在并网电流中加入正负的扰动量，计算 Uold和Unew的差值绝对值，将Uold和Unew的差值绝对值与设定的Uold和Unew电压差的最大容许值比较，Uold和Unew的差值绝对值连续大于设定的Uold和Unew电压差的最大容许值的次数大于或等于设定值，则检测到孤岛。其不仅能够及时有效地检测出孤岛现象，并且在公共耦合点处引入的谐波很小。

Description

一种双向有功功率扰动孤岛检测方法

技术领域：

本发明涉及到新能源发电系统，尤其是光伏并网发电系统中，并网逆变器应用领域的孤岛检测技术。

背景技术：

在光伏发电系统中，光伏阵列产生的电能经过电能转换装置——光伏并网逆变器后并入电网，其系统图见附图1所示。并网逆变器的输出经隔离变压器后与电网相连，其连接点称为公共耦合点PCC。

当电网由于电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，并网逆变器若不能及时检测到电网掉电而继续向外输送能量时，就会形成局部带有发电装置和负载的电网结构，从而形成孤岛，孤岛的发生一般是不可预测的，并且会带来很大的危害，因此在分布式发电系统控制方法中，需要有防孤岛检测方法。

目前孤岛检测方法主要有被动式检测法和主动式检测法。

被动式孤岛检测法是利用电网断电时逆变器输出电压幅值、频率、相位等的变化进行孤岛效应检测。当并网逆变器输出的有功功率不等于本地负载所消耗的有功功率，此时电网从有电转换到掉电状态时，并网逆变器输出侧电压产生变化；当并网逆变器输出的无功功率不等于本地负载所消耗的无功功率，此时电网从有电转换到掉电状态时，并网逆变器输出侧频率产生变化。但是当并网逆变器输出的有功功率和无功功率分别等于本地负载所消耗的有功功率和无功功率，电网从有电到掉电时，逆变器输出侧电压幅值与频率不变，被动式孤岛检测法将无法检测到孤岛，因此，被动式孤岛检测法存在孤岛检测盲区。

主动式孤岛检测法是对并网逆变器的输出引入扰动，使得孤岛发生后公共耦合点的电气参数发生变化，从而确定孤岛发生。主动式孤岛检测法通常采用频率扰动法、谐波注入法等，这类检测方法能够提高检测效率，减小检测盲区，但这类方法对并网电能质量有一定的影响，增加并网波形谐波。传统单方向有功功率扰动方法属于主动式检测方法，该方法会导致逆变器输入侧偏离正常工作点，尤其在光伏并网逆变器中，通常通过光伏并网逆变器的功率控制，使光伏阵列工作在最大功率点，若采用传统单方向有功功率扰动孤岛检测法将会使光伏阵列偏离最大功率点运行，光伏阵列将工作在MPPT(maximumpower point tracking)与单方向有功功率扰动的某一平衡点上(见附图2)，偏离最大功率点，降低系统效率。

发明内容：

为了能有效消除被动式孤岛检测法的检测盲区，减小主动式孤岛保护法对系统带来的影响，同时，在光伏并网系统中减小对光伏阵列输出功率的影响，本专利提出采用双向有功功率扰动的主动式孤岛检测方法，其不仅能够及时有效地检测出孤岛现象，并且在公共耦合点处引入的谐波很小。

为了达到上述目的，本发明是采用以下技术方案：

在并网电流中加入正负ΔI的扰动量，计算Uold和Unew的差值绝对值，将Uold和Unew的差值绝对值与设定的Uold和Unew电压差的最大容许值比较，Uold和Unew的差值绝对值连续大于设定的Uold和Unew电压差的最大容许值的次数大于或等于设定值，则检测到孤岛。

进一步，在并网电流中加入正负ΔI的扰动量，出现孤岛时，Uold和Unew的差值会随之出现正负，将Uold和Unew的差值取绝对值后与设定的Uold和Unew电压差的最大容许值比较，若Uold和Unew差值的绝对值大于设定的Uold和Unew电压差的最大容许值，则该时刻逆变器输出侧电压异常，连续出现异常情况并累计到允许的次数，则进行孤岛保护。

该方法具体包括以下步骤：

1)一个工频周期内，通过电压有效值计算公式

计算出并网逆变器输出电压的有效值，Uold为上一次计算出的有效值，Unew为当前计算出的有效值，设定Uold=Unew，u_n为在一个工频周期内的采样值，n>=1；

2)在并网逆变系统中的Iref中依次连续加入ΔI、-ΔI的电流扰动值，使并网功率在Iref的基础上有微小波动；

3)计算在并网逆变系统中加入正负交替出现的ΔI的电流扰动值后的并网电流给定值Iref′，Iref′=Iref+ΔI；

4)根据电压有效值计算公式

计算当前电压有效值Unew；

5)每个工频周期计算并网逆变器输出端电压偏差是否符合公式：ΔU=|Unew-Uold|>ΔULimit,如符合，则孤岛异常计数器的数值加1；如不符合，则孤岛异常计数器的数值清零；

6)查验孤岛异常计数器的数值是否大于设定次数值，如是，则并网逆变器输出侧电压连续出现异常情况累计超过允许的次数，孤岛保护动作启动；如不是，则并网逆变器输出侧电压出现异常情况累计次数在允许的范围内，不启动孤岛保护动作，结束检测；

上述：ΔU Limit是设定的Uold和Unew电压差的最大容许值；

Iref为并网逆变器在没有功率扰动时的并网电流参考值。

优选地，步骤1)中，通过电压有效值计算公式计算出并网逆变器输出电压的有效值，是在并网逆变器的输出端等间距采样n个电压点，将这n个采样的电压点通过电压有效值计算公式计算出并网逆变器输出电压的有效值。

更优选地，步骤6)中，设定次数值为大于1的整数，若要使系统孤岛保护灵敏，则该设定次数值设置为小的整数；否则，该设定次数值设置为大的整数。

本发明具有以下有益效果：

①该主动式孤岛检测法，在并网逆变器并网功率因数为1时，能够有效消除被动检测法的检测盲区；

②该主动式孤岛检测法引入输出侧的谐波含量很小；

③在光伏并网发电系统中，引入该主动式孤岛检测法，能使光伏阵列始终工作在最大功率点附近，不会偏离最大功率点，在保证孤岛保护有效性的前提下，又能提高系统发电效率。

附图说明：

图1是现有的光伏发电系统示意图。

图2是现有的单向有功功率扰动法使光伏阵列偏离最大功率点工作示意图。

图3是本发明所述的双向有功功率扰动孤岛检测方法的并网逆变系统图。

图4是本发明所述的双向有功功率扰动孤岛检测方法的双向有功功率扰动孤岛检测法的控制实施流程图。

图5是本发明所述的双向有功功率扰动孤岛检测方法的双向有功功率扰动法不影响光伏阵列工作于最大功率点示意图。

图6是本发明所述的双向有功功率扰动孤岛检测方法的有功功率扰动法检测孤岛效应输出侧电压电流波形。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的最佳实施方案作进一步的详细的描述。

本发明专利采用的双向有功功率扰动孤岛检测方法，基于并网逆变系统硬件架构(如图3所示)，所述并网逆变系统是将光伏阵列的直流电能转换成交流电能，并将该交流电能馈入电网的系统。因此系统中包括将直流电能转换成交流电能的高频开关脉冲宽度调制控制的单相或三相逆变桥，用于逆变桥与电网之间实现电气隔离的变压器，用于滤除高频逆变桥产生的高频谐波的LC滤波环节，用于逆变器并网控制的接触器，本地负载，电网以及用于产生逆变桥驱动信号、保护信号、系统状态控制信号的并网逆变控制器，并网电流在正常工作电流基础上有周期性的正负扰动信号，并网逆变系统还包括公共耦合点电压采样模块，经电压有效值计算后进行孤岛保护。

如图4所示，本发明实施例所述的双向有功功率扰动孤岛检测方法，是在并网电流中加入正负ΔI的扰动量，出现孤岛时，Uold和Unew的差值也会随之出现正负，将Uold和Unew的差值取绝对值后与ΔULimit比较，若Uold和Unew差值的绝对值大于ΔULimit，则说明该时刻逆变器输出侧电压是异常的，所连续出现异常情况并累计到允许的次数，则进行孤岛保护。

具体包括以下步骤：

1)一个工频周期内，在并网逆变器的输出端等间距采样n个电压点，将这n个采样的电压点通过电压有效值计算公式

(u_n为在一个工频周期内的采样值，n>=1，n为正整数)计算出并网逆变器输出电压的有效值，Uold为上一次计算出的有效值，Unew为当前计算出的有效值，设定Uold=Unew。

2)在并网逆变系统中的Iref中依次连续加入ΔI、-ΔI的电流扰动值，使并网功率在Iref的基础上有微小波动；

所述依次连续加入ΔI、-ΔI的电流扰动值具体为：加入一次ΔI的电流扰动值，然后加入一次-ΔI的电流扰动值，重复上述加入过程。

3)计算在并网逆变系统中加入正负交替出现的ΔI的电流扰动值后的并网电流给定值Iref′，Iref′=Iref+ΔI；

Iref为并网逆变器在没有功率扰动时的并网电流参考值，由于并网逆变器通常采用电流跟踪控制方式，输出电流与电网电压同步，功率因数近似为1，因此Iref决定了并网逆变器并入电网的有功功率大小。

4)根据电压有效值计算公式

计算当前电压有效值Unew。

5)每个工频周期计算并网逆变器输出端电压偏差是否符合公式：ΔU=|Unew-Uold|>ΔULimit,如符合，则孤岛异常计数器的数值加1；如不符合，则孤岛异常计数器的数值清零；

ΔULimit是设定的Uold和Unew电压差的最大容许值。

6)孤岛异常计数器的数值是否大于设定次数值，如是，则并网逆变器输出侧电压连续出现异常情况累计超过允许的次数，孤岛保护动作启动(封锁脉冲驱动信号、断开并网接触器)；如不是，则并网逆变器输出侧电压出现异常情况累计次数在允许的范围内，不启动孤岛保护动作，结束检测；

设定次数值为大于1的整数，若要使系统孤岛保护灵敏，则该数设得小点；否则，可放大该值。在程序中，假设设定为5，也就是若发生孤岛效应，5个工频周期可以检测到该孤岛。

其原理为：在并网电流Iref基础上叠加正负交替出现的扰动项，形成新的并网电流给定值Iref′，当电网正常时，由于电网的存在使得附图1中公共耦合点电压采样模块采样的电压信号就是电网电压信号，电压有效值计算模块计算的上一时刻耦合点电压值Uold，以及该时刻耦合点电压有效值Unew几乎相等，因此系统检测不到并网逆变器输出侧电压的变化；当电网掉电时，由于在并网电流中加入正负ΔI的扰动量，因此，电压采样模块检测的公共耦合点处电压信号随着正负扰动项而变化，若持续检测到耦合点处电压有效值ΔU正负波动，则表明该并网系统工作于孤岛运行状态，控制系统将封锁逆变桥驱动信号，断开并网接触器，实现孤岛保护。

双向有功功率扰动法不是在并网逆变器的高频开关周期中注入扰动项，因此对并网耦合点处电压及电流的谐波影响小。

在光伏并网发电系统中，传统的单向有功功率扰动法将使光伏阵列的工作点按一个方向偏移当前最大功率点，降低系统效率。而双向有功功率扰动是在正常并网电流基础上叠加正负交替的扰动项，正负交替出现的扰动项在一个正负扰动周期中将抵消对正常并网电流的影响，因此双向有功功率扰动孤岛检测法既能有效检测孤岛运行状态，同时对并网电流正常值影响小，在光伏并网逆变器中，引入该方法不会使系统工作点偏离最大功率点(见第九节技术附图5)，保证系统的经济运行。

采用双向有功功率扰动检测方法时，并网逆变器输出侧电压与电流波形见第九节技术附图6。图中显示为并网逆变器相电流与相电压波形，从波形中可以看出，并网电流的扰动量持续存在，在电网电压正常时(图中测量时间的纵坐标a之前)，虽然有并网逆变器输出电流的微小扰动，但由于电网存在，输出侧电压维持稳定；当电网电压掉电后(图中测量时间的纵坐标a之后)，由于电网掉电，并网电流的微小扰动在负载侧引起电压波动，在持续检测到该电压波动几个周波后，并网逆变控制器封锁驱动信号，断开并网接触器，有效进行孤岛保护。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，便于该技术领域的技术人员能理解和应用本发明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干简单推演或替换，而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双向有功功率扰动孤岛检测方法，其特征在于：在并网电流中加入正负ΔI的扰动量，计算Uold和Unew的差值绝对值，将Uold和Unew的差值绝对值与设定的Uold和Unew电压差的最大容许值比较，Uold和Unew的差值绝对值连续大于设定的Uold和Unew电压差的最大容许值的次数大于或等于设定值，则检测到孤岛。

2.根据权利要求1所述的一种双向有功功率扰动孤岛检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)一个工频周期内，通过电压有效值计算公式

计算出并网逆变器输出电压的有效值，Uold为上一次计算出的有效值，Unew为当前计算出的有效值，设定Uold=Unew，u_n为在一个工频周期内的采样值，n>=1；

2)在并网逆变系统中的Iref中依次连续加入ΔI、-ΔI的电流扰动值，使并网功率在Iref的基础上有微小波动；

3)计算在并网逆变系统中加入正负交替出现的ΔI的电流扰动值后的并网电流给定值Iref′，Iref′=Iref+ΔI；

4)根据电压有效值计算公式

计算当前电压有效值Unew；

5)每个工频周期计算并网逆变器输出端电压偏差是否符合公式：ΔU=|Unew-Uold|>ΔULimit,如符合，则孤岛异常计数器的数值加1；如不符合，则孤岛异常计数器的数值清零；

6)查验孤岛异常计数器的数值是否大于设定次数值，如是，则并网逆变器输出侧电压连续出现异常情况累计超过允许的次数，孤岛保护动作启动；如不是，则并网逆变器输出侧电压出现异常情况累计次数在允许的范围内，不启动孤岛保护动作，结束检测；

上述：ΔULimit是设定的Uold和Unew电压差的最大容许值；

Iref为并网逆变器在没有功率扰动时的并网电流参考值。

3.根据权利要求2所述的一种双向有功功率扰动孤岛检测方法，其特征在于：步骤1)中，通过电压有效值计算公式计算出并网逆变器输出电压的有效值，是在并网逆变器的输出端等间距采样n个电压点，将这n个采样的电压点通过电压有效值计算公式计算出并网逆变器输出电压的有效值。

4.根据权利要求2所述的一种双向有功功率扰动孤岛检测方法，其特征在于：步骤6)中，设定次数值为大于1的整数，若要使系统孤岛保护灵敏，则该设定次数值设置为小的整数；否则，该设定次数值设置为大的整数。

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