CN103048558A - 一种混合主动式防孤岛效应的检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合主动式防孤岛效应的检测方法及系统，包括获取每个控制周期内电网频率的变化值；采用正反馈频移方法，通过增益处理，获取电网频率的变化值对无功功率参考值的影响，该无功功率参考值在每个控制周期内的变化值和之间的对应关系为：，其中：是孤岛效应预检测的增益；当电网频率的变化值发生了0.1Hz的频移时，则判定在逆变器中有可能产生孤岛现象，启动主动式孤岛检测方法进行进一步的孤岛检测；否则，重新获取电网频率的变化值，对进行增益处理。本发明一种混合主动式防孤岛效应的检测方法及系统，该方法只在检测到孤岛效应可能发生时才向电网注入干扰信号，并通过RS触发器在所有逆变器中同时触发主动式孤岛检测方法，这也就保持了所有逆变器之间的同步，从而可以消除分布式发电系统中的稀释效应，最终保证了孤岛效应检测的有效性。

Description

一种混合主动式防孤岛效应的检测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种防孤岛效应的检测方法及系统，尤其涉及一种混合主动式防孤岛效应的检测方法及系统。 

背景技术

常用的孤岛检测方法可分为两类：被动式检测与主动式检测。被动式主要监测因电网断开连接造成公共耦合点电压参数出现异常进行孤岛检测；主动式方法则周期性向公共耦合点注入干扰信号，据逆变器响应信息判断是否存在孤岛效应。 

所有被动式方法面临的共性问题是如何调整阈值，因为该类方法对阈值设置非常敏感，不合适的阈值会增加对逆变器造成损害的可能性，同时增大被动式检测方法的检测盲区（NDZ）。 

目前已有的主动式防孤岛方法存在两个主要的问题。首先，大部分的主动式防孤岛方法，例如RPV（Reactive Power Variation，无功功率扰动，简称“RPV”）、频移、电压偏移、主动式频移脉冲斩波因子，这些方法需要不断的向电网注入干扰信号，影响了电能质量。另外一个关键的问题是，一些主动式防孤岛方法在多逆变器并联时会产生稀释效应。例如在多逆变器级联的分布式发电系统中，由于缺乏同步性，当某一个逆变器向公共耦合点注入干扰信号时可能抵消掉其他逆变器向公共耦合点注入的信号，从而导致主动式防孤岛方法失效。 

发明内容

本发明解决的技术问题是：构建一种混合主动式防孤岛效应的检测方法及系统，克服现有技术需要不断的向电网注入干扰信号，影响了电能质量以及主动式防孤岛方法容易失效的技术问题。 

本发明的技术方案是：提供一种混合主动式防孤岛效应的检测方法，包括如下步骤： 

A：获取每个控制周期内电网频率的变化值Δω； 

B：采用正反馈频移方法，通过增益处理，获取电网频率的变化值Δω对无功功率参考值Q_ref的影响，该无功功率参考值Q_ref在每个控制周期内的变化值ΔQ_GCC和Δω之间的对应关系为：ΔQ_GCC=K_pfΔω，其中：K_pf是孤岛效应预检测的增益；通过该步骤得到最新的无功功率参考值Q_ref，将Q_ref反馈至逆变器控制器中，该值影响逆变器输出端的三相电压v_g以及三相电流i_g，进一步通过数字锁相环获知最新的电网频率ω，之后通过步骤A获取下个控制周期的电网频率变化值Δω，最终完成整个正反馈过程； 

C：当电网频率的变化值Δω发生了0.1Hz的频移时，则判定在逆变器中有可能产生孤岛现象，启动主动式孤岛检测方法进行进一步的孤岛检测；否则，重复上述A、B、C步骤。 

本发明的进一步技术方案是：所述主动式孤岛检测方法包括RPV方法。 

本发明的进一步技术方案是：在获取电网频率的变化值Δω中包括采用有限脉冲响应滤波器（FIR）及派生的滤波器（δu/δt）来滤除电网频率中可能存在的直流分量。 

本发明的进一步技术方案是：为维持分布式发电系统的稳定性，最大的正反馈参考值限定在逆变器输出功率的±0.5%之内。 

本发明的进一步技术方案是：在获取电网频率的变化值Δω前，用低通滤波器过滤测量到的电网频率中可能存在的高频干扰和噪声。 

本发明的技术方案是：构建一种混合主动式防孤岛效应的检测系统，正反馈模块包括对电网频率的变化值Δω获取的滤波模块、对电网频率的变化值Δω进行增益处理的增益处理模块、进行孤岛效应的判断和启动防护的比较触发模块，所述滤波模块获取每个控制周期内电网频率的变化值Δω；所述增益处理模块获取电网频率的变化值Δω对无功功率参考值Q_ref的影响，该无功功率参考值Q_ref在每个控制周期内的变化值ΔQ_Gcc和Δω之间的对应关系为：ΔQ_GCC=K_pfΔω，其中：K_pf是孤岛效应预检测的增益；当电网频率的变化值Δω发生了0.1Hz的频移时，所述比较触发模块判定在逆变器中有可能产生孤岛现象，启动主动式孤岛检测方法进行进一步的孤岛检测，否则，重新获取电网频率的变化值Δω，对电网频率的变化值Δω进行增益处理以及正反馈过程。 

本发明的进一步技术方案是：所述频率获取模块包括对获取的频率进行滤波处理的滤波模块。 

本发明的进一步技术方案是：采用低通滤波器过滤测量到的电网频率中可能存在的高频干扰和噪声。 

本发明的进一步技术方案是：采用有限脉冲响应滤波器（FIR）及派生的滤波器（δu/δt）来滤除电网频率中可能存在的直流分量。 

本发明的进一步技术方案是：所述比较触发模块包括比较器和触发器。 

本发明的技术效果是：提供一种混合主动式防孤岛效应的检测方法及系统，包括获取每个控制周期内电网频率的变化值Δω；采用正反馈频移方法，通过增益处理，获取电网频率的变化值Δω对无功功率参考值Q_ref的影响，该无功功率参考值Q_ref在每个控制周期内的变化值ΔQ_GCC和Δω之间的对应关系为： ΔQ_GCC=K_pfΔω，其中：K_pf是孤岛效应预检测的增益；当电网频率的变化值Δω发生了0.1Hz的频移时，则判定在逆变器中一个孤岛有可能发生，启动主动式孤岛检测方法进行进一步的孤岛检测；否则，重新获取电网频率的变化值Δω，对电网频率的变化值Δω进行增益处理。本发明一种混合主动式防孤岛效应的检测方法及系统，该方法只在检测到孤岛效应可能发生时才向电网注入干扰信号，并通过一个RS触发器在所有逆变器中同时触发主动式孤岛检测方法，这也就保持了所有逆变器之间的同步，从而可以消除分布式发电系统中的稀释效应，最终保证了孤岛效应检测的有效性。 

附图说明

图1为本发明的电网结构示意图。 

图2为本发明混合主动式防孤岛效应系统的结构示意图。 

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。 

如图1所示，本发明的具体实施方式是：光伏系统或风力发电系统等可再生能源输出直流电能，输入至逆变器，由逆变器将电能逆变输出交流电能，输入至谐波滤波器，通过谐波滤波器滤除谐波来满足电网规范，之后再通过变压器提高分布式发电系统的输出电压并滤除直流分量，最终将电能输送至电网。逆变器控制器是用来监测和控制逆变器的运行，其所需要的输入参数包括由最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,简称MPPT）模块提供的一个有功功率参考值P_ref、电网侧的三相电压（v_g）、逆变器输出端的三相电流（i_g）以及通过我们的混合主动式孤岛检测方法提供的无功功率参考值Q_ref。检测到的电 网侧的三相电压（v_g）提供给数字锁相环（PLL）模块，以确保并网电流的频率和相位与电网电压的同步，并输出电网频率ω，该值输入至PFFS（PositiveFeedback Frequency Shift，正反馈频移）方法以完成孤岛预检测。 

如图2所示，步骤A:获取每个控制周期内电网频率的变化值Δω。PFFS孤岛预检测方法的输入参数是由数字锁相环（PLL）输出的电网频率ω。PFFS方法首先是通过滤波模块对电网频率进行滤波，该模块输出结果是每个控制周期内频率的变化值Δω，具体过程如下：首先是调用低通滤波器过滤测量到的电网频率中存在的高频干扰和噪声，本发明具体实施例中的低通滤波器使用的角频率为25Hz，其对应的响应时间为0.04秒；在每个控制周期内应用一个有限脉冲响应滤波器（FIR）及派生的滤波器（δu/δt）来滤除电网频率中存在的直流分量，并监测每个控制周期内电网频率的变化情况，滤波模块的输出结果是每个控制周期内频率的变化值Δω。具体实施例中，每个控制周期为0.2秒。 

步骤B：采用正反馈频移方法，通过增益处理，获取电网频率的变化值Δω对无功功率参考值Q_ref的影响，该无功功率参考值Q_ref在每个控制周期内的变化值ΔQ_GCC和Δω之间的对应关系为：ΔQ_GCC=K_pfΔω，其中：K_pf是孤岛效应预检测的增益；通过该步骤得到最新的无功功率参考值Q_ref，将Q_ref反馈至逆变器控制器中，该值影响逆变器输出端的三相电压v_g以及三相电流i_g，进一步通过数字锁相环获知最新的电网频率ω，之后通过步骤A获取下个控制周期的电网频率变化值Δω，最终完成整个正反馈过程；具体过程如下：PFFS孤岛预检测方法通过增益处理模块得到其输出参数：Q_ref该值在每个控制周期内无功功率参考值的变化值ΔQ_GCC和Δω之间的对应关系为：ΔQ_GCC=K_pfΔω，这里K_pf是PFFS孤岛效应预检测方法的增益，K_pf的最低值可以如下推出：

K_pf值越大意味着在相同频率变化情况下对无功功率参考值存在着更大的干扰，这样肯定会 使得孤岛检测更可靠。然而，如果选择的增益过大则会对电网质量产生一个相反地影响。本发明中，增益K_pf值被设为0.08，该值使得在电网频率变化的步长为0.1Hz时，相应的无功功率扰动为0.5%。Q_ref随着锁相环测量到的电网频率的增大而增加。当测量到的频率ω增加，防孤岛方法会成比例的增大逆变器产生的Q_ref。因此，为保持与无功功率的平衡，电网频率会不断增加。而频率的增大会进一步驱使逆变器无功功率的提高，这就是所谓的正反馈频移方法。为维持DG系统的稳定性，正反馈参考值的最大值被限制到逆变器输出功率的±0.5%，在我们的方法中，这部分功能是通过一个阈值限定部分来完成的，将计算出的结果与预定的无功功率Q*求和得到新的Q_ref。在电网正常运行时，电网频率几乎是固定不变的。当电网发生故障并失去连接时，电网频率将发生偏移，其偏移量Δω与负载的功率因数Q_f、并网逆变器输出的有功功率P_GCC和无功功率Q_GCC、负载的功率因数Q_f以及电网额定频率ω_n有关，其对应关系公式如等式所示： 

$\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\widetilde{=}\frac{1}{2Q_f}\frac{{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{GCC}}}{P_{\mathrm{GCC}}}$

步骤C:当电网频率的变化值Δω发生了0.1Hz的频移时，则判定在逆变器中有可能产生孤岛现象，启动主动式孤岛检测方法进行进一步的孤岛检测；否则，重复上述A、B、C步骤。该步骤首先通过一个比较器来检测频移是否满足触发条件，如果检测到发生了0.1Hz的频移，则表明在逆变器中一个孤岛有可能发生，然后通过RS触发器启动主动式孤岛检测方法进行进一步的孤岛检测；如果频移不满足触发条件，则转至步骤A，重新开始孤岛预检测。 

光伏系统正常并网运行时无频率偏差，因此不存在扰动量，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。因此，RPV方法通过对逆变器的输入引入扰动，打破了孤岛运行下系统和负载之间的平衡，促使公共节点电压超出阈值范围，从而检测出孤岛。 

基于IEEE标准1547，对于接入到分布式系统中的额定功率不超过10MVA的逆变器，必须能够检测到孤岛效应并且能够在孤岛发生时在2秒钟之内停止供电。预检测时间（T₀）是PFFS孤岛预检测方法在检测到孤岛可能发生之后将频率偏移0.1Hz所需要的时间，T_O由低通滤波器引入的时间延迟T_LPF、电网断开连接时无功功率发生0.5%的偏移且电网频率发生0.1Hz的偏移所需要的时间T_Q以及电流环建立时间T_VOC三部分组成，即：T_O≤T_LPF+T_VOC+T_Q，低通滤波器使用的角频率为25Hz，其对应的响应时间为0.04秒，即T_LPF值为40ms，T_Q大约是33.3ms，T_VOC是电流控制沉降时间，其值与谐波滤波器的时间常数T_P滤波器的总电感L_g和总电阻R_g有关，由此可得，T_O≤T_LPF+T_VOC+T_Q≈100ms，即本发明提出的混合主动式孤岛检测方法符合该标准要求。 

如图2所示，本发明的具体实施方式是：构建一种混合主动式防孤岛效应的检测系统，所述正反馈模块得到最新的无功功率参考值Q_ref，将Q_ref反馈至逆变器控制器中，该值影响逆变器输出端的三相电压v_g以及三相电流i_g，进一步通过数字锁相环获知最新的电网频率ω，之后通过步骤A获取下个控制周期的电网频率变化值Δω，最终完成整个正反馈过程；正反馈模块包括对电网频率的变化值Δω获取的滤波模块、对电网频率的变化值Δω进行增益处理的增益处理模块、进行孤岛效应的判断和启动防护的比较触发模块，所述滤波模块获取每个控制周期内电网频率的变化值Δω；所述增益处理模块获取电网频率的变化值Δω对无功功率参考值Q_ref的影响，该无功功率参考值Q_ref在每个控制周期内的变化值ΔQ_GCC和Δω之间的对应关系为：ΔQ_GCC=K_pfΔω，其中：K_pf是孤岛效应预检测的增益；当电网频率的变化值Δω发生了0.1Hz的频移时，所述比较触发模块判定在逆变器中有可能产生孤岛现象，启动主动式孤岛检测方法进行进一步的孤岛检测，否则，重新获取电网频率的变化值Δω，对电网频率的变化值Δω进行增益 处理以及正反馈过程。 

具体实施过程如下：首先是调用低通滤波器过滤测量到的电网频率中存在的高频干扰和噪声，本发明具体实施例中的低通滤波器使用的角频率为25Hz，其对应的响应时间为0.04秒；然后是在每个控制周期内应用一个有限脉冲响应滤波器（FIR）及派生的滤波器（δu/δt）来滤除电网频率中存在的直流分量，并监测每个控制周期内电网频率的变化情况，滤波模块的输出结果是每个控制周期内频率的变化值Δω。具体实施例中，每个控制周期为0.2秒。 

PFFS孤岛预检测方法通过增益处理模块得到其输出参数：Q_ref该值在每个控制周期内无功功率参考值的变化值ΔQ_GCC和Δω之间的对应关系为：ΔQ_GCC=K_pfΔω，这里K_pf是PFFS孤岛效应预检测方法的增益，K_pf的最低值可以如下推出：K_pf值越大意味着在相同频率变化情况下对无功功率参考值存在着更大的干扰，这样肯定会使得孤岛检测更可靠。然而，如果选择的增益过大则会对电网质量产生一个相反地影响。本发明中，增益K_pf值被设为0.08，该值使得在电网频率变化的步长为0.1Hz时，相应的无功功率扰动为0.5%。Q_ref随着锁相环测量到的电网频率的增大而增加。当测量到的频率ω增加，防孤岛方法会成比例的增大逆变器产生的Q_ref因此，为保持与无功功率的平衡，电网频率会不断增加。而频率的增大会进一步驱使逆变器无功功率的提高，这就是所谓的正反馈频移方法。为维持DG系统的稳定性，正反馈参考值的最大值被限定在逆变器输出功率的±0.5%之内，在我们的方法中，这部分功能是通过一个阈值限定部分来完成的，将计算出的结果与预定的无功功率Q*求和得到新的Q_ref。在电网正常运行时，电网频率几乎是固定不变的。当电网发生故障并失去连接时，电网频率将发生偏移，其偏移量Δω与负载的功率因数Q_f、并网逆变器输出的有功功率P_GCC和无功功率Q_GCC、负载的功率因数Q_f以及电网额定频率ω_n 有关，其对应关系公式如等式所示： 

$\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\widetilde{=}\frac{1}{2Q_f}\frac{{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{GCC}}}{P_{\mathrm{GCC}}}$

当电网频率的变化值Δω发生了0.1Hz的频移时，则判定在逆变器中一个孤岛有可能发生，启动主动式孤岛检测方法进行进一步的孤岛检测；否则，重复上述A、B、C步骤。该步骤首先通过一个比较器来检测频移是否满足触发条件，如果检测到发生了0.1Hz的频移，则表明在逆变器中一个孤岛有可能发生，然后通过一个RS触发器在短时间内将频率或电压设置成超出可接受范围，启动主动式孤岛检测方法进行进一步的孤岛检测；如果频移不满足触发条件，重新获取电网频率的变化值Δω，对电网频率的变化值Δω进行增益处理。 

本发明的技术效果是：提供一种混合主动式防孤岛效应的检测方法及系统，包括获取每个控制周期内电网频率的变化值Δω；采用正反馈频移方法，通过增益处理，获取电网频率的变化值Δω对无功功率参考值Q_ref的影响，该无功功率参考值Q_ref在每个控制周期内的变化值ΔQ_GCC和Δω之间的对应关系为：ΔQ_GCC=K_pfΔω，其中：K_pf是孤岛效应预检测的增益；当电网频率的变化值Δω发生了0.1Hz的频移时，则判定在逆变器中一个孤岛有可能发生，启动主动式孤岛检测方法进行进一步的孤岛检测；否则，重新获取电网频率的变化值Δω，对电网频率的变化值Δω进行增益处理。本发明一种混合主动式防孤岛效应的检测方法及系统，该方法只在检测到孤岛效应可能发生时才向电网注入干扰信号，并通过一个RS触发器在所有逆变器中同时触发主动式孤岛检测方法，这也就保持了所有逆变器之间的同步，从而可以消除分布式发电系统中的稀释效应，最终保证了孤岛效应检测的有效性。 

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，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，都应当视为属于本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种混合主动式防孤岛效应的检测方法，包括如下步骤：

A：获取每个控制周期内电网频率的变化值                                                

；

B：采用正反馈频移方法，通过增益处理，获取电网频率的变化值对无功功率参考值

的影响，该无功功率参考值

在每个控制周期内的变化值

和

之间的对应关系为：，其中：是孤岛效应预检测的增益；通过该步骤得到最新的无功功率参考值，将

反馈至逆变器控制器中，该值影响逆变器输出端的三相电压

以及三相电流

，进一步通过数字锁相环获知最新的电网频率

，之后通过步骤A获取下个控制周期的电网频率变化值

，最终完成整个正反馈过程；

C：当电网频率的变化值

发生了0.1Hz的频移时，则判定在逆变器中有可能产生孤岛现象，启动主动式孤岛检测方法进行进一步的孤岛检测；否则，重复上述A、B、C步骤。

2.根据权利要求1所述混合主动式防孤岛效应的检测方法，其特征在于，所述主动式孤岛检测方法包括RPV方法。

3.根据权利要求1所述混合主动式防孤岛效应的检测方法，其特征在于，在获取电网频率的变化值

中包括采用有限脉冲响应滤波器及派生的滤波器来滤除电网频率中可能存在的直流分量。

4.根据权利要求1所述混合主动式防孤岛效应的检测方法，其特征在于，为维持分布式发电系统的稳定性，最大的正反馈参考值限定在逆变器输出功率的±0.5%之内。

5.根据权利要求1所述混合主动式防孤岛效应的检测方法，其特征在于，在获取电网频率的变化值

前，应用低通滤波器过滤测量到的电网频率中存在的高频干扰和噪声。

6.一种混合主动式防孤岛效应的检测系统，其特征在于，正反馈模块包括对电网频率的变化值

获取的滤波模块、对电网频率的变化值进行增益处理的增益处理模块、进行孤岛效应的判断和启动防护的比较触发模块，所述滤波模块获取每个控制周期内电网频率的变化值

；所述增益处理模块获取电网频率的变化值

对无功功率参考值

的影响，该无功功率参考值

在每个控制周期内的变化值

和

之间的对应关系为：

，其中：

是孤岛效应预检测的增益；当电网频率的变化值

发生了0.1Hz的频移时，所述比较触发模块判定在逆变器中有可能产生孤岛现象，启动主动式孤岛检测方法进行进一步的孤岛检测，否则，重新获取电网频率的变化值

，对电网频率的变化值进行增益处理以及正反馈过程。

7.根据权利要求6所述混合主动式防孤岛效应的检测系统，其特征在于，所述频率获取模块包括对获取的频率进行滤波处理的滤波模块。

8.根据权利要求6所述混合主动式防孤岛效应的检测系统，其特征在于，采用低通滤波器过滤测量到的电网频率中可能存在的高频干扰和噪声。

9.根据权利要求6所述混合主动式防孤岛效应的检测系统，其特征在于，采用有限脉冲响应滤波器及派生的滤波器来滤除电网频率中可能存在的直流分量。

10.根据权利要求6所述混合主动式防孤岛效应的检测系统，其特征在于，所述比较触发模块包括比较器和触发器。

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