CN104049157B - 用于并网转换器的孤岛效应检测的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提出了用于并网转换器的非计划性孤岛检测的方法和设备，其中通过修改网侧转换器开关控制信号而引入相位角扰动，并且在出现非计划性孤岛时形成发电装置与电网负载之间的无功功率的失配，其中所施加的相位扰动是根据两个预定义的曲线而被确定的以在不同频率处形成等效正反馈，从而防止在电网断开之后转换器在新稳定频率处形成孤岛。

Description

用于并网转换器的孤岛效应检测的方法和设备

背景技术

电力转换系统用于将电能从一种形式转换为另一种形式。并网转换器可以在多种情况下被使用，其中电力从一种形式被转换以将电力提供到负载和/或电力网。例如，并网转换器用于将燃料电池、太阳能电池、风力发电系统、电池和其他能量存储系统与电力网对接。这些转换器通常能够实现再生操作，其中电网电力可以被转换为DC电力以用于对电池进行充电，或DC电池电力可被转换为向电网提供AC电力。孤岛效应是如下状况：其中，区域电力系统或电力供应(EPS)的一部分仅由一个或多个本地EPS通过相关联的公共连接点或公共耦合(PCC)点而被提供能量，而区域EPS的该部分与区域EPS的其余部分电隔离。孤岛效应可能是计划性或非计划性的，并且包括UL1741以及IEEE标准929-2000和 1547-2003的各种标准可能需要防止逆变器或其他转换器和部分公用设施负载在与电力设施系统的剩余部分隔离时的持续操作。特别地，在非计划性分布式资源孤岛效应期间的持续电力转换器操作通常是不期望的，原因在于公用设施无法控制孤岛效应的电压和频率，并且在可接受范围之外的电压或频率漂移可能会损坏或劣化客户设备。此外，孤岛效应可能通过在假设线路与所有能源断开时使线路保持通电而对公用设施线路工作者造成危害。另外，重新连接或重新闭合成孤岛可能会由于缺少相位闭合而导致线路跳闸或对分布式资源设备或所连接设备的损坏。因此，各种行业标准需要通过PCC对区域EPS的一部分提供能量的电力转换器和其他分布式资源(例如，同步机器、感应机器、电力逆变器/转换器等)以检测非计划性孤岛效应并终止对该区域EPS提供能量。

已经开发了若干不同的技术以用于检测非计划性孤岛效应。然而，传统的技术还远不能确保在并网转换器应用中的非计划性孤岛效应的准确识别，并且因此仍然需要用于检测并网转换器中的孤岛效应的改进的设备和方法。

发明内容

现在概述本公开的各个方面以促进对本公开的基本理解，其中此概述并非本公开的详尽概述，并且既不旨在标识本公开的某些元素，也不旨在限定其范围。相反，此概述的主要目的是为了在下文中介绍的更详细描述之前以简化的形式介绍本公开的各种概念。本公开提供了用于并网转换器的技术以有效地检测非计划性孤岛效应。引入相位扰动以修改由网侧转换器级使用的命令参考电流，以及然后在出现孤岛时形成发电装置与负载之间的无功功率的失配。所施加的相位扰动是通过根据预定义的曲线进行改变的频率而被确定的，并且形成等效正反馈。施加不止一个曲线以生成不同频率处的适当相位扰动。可以有利地采用用于注入相位扰动的不同形式曲线(如正弦曲线和正切曲线)的新颖组合，以防止在电网断开之后转换器在仍然处于标称操作范围内的新稳定频率处形成孤岛。在某些实现中，正弦曲线的使用主要是围绕标称频率而被使用的，并且因而无需担心当出现孤岛效应时在正常范围内的频移。正切曲线有利地促使频率远离正常范围以检测使用常规技术不可确定的孤岛效应条件。正弦扰动的峰值相位扰动可以被设置为较低的值，以使得其在并网条件下当频率仅具有较小改变时对系统影响较小。

在根据本公开的一个或多个方面中，提供了非计划性孤岛检测方法，以及具有用于检测分布式电力系统中的非计划性孤岛效应的计算机可执行指令的计算机可读介质。该方法包括测量公共耦合点处的电压的频率，并且根据所测量的频率和相应的第一和第二相位角扰动函数来确定第一和第二相位角扰动值。在某些实施例中，第一相位角扰动函数是正弦函数，并且第二相位角扰动函数是正切函数。该方法还包括：根据所述第一和第二相位角扰动值——例如根据第一和第二相位角扰动值的较大绝对值——来计算最终相位角扰动值。另外，该方法包括根据最终相位角扰动值来修改或调节一个或多个网侧转换器电流控制命令基准值，并且至少部分地基于一个或多个网侧转换器电流控制命令基准值来生成用于操作网侧转换器的开关控制信号。在公共耦合点处的频率再次被测量，并且例如通过如果所测量的频率与标称电网频率之差大于阈值则标识孤岛效应，基于在公共耦合点处的电压的所测量频率来选择性地检测在分布式电力系统中的非计划性孤岛效应。

根据本公开的其他方面，提供了一种并网电力转换器，其包括网侧转换器级以及网侧控制器，该网侧控制器具有相位角扰动部件和开关控制部件。该网侧转换器级包括耦合在分布式电力系统的公共耦合点与DC总线之间的开关设备，并且该网侧控制器将开关控制信号提供至该网侧转换器级。所述相位角扰动部件用于根据在公共耦合点处的电压的频率并且根据第一相位角扰动函数来确定第一相位角扰动值。另外，相位角扰动部件根据所测量的频率和第二相位角扰动函数来确定第二相位角扰动值，并根据所述第一和第二相位角扰动值来计算最终相位角扰动值。所述开关控制部件用于根据最终相位角扰动值来调节一个或多个网侧转换器电流控制命令基准值，并且根据所述一个或多个网侧转换器电流控制命令基准值来生成用于操作该网侧转换器的网侧转换器开关控制信号。所述网侧控制器还用于至少部分地根据在公共耦合点处的电压的所测量频率来选择性地检测在分布式电力系统中的非计划性孤岛效应。

附图说明

以下描述和附图详细阐述了本公开的某些说明性实现，其指示了可以执行本公开的各种原理的若干示例性方式。然而，所说明的示例并非穷举本公开的许多可能的实施例。在结合附图考虑的以下详细描述中将阐述本公开的其他目的、优点和新颖性特征，其中：

图1是示出根据本公开的一个或多个方面的示例性分布式电力系统的示意图，该分布式电力系统包括将基于双馈感应发电机(DFIG)的风能转换系统(WECS)与电力网对接的并网转换器，并且包括相位角扰动生成部件以利用两个不同的曲线选择性地注入相位角扰动从而防止在电网断开之后转换器在仍处于标称操作范围内的新稳定频率处形成孤岛；

图2是示出根据本公开的其他方面的用于利用第一和第二相位角扰动曲线或函数来检测非计划性孤岛效应的示例性过程或方法的流程图；

图3是示出图1的系统中的网侧控制器的进一步细节的示意图，其包括用于通过根据所计算的相位角扰动来修改或调节网侧转换器电流控制命令基准值来引入相位角扰动的第一实施例；

图4是示出通过根据所计算的相位角扰动来调节网侧转换器电流控制命令基准值来引入相位角扰动的网侧控制器的另一实施例的示意图；

图5是示出用于分布式电力系统的给定部分的RLC负载曲线的相位角与频率曲线的图，以及示出其中流到电网中的电流小于2％的并网转换器额定电流的平衡电力条件和相位角扰动限度的曲线图；

图6是示出如下内容的曲线图：根据针对两种不同的品质因子情形的频率变化而变化的两个示例性RLC相位角负载曲线，以及对应于正弦函数的第一相位角扰动曲线和对应于正切函数的第二相位角扰动曲线；

图7是示出根据本公开的某些实施例的随时间选择和使用具有第一和第二相位角扰动曲线的最大绝对值的扰动的相位角扰动曲线；以及

图8是示出在孤岛效应条件期间利用本公开的所选相位角扰动引入概念的随时间变化的并网转换器输出频率的曲线图。

具体实施方式

现在参考附图，下文结合附图来描述若干实施例或实现，其中相同的参考号码贯穿始终地指代相同的元素，并且其中各个部件不一定按比例绘制。

非计划性孤岛效应的检测是并网转换器用以减轻或避免系统设备损坏或劣化并确保或者有利于维护和工程人员的安全的重要功能。先前已经提议了用于检测孤岛效应的各种技术，包括无功保护和使用并网逆变器和外部设备的有源方法。无功保护技术通过测量在公共耦合(PCC)点处的电变化并且检测指示孤岛形成的条件来利用用于防孤岛保护的电压和频率继电器。然而，在某些情况下，无功方案保护不能检测在发电机能够承载孤岛负载而无电压或频率的显著改变情况下的孤岛效应。有源方法可以采用在PCC处偏离标称频率和/或电压范围的逆变器频率和/或电压幅度来使内部频率和/或电压继电器跳闸。然而，某些孤岛效应情形允许逆变器建立在某种程度上靠近正常频率范围的新的稳定操作频率，由此即使孤岛效应情形发生，也不会使内部频率继电器跳闸。使用外部设备来有源地注入具有除基频之外的某些频率的电流信号来促进在这些频率处的电压测量，以通过检查阻抗改变来检测孤岛效应。然而，这些技术无法充分地检测所有可能的孤岛效应情形。

于2006年3月21日发布且在这里引入作为参考的美国专利申请号 7,016,739，涉及通过同步旋转的dq系的电流控制器向系统注入扰动以及监视在PCC处的扰动影响。通过使用沿d轴和/或q轴的正反馈来驱走 (drive away)电压和/或频率。于2011年8月4日公开并且在这里引入作为参考的美国专利申请公开号2011/0187200描述了向输出电流相位引入小的扰动。如果连接电网，则电压的频率将不会改变，然而如果存在孤岛效应则电压的频率将会由于扰动而偏离标称频率。计算将电流中的相位偏移与电压中的频率变化相关联的协方差指数，并且如果该指数超过阈值，则将较大的扰动引入电流的相位，这将驱使频率离开上/下频率保护窗口。于2008年8月28日公开并且在这里引入作为参考的美国专利申请号2008/0204044号涉及引入无功电流参考方波、检测在无功电流参考波中的每个改变处的负载电压改变以及判定所检测的负载电压改变是否超出预定义的孤岛效应检测阈值。于2006年7月6日公开并且在这里引入作为参考的美国专利申请公开号2006/0146582涉及确定电流输出频率 fI_k＝fV_fk+S*Δf₀，其中fI_k是在第K个采样周期处的预定输出电流频率，fV_k是在第K个采样周期处的电压频率，fV_fk是在第K个采样周期处的由IIR 滤波器滤波的电压频率，Δf₀是小的电流频率变化，如果fV_k-fV_k-1>0则S 为1，如果fV_k-fV_k-1＝0则S为0，如果fV_k-fV_k-1<0则S为-1。加权因子 Ws可以被设计成用于累积或增强检测：fI_k＝fV_fk+S*F(Ws)，其中F(Ws) 是反馈加权因子的函数，并且其中加权因子可以是阶跃函数、线性函数、指数函数或多项式函数。类似地，可以通过φI_K＝φI_K-1+S*Δφ₀来计算相位角，其中φI_K和φI_K-1分别是在第K个采样周期处的预定输出相位角，Δφ₀是小的相位角扰动变化。同样，加权因子W_s可以被设计成φI_k＝φI_k-1+S*F(W_S)。于2002年8月6日发布并且在这里引入作为参考的美国专利申请号6,429,546描述了减小在具有含有去往电网的接口的发电机的并网电力系统中的非检测区的大小。该参考文献描述了测量在电网的输出信号与并网电力系统的输出信号之间的频率偏差；将所测量的频率偏差施加给并网电力系统的输出信号；以及当并网电力系统的输出信号的所测量频率满足所确立的截止电平时，断开并网电力系统。所谓的滑模频率偏移(SMS)技术在电网不不存在时使用正反馈来使分布式资源(DR) 不稳定，从而迫使频率偏离标称值。该技术将正反馈施加至输出电流的相位以及由此至缩略语PCC处的电压的频率。然而，这些方法没有提供及时检测所有非计划性孤岛效应情况的充分保证。

本公开有利地采用两个或更多个相位扰动曲线或函数来将相位扰动引入并网转换器的网侧转换器输出，以智能检测孤岛效应条件，其中具有根据这些曲线所计算的两个相位角扰动的较大绝对值的相位角扰动被用于引入扰动。以此方式，驱使工作频率远离稳定工作点以便于在其中常规技术无效和/或较慢的情况下对孤岛效应条件的检测。所公开的技术和设备可以以任何形式的并网转换器而被采用，该并网转换器利用连接至公共耦合点的至少一个电力转换器级来执行电力转换功能。在与风力电力系统对接中使用的这种转换器的示例在如下专利申请中被说明：即于2011年 12月1日公开的Lu等人的美国专利申请公开号2011/0295437，其被转让给本公开的受让人罗克韦尔自动化技术有限公司；以及于2012年10月 18日公开的Lu等人的美国专利申请公开号2012/0262129，其被转让给本公开的受让人，在此引入其全部内容作为参考。

图1示出了包括电网电源4和通常连接至所说明的公共耦合点5的关联源电感Ls的示例性电网系统2，其中图示出了代表能够将电网电源4 从PCC 5断开以产生孤岛效应情形这一可能性的开关S。如以上所指出的，这种孤岛效应可能非计划性地出现，由此源4可以有效地从公共耦合点5断开或隔离。如图1所示，RLC负载6可以与PCC 5连接，并且包括线与线之间的电阻部件、电感部件和电容部件，其出于说明的目的而被简单显示为彼此并联连接的电阻器、电感器和电容器以代表可能存在于分布式电力系统2中的电力传输线上的全部负载的复杂阻抗。

同样与公共耦合点5耦合的是并网转换器10，在此情况下，具有双馈感应发电机(DFIG)转换系统30的示例性风能转换器(WEC)或风能系统(WES)经由驱动DFIG30的转子的变速箱32而转换来自风力涡轮机34的机械能。图1的实施例中的DFIG 30的定子经由所示出的三相变压器36而连接至公共耦合点，并且DFIG 30的转子绕组耦合至并网转换器10的转子侧转换器16。DFIG转子提供用于在转子和背对背DFIG 转换器10之间传送AC电力的转子绕组(单相或多相)，其中该背对背 DFIG转换器10包括转子侧转换器16和具有向网侧转换器12提供DC 总线电压V_DC的DC链路电容器C的DC总线13。转换器10可以可选地是例如具有含有一个或多个DC链路扼流圈或电感(未示出)且不含有电容C的DC链路电路13的电流源转换器。网侧转换器级12通过多相滤波器电路8(例如三相LC滤波器、LCL滤波器、三相线电感器L等)耦合至所示出公共耦合点5，或者在其他实现中，网侧转换器12可以在省略滤波器8的情况下直接连接至公共耦合点5。此外，并网转换器10可以(但并非必须)包括变压器(未示出)。并网转换器还可以应用于永磁同步发电机(PMSG)、同步发电机(SG)或感应发电机(IG)。在某些实施例中，并网转换器可以包括仅网侧转换器并且被应用于太阳能电池阵列、燃料电池堆或电池。

所示出的并网转换器10是双模式、背对背结构，其中转子侧转换器电路16耦合在DFIG转子连接与DC中间电路13之间，其中相对应的开关设备(例如，IGBT或其他合适的开关设备)耦合在DFIG转子引线与 DC总线13之间。网侧转换器电路12经由PCC 5和变压器36而耦合在 DC总线13与DFIG定子连接之间，并且包括具有多个开关(例如IGBT 或其他合适的开关设备)的开关电路。在该示例中，转换器10以如下双模形式操作：其中转子侧转换器16在第一模式下将来自转子连接的电力提供给DC电路13，以及在第二模式下将来自DC电路13的电力提供给 DFIG转子，其中转子侧转换器被操作成开关逆变器。此外，在第一模式下，通过网侧转换器开关设备的操作，网侧转换器电路12操作成逆变器以将来自DC电路13的电力提供给PCC 5，进而提供给DFIG定子。在第二模式下，网侧转换器12对来自PCC 5的电力进行整流以对DC总线 13的电容C进行充电，其中网侧转换器12的整流器和IGBT一起工作以使得在第二(PWM开关)模式下能够进行双向电力流动。在操作中，可以根据转子的速度来设置并网转换器模式，其中当转子速度比对应于电网频率的标称值高时，来自DFIG转子的电流被用于在第一模式下对DC电路13供电并且网侧转换器12操作成逆变器以向电网提供电力。在转子速度比标称转速低的第二模式下，定子电力的一部分经由转换器极12和16 被馈送到转子，其中网侧转换器极12操作成整流器以向中间电路13供电并且转子侧极15将DC电力逆变以向DFIG绕组供电。

如图1所示，并网转换器10包括向网侧转换器12的开关设备提供网侧转换器开关控制信号15的网侧控制器14，以及向转子侧转换器16提供转子侧开关控制信号19的转子侧控制器18。转换器10还包括用于向控制器14、18中的一个二者提供各种操作反馈信号的一个或多个传感器和/或反馈元件。在此情况下，各种电压感测设备(未示出)可以可操作地关联于滤波器8的输入和/或输出或内部节点，以提供指示在公共耦合点5处的电压的电压反馈信号或值。如图1所示，例如，这种一个或多个电压反馈信号被提供至网侧控制器14的频率反馈元件22，该频率反馈元件22向网侧控制器14的相位角扰动部件20提供所测量的频率信号或值 22a。相位角扰动部件20包括第一相位角扰动函数20a和第二相位角扰动函数20b以及阈值20c，并且连同所测量的反馈22a(f)一起使用它们以向生成网侧转换器开关控制信号15的开关控制部件24提供所计算的最终相位角扰动值Δθ。

在操作中，相位角扰动部件20根据所测量的频率f和第一相位角扰动函数20a来确定第一相位角扰动值Δθ₁，并且还根据所测量的频率f和第二相位角扰动函数20b来确定第二相位角扰动值Δθ₂。利用这些，相位角扰动部件20根据第一相位角扰动值Δθ₁和第二相位角扰动值Δθ₂来计算最终相位角扰动值Δθ。此外，如下文中进一步描述的，开关控制部件24 根据最终相位角扰动值Δθ调节一个或多个网侧转换器电流控制命令基准值i_qref和i_dref，并且根据所调节的一个或多个电流控制命令基准值来生成用于操作网侧转换器12的网侧转换器开关控制信号15。另外，网侧控制器14至少部分地根据在公共耦合点5处的电压的所测量频率f来选择性地检测分布式电力系统2中的非计划性孤岛效应(例如，图1中的开关S 的无意打开)。以此方式，并网转换器10选择性地检测系统2中的非计划性孤岛效应，并且能够基于该检测来采取一个或多个补救或报告动作，例如经由转换器10停止来自DFIG的电力生成，经由网络连接向其他设备发出警告消息等。

图2示出了根据本公开的用于利用第一相位角扰动曲线20a和第二相位角扰动曲线20b来检测非计划性孤岛效应的示例性方法100，其中图1 的网侧控制器14在某些实施例中可以根据方法100来操作。关于这点，控制器14包括被编程为经由相位角扰动部件20和开关控制部件24来执行过程100的至少一个处理器，其可以利用其程序指令被存储在与网侧控制器14相关联的存储器中的硬件、处理器执行软件、处理器执行固件、可编程逻辑或者其组合等来实现。关于这点，图2的示例性方法100可以利用来自非暂态计算机可读介质(例如计算机存储器、电力转换器控制系统(例如控制器14)中的存储器、CD-ROM、软盘、闪存驱动器、数据库、服务器、计算机等)的计算机可执行指令来实现，该非暂态计算机可读介质具有用于执行本文所描述的过程和控制器功能的可执行指令。尽管以一系列动作或事件的形式来描绘和描述示例性方法100，然而应当认识到，除了如本文具体阐述的之外，本公开的各种方法不限于这种动作或事件的所示出顺序。关于这点，除了如下文具体提供的之外，一些动作或事件可以以不同的顺序进行和/或与除本文所示出和描述的那些之外的其他动作或事件同时进行，并且可能不是所有示出的步骤都被需要用来实现根据本公开的过程或方法。所示出的方法可以以硬件、处理器执行软件或其组合来实现以提供本文所提供的孤岛效应检测构思。

在图2的方法100中的102开始并网转换器10的操作，在104测量PCC 5处的电压的频率。在106，至少部分地根据测量频率f并根据第一相位角扰动函数20a来确定第一相位角扰动值Δθ₁，并且在108，至少部分地根据所测量的频率f并根据第二相位角扰动函数20b来确定第二相位角扰动值Δθ₂。

在110，至少部分地根据第一相位角扰动值Δθ₁和第二相位角扰动值Δθ₂来计算或确定最终相位角扰动值Δθ。在某些实施例中，根据第一相位角扰动值Δθ₁和第二相位角扰动值Δθ₂中的较大绝对值来计算110最终相位角扰动值Δθ。例如，所示出的相位角扰动部件20有利地根据下式(1)来计算最终相位角扰动值Δθ：

(1)Δθ＝max[abs(Δθ₁)，abs(Δθ₂)]*sign(f-f_g)，

其中Δθ₁是第一相位角扰动值，Δθ₂是第二相位角扰动值，f是PCC 5处的测量频率，f_g是标称电网频率(例如，在一个实现中为50Hz)，以及sign 是符号函数，其中，针对f＞f_g为1，针对f＝f_g为0，并且针对f＜f_g为-1。

在112，根据最终相位角扰动值Δθ来选择性地调节一个或多个网侧转换器电流控制命令基准值i_qref，i_dref。在114，根据一个或多个网侧转换器电流控制命令基准值i_qref，i_dref来生成网侧转换器开关控制信号15以用于操作网侧转换器12。在116，再次测量PCC 5处的频率。在118，做出关于测量频率f是否在标称电网频率(例如，在某些实现中为50Hz或60Hz) 的阈值TH(例如，图1的相位角扰动部件20中的阈值20c)内的确定。如果是(在118为否)，则该过程如上所述再次在106重复，否则(在118 为是)，则在120检测非计划性孤岛效应。在某些实施例中，如果在公共耦合点5处的电压的测量频率f与标称电网频率f_g之差大于阈值20c，则在120检测分布式电力系统2中的非计划性孤岛效应。

可以在本公开的各种实现中采用任意第一相位角扰动函数20a和第二相位角扰动函数20b。在示出的实施例中，例如，第一相位角扰动函数 20a是正弦函数，以及第二相位角扰动函数20b是正切函数。在此情况下，在106，通过根据测量频率f来估计下面的第一相位角扰动函数(2)以求解Δθ₁来确定第一相位角扰动值Δθ₁：

(2)Δθ₁＝θ_m1 sin((π/2)*((f-f_g)/(f_m1–f_g)))，

其中，f是测量频率，f_g是标称电网频率，f_m1是与标称电网频率f_g不同的预定第一频率以及θ_m1是预定第一相位角。此外，在此情况下，该相位角θ_m1和该频率f_m1被选择成满足不等式d(Δθ₁)/df＞d(Δθ_RLC)/df，其中θ_RLC是与RLC负载6相关联的根据下面的函数(3)所确定的RLC负载相位角：

(3)θ_RLC＝-atan[((R/ωL_QF＝1)-RωC_QF＝1)*QF]，

其中R＝V²/P，V是公共耦合点处的电压，P是公共耦合点处的功率值，ω＝ 2πf,Q_F是RLC负载6的被确定为Q_F＝R(C_QF/L_QF)^1/2的品质因子，L_QF＝ V²/(2πfPQ_F)，以及C_QF＝(PQ_F)/2πfV²。

此外，在示出的实现中，在108根据测量频率f和下面的第二相位角扰动函数(4)来确定第二相位角扰动值Δθ₂：

(4)Δθ₂＝θ_m2 tan((π/2)*((f-f_g)/(f_m2–f_g)))，

其中θ_m2和f_m2被选择成使得第二相位角扰动值Δθ₂在交叉点频率处大于第一相位角扰动值Δθ₁，并且其中该交叉点频率是第一相位角扰动值Δθ₁等于 RLC负载相位角θ_RLC情况下的频率。

还参照图3和图4，示出了网侧控制器14的进一步细节，其中图3 示出了用于通过根据计算的相位角扰动来修改或调节网侧转换器电流控制命令基准值来引入相位角扰动Δθ的第一实施例。如在该实施例中所看到的，频率反馈部件22包括零交叉(zero-crossing)或锁相环(PLL)部件，其能够在网侧控制器14中实现为硬件、处理器执行软件、处理器执行固件、可编程逻辑或其组合，并且其提供指示公共耦合点5处的电压的测量频率f的输出信号或值22a。该测量频率信号或值22a被相位角扰动部件20接收，该相位角扰动部件20将计算的最终相位角扰动Δθ作为信号或值21提供给开关控制器24以用于修改网侧转换器开关控制信号15。在该实施例中，所计算的最终相位角扰动Δθ连同未修改的(旧的)网侧转换器电流控制命令基准值i_{qref_old}和i_{dref_old}一起被调节部件40用来根据下面的矩阵方程(5)来计算所调节的网侧转换器电流控制命令基准值i_qref46 和i_dref48：

通过此运算，根据所计算的相位角扰动Δθ来调节网侧转换器电流控制命令基准值，其然后被用在网侧转换器12的输出电流的闭环控制中。特别地，所示出的示例将所调节的q轴基准值46提供至加法器50，该加法器 50将输出提供至q轴PID(比例、积分、微分)控制部件52，该q轴PID 控制部件52的输出被解耦和输出装置(plant)部件54用来生成q轴输出信号或值i_{q_output}，该q轴输出信号或值i_{q_output}作为减法输入被反馈至加法器50并且之后被开关控制器24用来生成开关控制信号15以操作网侧转换器12。类似地，调节部件40将调节的d轴参考输出i_dref48提供至加法器60，该加法器60的输出驱动d轴PID部件62和d轴解耦和输出装置部件64来生成d轴电流输出值i_{d_output}，该d轴电流输出值i_{d_output}作为减法输入而被反馈至加法器60并且还被用于生成网侧开关控制信号15。

图4中示出了另一个非限制性实施例，其中同步旋转到静止参考坐标系变换部件42接收未修改的网侧转换器电流控制命令基准值i_{qref_old}和 i_{dref_old}以及来自零交叉/PLL部件22的相位角输出22b(θ)，并将三个静止参考坐标系信号或值提供给静止到同步旋转参考坐标系变换部件44。另外，加法器41将相位角信号或值22b(θ)与所计算的相位角扰动Δθ相加，并将所得出的和作为输入提供至变换部件44，该变换部件44通过以上结合图 3所述的q轴PID部件和d轴PID部件来生成所调节的q轴网侧转换器电流控制命令基准值i_qref46和所调节d轴网侧转换器电流控制命令基准值 i_dref48。

以此方式，根据所计算的Δθ在公共耦合点5处引入相位角扰动以修改q轴电流命令基准值i_qref和d轴电流命令基准值i_dref。然后，发电装置与负载之间的无功功率的失配在系统2中出现孤岛效应时形成。而且，所施加的相位角扰动是根据预定义曲线或函数20a和20b通过频率变化来确定的，并且形成等效正反馈，其中这两个函数或曲线被应用以在不同的频率 f_m1和f_m2处生成适当的相位角扰动，从而防止转换器10在电网源4被断开后在标称范围内的新稳定频率处形成孤岛。正弦和正切曲线或函数20a 和20b不必用在所有实施例中，并且仅仅是非限制性示例。

还参照图5至图8，能够在并网转换器10中有利地采用本公开的新颖的相位角扰动和孤岛效应检测构思，以提供用于检测分布式电力系统2 中的非计划性孤岛效应的鲁棒系统而对正常操作仅产生很小的影响。特别地，示出的正弦和正切曲线或函数20a和20b有利于其中当频率f大约为正常操作中的标称值(例如，在一个示例中为50Hz)时扰动将很小或为零的操作。这是特别有利的，因为IEEE std.1547要求流入电网中的电流在平衡条件下小于2％的功率转换器额定电流。而且，所公开的构思通过固有正反馈机制借由提供足够大以迫使频率保持移动的相位角扰动来促进孤岛操作频率自动远离仍在正常频率范围内的新的稳定点。这些技术还适用于具有高品质因子的负载，并且所述方法和设备能够根据给定的所需品质因子Q_F而被调整。关于这点，平衡电力条件是针对孤岛效应检测的最坏情况，但是本公开的构思在网侧转换器12的相位角在孤岛效应条件期间大于RLC负载6的相位角的情况下是特别鲁棒的。

图5中的曲线图200示出了相位角相对于频率的曲线202和204，曲线202示出了针对分布式电力系统2的给定部分的RLC负载曲线202，以及曲线204示出了小于2％的电流流入电网的平衡电力条件和相位角扰动的限制。正弦波形或函数20a可以被设计成使得第一相位角扰动(Δθ₁) 在标称频率(例如，50Hz)周围、以指定且足够高的品质因子Q_F(例如，品质因子Q_F＝10(等价于功率因子＝0.1))而大于负载曲线202。然而，交叉点(稳定点)可以仍在频率阈值内。在该情况下，可以使用正切波形或公式20b来在孤岛效应期间迫使频率保持从稳定点移动并加速频率变化。这可以减小在不同容量失配点(例如，C失配的％)处的孤岛效应检测次数的差异。

图6示出了具有RLC负载相位角曲线(θ_RLC)的曲线图210，该RLC负载相位角曲线(θ_RLC)随着对应于所示出的品质因子1和10的标称电网工作频率(1.00pu.)周围的频率的变化而变化。另外，图6中的曲线图210示出了随利用正弦函数20a所计算的频率变化而变化的示例性相位角扰动 (Δθ₁)，以及利用正切函数20b所计算的示例性相位角扰动(Δθ₂)。在该情况下，在标称频率(1.00)周围使用正弦曲线或函数20a，其中θ_m1是当PCC 5 处的频率(f)达到f_m1的值时的相位角扰动。在频率超过设计点之后使用正切函数20b，其中θ_m2是当PCC 5处的频率(f)达到值(f_m2+f_g)/2时的相位角扰动。可以根据负载特性或应用条件来使用其他形式的曲线或函数。

为了说明，可以通过以下方式确定预定义的相位角扰动曲线或函数 20a和20b：选择例如足够高以覆盖可能的负载6的指定品质因子并且然后选择θ_m1和f_m1以使得一旦频率由于孤岛效应而偏离就能确保正反馈，并因此确保频率在实际孤岛效应条件期间远离标称点。在一个示例中，这些值被选择成使得满足下面的不等式(6)：

(6)d(Δθ₁)/df＞d(Δθ_RLC)/df，

其中，θ_RLC是与RLC负载6相关联的被确定为θ_RLC＝-atan[((R/ωL_QF＝1)-RωC_QF＝1)*QF]的RLC负载相位角，并且其中，R＝V²/P， V是PCC电压且P是PCC功率，ω＝2πf，以及Q_F是RLC负载6的被确定为Q_F＝R(C_QF/L_QF)^1/2的品质因子，L_QF＝V²/(2πfPQ_F)，以及C_QF＝(PQ_F)/2πfV²。

基于针对所选品质因子Q_F的相应RLC负载相位角曲线(θ_RLC)，θ_m2和f_m2被选择成使得在交叉点频率处第二相位角扰动值Δθ₂>Δθ₁，在该交叉点频率处Δθ₁等于RLC负载相位角θ_RLC。关于这点，该不等式确保了RLC负载6与正切函数20b之间在RLC负载&函数的交叉点频率之后不存在交叉点，该RLC负载&函数的交叉点频率例如在50.433Hz处，在一种情况下使用50Hz的标称电网频率，如图6的示例所见。所公开的技术(例如，参见以上等式(1))根据第一相位角扰动值Δθ₁和第二相位角扰动值Δθ₂中的较大绝对值来计算最终相位角扰动值Δθ，由此确保了工作频率f将在孤岛效应条件期间继续增大。在针对指定的品质因子10和标称电网频率 50Hz的一种可能的实现中，该方法针对正弦函数20a提供θ_m1＝10°和 f_m1＝50.5Hz，以及针对正切函数20b提供θ_m2＝12.5°和f_m2＝51Hz。

图7和8分别示出曲线图220和230，其分别示出了描绘随时间变化的、以第一相位角扰动曲线Δθ₁和第二相位角扰动曲线Δθ₂中的最大绝对值来选择和使用相位角扰动的相位角扰动曲线(图7)，以及针对上述条件的随时间变化的并网转换器输出频率f(图8)，在上述条件中，孤岛效应在等于零的时刻处开始并且通过上述技术在约111ms之后检测到孤岛效应。如图7所示，本示例采用稳步下降的相位角调节，但是使用增加的相位角扰动的其他实施例也是可行的。图7示出如下情况：其中第一相位角扰动Δθ₁最初大于第二相角扰动Δθ₂，上述过程100(图2)采用其中迭代地测量频率f并且在每次迭代时重新计算新的相位角扰动的正反馈。随着时间推移，如图7所示，在几次迭代之后，第二相位角扰动Δθ₂的绝对值超过第一相位角扰动Δθ₁的绝对值。如图8所示，在公共耦合点5处的所测量工作频率22a的逐渐远离任何潜在的稳定工作点，由此最终超过阈值 20c(TH)，并且并网转换器10因而能够在电网源4的初始断开后约111ms 内检测到非计划性孤岛效应条件。

根据本公开的其他方面，提供了包括用于执行上述方法的计算机可执行指令的非暂态计算机可读介质，诸如计算机存储器、电力转换器控制系统(例如，控制器100)内的存储器、CD-ROM、软盘、闪存驱动器、数据库、服务器、计算机等。以上示例仅说明了本公开的各个方面的若干可能的实施例，其中本领域其他技术人员能够在阅读和理解本说明书和附图时设想等同的替换和/或修改。特别地就由上述部件(组件、设备、系统、电路等)所执行的各种功能而言，除非另外指明，否则用于描述这样的部件的术语(包括“装置”的引用)旨在对应于执行所描述部件的指定功能的任何部件(即其在功能上等同)，例如硬件、处理器执行的软件或其组合，即使并非在结构上等同于执行本公开的所说明实现中的功能的所公开结构。另外，尽管已经关于若干实现中的仅一个而公开了本公开的特定特征，然而这种特征可以与其他实现的一个或多个其他特征组合，如针对任何给定或特定应用所期望的并且是有利的。同样，如果术语“包含”、“具有”或其变型被用在具体实施方式和/或权利要求中，则这样的术语旨在以类似于术语“包括”的方式而是包容性的。

Claims (8)

1.一种用于检测分布式电力系统(2)中的非计划性孤岛效应的方法(100)，所述方法(100)包括：

测量(104)在并网转换器(10)与负载(6)的公共耦合点(5)处的电压的频率(f)；

根据所测量的频率(f)和第一相位角扰动函数(20a)来确定(106)第一相位角扰动值(Δθ₁)；

根据所测量的频率(f)和第二相位角扰动函数(20b)来确定(108)第二相位角扰动值(Δθ₂)；

根据所述第一相位角扰动值(Δθ₁,)和所述第二相位角扰动值(Δθ₂)来计算(110)最终相位角扰动值(Δθ)；

根据所述最终相位角扰动值(Δθ)来调节(112)至少一个网侧转换器电流控制命令基准值(i_qref,i_dref)；

根据所述至少一个网侧转换器电流控制命令基准值(i_qref,i_dref)来生成(114)网侧转换器开关控制信号(15)，所述网侧转换器开关控制信号(15)用于操作连接至所述公共耦合点(5)的网侧转换器(12)；

再次测量在所述公共耦合点(5)处的所述电压的频率(f)；以及

基于在所述公共耦合点(5)处的所述电压的所测量的频率(f)来选择性地检测出(118)所述分布式电力系统(2)中的非计划性孤岛效应；

其中，所述最终相位角扰动值(Δθ)是根据所述第一相位角扰动值(Δθ₁,)和所述第二相位角扰动值(Δθ₂)的较大绝对值来计算(110)的；以及

其中，所述第一相位角扰动值(Δθ₁)是根据所测量的频率(f)和以下第一相位角扰动函数(20a)而被确定的：

Δθ₁＝θ_m1 sin((π/2)*((f-f_g)/(f_m1–f_g))),

其中，f是所测量的频率，f_g是标称电网频率，f_m1是与所述标称电网频率f_g不同的预定第一频率，以及θ_m1是预定第一相位角，

其中，θ_m1和f_m1被选择为满足以下不等式：

d(Δθ₁)/df>d(Δθ_RLC)/df,

其中，θ_RLC是根据以下函数确定的与所述负载(6)相关联的负载相位角：

θ_RLC＝-atan[((R/ωL_QF)-RωC_QF)*QF],

其中，R＝V²/P，V是在所述公共耦合点处的电压，且P是在所述公共耦合点处的功率值，ω＝2πf，QF是所述负载(6)的品质因子且被确定为QF＝R(C_QF/L_QF)^1/2，L_QF＝V²/2πfPQF，以及C_QF＝(PQF)/2πfV²。

2.根据权利要求1所述的方法(100)，包括如果在所述公共耦合点(5)处的所述电压的所测量的频率(f)与标称电网频率(f_g)之间的差异大于阈值(20c)，则检测出(120)所述分布式电力系统(2)中的非计划性孤岛效应。

3.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，所述最终相位角扰动值(Δθ)是根据以下公式来计算(110)的：

Δθ＝max[abs(Δθ₁),abs(Δθ₂)]*sign(f–f_g),

其中，Δθ₁是所述第一相位角扰动值，Δθ₂是所述第二相位角扰动值，f是所测量的频率，f_g是所述标称电网频率，sign是对于f>f_g为1、对于f＝f_g为0且对于f<f_g为-1的符号函数。

4.根据权利要求3所述的方法(100)，其中，所述第一相位角扰动函数(20a)是正弦函数，并且其中，所述第二相位角扰动函数(20b)是正切函数。

5.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，所述第一相位角扰动函数(20a)是正弦函数，并且其中，所述第二相位角扰动函数(20b)是正切函数。

6.根据权利要求5所述的方法(100)，其中，所述第二相位角扰动值(Δθ₂)是根据所测量的频率(f)和以下第二相位角扰动函数(20b)而被确定的：

Δθ₂＝θ_m2 tan((π/2)*((f-f_g)/(f_m2–f_g))),

其中，θ_m2和f_m2被选择为使得所述第二相位角扰动值(Δθ₂)在交叉点频率处大于所述第一相位角扰动值(Δθ₁)，其中所述交叉点频率是所述第一相位角扰动值(Δθ₁)等于所述负载相位角(θ_RLC)的频率。

7.一种用于检测分布式电力系统(2)中的非计划性孤岛效应的设备，所述设备包括：

用于测量(104)在并网转换器(10)与负载(6)的公共耦合点(5)处的电压的频率(f)的装置；

用于根据所测量的频率(f)和第一相位角扰动函数(20a)来确定(106)第一相位角扰动值(Δθ₁)的装置；

用于根据所测量的频率(f)和第二相位角扰动函数(20b)来确定(108)第二相位角扰动值(Δθ₂)的装置；

用于根据所述第一相位角扰动值(Δθ₁)和所述第二相位角扰动值(Δθ₂)来计算(110)最终相位角扰动值(Δθ)的装置；

用于根据所述最终相位角扰动值(Δθ)来调节(112)至少一个网侧转换器电流控制命令基准值(i_qref,i_dref)的装置；

用于根据所述至少一个网侧转换器电流控制命令基准值(i_qref,i_dref)来生成(114)网侧转换器开关控制信号(15)的装置，所述网侧转换器开关控制信号(15)用于操作连接至所述公共耦合点(5)的网侧转换器(12)；

用于再次测量在所述公共耦合点(5)处的所述电压的频率(f)的装置；以及

用于基于在所述公共耦合点(5)处的所述电压的所测量的频率(f)来选择性地检测出(118)所述分布式电力系统(2)中的非计划性孤岛效应的装置；

其中，所述最终相位角扰动值(Δθ)是根据所述第一相位角扰动值(Δθ₁)和所述第二相位角扰动值(Δθ₂)的较大绝对值来计算(110)的；以及

其中，所述第一相位角扰动值(Δθ₁)是根据所测量的频率(f)和以下第一相位角扰动函数(20a)而被确定的：

Δθ1＝θ_m1 sin((π/2)*((f-f_g)/(f_m1–f_g))),

其中，f是所测量的频率，f_g是标称电网频率，f_m1是与所述标称电网频率f_g不同的预定第一频率，以及θ_m1是预定第一相位角，

其中，θ_m1和f_m1被选择为满足以下不等式：

d(Δθ₁)/df>d(Δθ_RLC)/df,

其中，θ_RLC是根据以下函数确定的与所述负载(6)相关联的负载相位角：

θ_RLC＝-atan[((R/ωL_QF)-RωC_QF)*QF],

其中，R＝V²/P，V是在所述公共耦合点处的电压，且P是在所述公共耦合点处的功率值，ω＝2πf，QF是所述负载(6)的品质因子且被确定为QF＝R(C_QF/L_QF)^1/2，L_QF＝V²/2πfPQF，以及C_QF＝(PQF)/2πfV²。

8.一种并网电力转换器(10)，包括：

网侧转换器(12)，其包括耦合在分布式电力系统(2)的公共耦合点(5)与DC总线(13)之间的多个开关设备，所述网侧转换器(12)能够根据多个网侧转换器开关控制信号(15)工作以在所述公共耦合点(5)与所述DC总线(13)之间传输电力；

网侧控制器(14)，其能够工作以将所述网侧转换器开关控制信号(15)提供至所述网侧转换器(12)，并且包括：

能够工作以执行以下操作的相位角扰动部件(20)：

根据在所述公共耦合点(5)处的电压的频率(f)和第一相位角扰动函数(20a)来确定(106)第一相位角扰动值(Δθ₁)，

根据所测量的频率(f)和第二相位角扰动函数(20b)来确定(108)第二相位角扰动值(Δθ₂)，以及

根据所述第一相位角扰动值(Δθ₁,)和所述第二相位角扰动值(Δθ₂)来计算(110)最终相位角扰动值(Δθ)；以及

能够工作以执行以下操作的开关控制部件(24)：

根据所述最终相位角扰动值(Δθ)来调节(112)至少一个网侧转换器电流控制命令基准值(i_qref,i_dref)，以及

根据所述至少一个网侧转换器电流控制命令基准值(i_qref,i_dref)来生成(114)所述网侧转换器开关控制信号(15)，所述网侧转换器开关控制信号(15)用于操作所述网侧转换器(12)；

其中，所述网侧控制器(14)能够工作以基于在所述公共耦合点(5)处的所述电压的所测量的频率(f)来选择性地检测出(118)所述分布式电力系统(2)中的非计划性孤岛效应，

其中，所述最终相位角扰动值(Δθ)是根据所述第一相位角扰动值(Δθ₁)和所述第二相位角扰动值(Δθ₂)的较大绝对值来计算(110)的，以及

其中，所述第一相位角扰动值(Δθ₁)是根据所测量的频率(f)和以下第一相位角扰动函数(20a)而被确定的：

Δθ₁＝θ_m1 sin((π/2)*((f-f_g)/(f_m1–f_g))),

其中，f是所测量的频率，f_g是标称电网频率，f_m1是与所述标称电网频率f_g不同的预定第一频率，以及θ_m1是预定第一相位角，

其中，θ_m1和f_m1被选择为满足以下不等式：

d(Δθ₁)/df>d(Δθ_RLC)/df,

其中，θ_RLC是根据以下函数确定的与负载(6)相关联的负载相位角：

θ_RLC＝-atan[((R/ωL_QF)-RωC_QF)*QF],

其中，R＝V²/P，V是在所述公共耦合点处的电压，且P是在所述公共耦合点处的功率值，ω＝2πf，QF是所述负载(6)的品质因子且被确定为QF＝R(C_QF/L_QF)^1/2，L_QF＝V²/2πfPQF，以及C_QF＝(PQF)/2πfV²。