CN104198841B - 一种光伏并网逆变器中的孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏并网逆变器中的孤岛检测方法，该方法在发现连续三个周期电压频率都上升或者下降时，则加大截断系数，加快频率偏移速度，从而加快孤岛检测速度，达到比较好的检测效果。本发明检测孤岛效应发生的更快，且对加入电流的总谐波含量更少；相比于带正反馈的主动频率偏移法，能在电网正常运行时带入更少的谐波，也能在更短的时间之内检测出孤岛。经仿真结果与理论分析一致的比较，表明本发明相对于现有的技术，有较为明显的优势。

Description

一种光伏并网逆变器中的孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及光伏并网系统领域，具体涉及一种光伏并网逆变器孤岛检测方法。

背景技术

根据美国Sandia国家实验室的定义，当地方电力因为维修或者故障而跳脱时，利用太阳能进行并网发电的用户端不能立即发现停电而切断与城市电网的连接，使得用户端与并网系统构成了一个地方电力无法负荷与控制的自给供应孤岛就是所谓的孤岛效应。

在光伏发电系统与电网并联工作过程中出现故障时，它必须能够及时地检测出电网发生故障的原因及具体位置，保证系统能够与电网的连接及时断开；否则，光伏发电系统可能会继续向局部电网供电。通常情况下，孤岛效应可能有以下危害，包括：1)孤岛效应发生后，如果并网逆变器继续向电网供电，则会导致电网带电，可能危及维修人员的生命安全；2)影响电网的正常合闸过程；3)孤岛发生后，其附近的局部电网如果不同步于主电网，在主电网带电后，这种不同步会有很大浪涌电流产生，会损坏用电设备；4)孤岛中的电压和频率将不受电网控制。这就有可能造成用户用电设备的损坏。电网必须具备向用户输送高质量电能的能力，这就要求分散能源供电电源必须具备防止孤岛效应发生的功能。随着越来越多的太阳能发电系统并入电网，则电力系统发生孤岛的可能性也在增加。所以孤岛问题在并网系统中是必须要考虑的。

通常对孤岛效应进行检测的方法主要分为主动式检测和被动式检测。被动式检测是通过对电网运行中的相位、频率与电压等的误差作为检测孤岛效应的依据，然而，如果逆变器的输出功率与本地负载功率平衡时，电网断开引起的相位、频率、电压等偏差很小，此时被动检测法失效。主动式检测主要是通过周期性地产生干扰信号引起逆变器输出电流变化，然后检测相关量的变化，从而对孤岛效应进行判断。主动式检测方法包括输出功率变化检测法、滑模频率偏移法、脉冲电流注入法与主动频率偏移法等。对于频率检测法和电压检测法，如果电网断开后频率的变化范围或电压变化量低于一定值时，那么频率偏移法和电压检测法就检测不出孤岛，即为“检测盲区”；输出功率法虽然不像频率偏移法那样存在“检测盲区”，但是光照强度等外部环境会对光伏并网系统造成不利影响，太阳能的不稳定会对控制器造成功率扰动，降低系统的工作效率。对于上述问题，现阶段，有研究者提出将系统的有功检测与无功检测相结合的控制方案，从而对改善系统的工作效率。然而当多个不同的逆变器共同并网工作，由于逆变器输出功率的差异，可能对使得上述所述的所有检测方法无效。

与其它检测方法相比较而言，频率扰动法是使用最多的方法。一种正反馈频率扰动法AFDPF根据当前电压频率与标准频率进行比较，对逆变器的输出电流施加同样的扰动，使其频率偏移。当孤岛产生时，并网逆变器就能控制输出电压频率，即电压频率会随扰动方向而改变，这时增加频率扰动，使频率更快的偏移出正常范围而触发孤岛。但是AFDPF算法也存在着一些问题：电网正常运行时，存在总谐波失真THD较大的问题，为此也提出了改进的方法，减小了并网运行时孤岛检测算法带来的电流波形畸变，即减小THD。然而这种算法在电网断电之后，检测出孤岛的时间有待进一步提高。该算法存在的问题是：THD较小时，检测时间必然增加；反之，如果追求检测时间更短，则必定会带来较大的THD。

发明内容：

本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，提出一种光伏并网逆变器中的孤岛检测方法，是系统在发现连续3个周期电压频率都上升或者下降时加大截断系数，以较大值的截断因子使扰动所产生频率尽快偏离正常频率的阈值范围，关闭逆变器。本发明加快孤岛检测速度，达到了比较好的检测效果。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种光伏并网逆变器中的孤岛检测方法，包括如下步骤：

步骤1，设定电流频率标准值Fik，检测电网电压频率并赋值给Fv；设定num0为电压频率增大时对电网电流波形造成影响大于电压频率减小对电网电流波形造成影响的次数，设定num1为电压频率减小对电网电流波形造成影响大于电压频率增大时对电网电流波形造成影响的次数，初始化num0＝0，num1＝0；

步骤2，设定电网最大电压频率为Fh＝Fik+x，电网最小电压频率为Fl＝Fik-x，判断Fl<Fv<Fh是否成立，若是，则进入步骤3继续判断孤岛是否产生；若否，则表示孤岛已产生，关闭逆变器；x为依据经验设定的电网最大或最小电压频率与标准电压频率之间的差值；

步骤3，判断num0≤2且num1≤2是否成立，若是，则设截断因子cf＝k·Δf³，进入步骤4继续判断孤岛是否产生；若否，则表示孤岛产生，设截断因子cf＝a+kΔf³，以较大值的截断因子使扰动所产生频率尽快偏离Fl和Fh所确定的阈值范围；Δf³为|Fv-Fik|³，k为依据经验确定的反馈系数，a为依据经验确定的增量常数；

步骤4，依据步骤3所得截断因子cf的值通过增大电流频率和减小电流频率两种方式对逆变电流进行扰动，得到在增大电流频率进行扰动时所得的新的频率Fi1和在减小电流频率进行扰动时所得的新的频率Fi2；

步骤5，比较Fi1和Fi2哪一个对电网电流波形影响大，若Fi1的影响较大，则将Fi1的值输出给电流频率Fi，且令num1＝0，num0＝num0+1；若Fi2的影响较大，则将Fi2的值输出给电流频率Fi，且令num0＝0，num1＝num1+1；

步骤6，将步骤5所得Fi赋值给Fv，回到步骤2循环运行。

较佳地，步骤1中设定电流频率标准值Fik＝50Hz。

较佳地，步骤2中设定电网最大或最小电压频率与标准电压频率之间差值x＝0.5。

较佳地，步骤3中反馈系数k为10，增量常数a＝0.03。

较佳地，步骤4中增大电流频率进行扰动时所得的新的频率Fi1＝Fv/(1-cf)，减小电流频率进行扰动时所得的新的频率Fi2＝Fv/(1+cf)。

较佳地，步骤5是比较|Fi1-Fik|与|Fi2-Fik|，若|Fi1-Fik|＞|Fi2-Fik|，则判断Fi1对电网电流波形影响大；若|Fi1-Fik|≤|Fi2-Fik|，则判断Fi2对电网电流波形影响大。

本发明的一种光伏并网逆变器中的孤岛检测方法在发现连续三个周期电压频率都上升或者下降时，则加大截断系数，加快频率偏移速度，从而加快孤岛检测速度，达到比较好的检测效果。由于现场负载形式多样，而负载对于电流频率有较大的影响。当电网断开后，若并联负载的谐振系数比较大时，导致电流频率上升；反之，若并联负载的谐振系数比较小时，导致电流频率下降。如果只采取一种频率扰动，如总是加大电流频率，当负载谐振系数较小，电流频率有降低的趋势，而由于人为加入的扰动使电流频率升高，则会出现两者效果抵消、孤岛检测失败的情况。所以本发明在检测中分别通过增大和减小电流频率两个方向进行扰动。本发明检测孤岛效应发生的更快，且对加入电流的总谐波含量更少；相比于带正反馈的主动频率偏移法，能在电网正常运行时带入更少的谐波，也能在更短的时间之内检测出孤岛。经仿真结果与理论分析一致的比较，表明本发明相对于现有的技术，有较为明显的优势。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例的孤岛检测系统仿真图；

图3为本发明实施例公共耦合点处的电压和电流波形图；

图4为本发明实施例公共耦合点处电压频率波形图；

图5为本发明实施例公共耦合点处电流谐波波形图；

图6为本发明实施例公共耦合点处电流谐波频谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

本实施例在孤岛检测系统中应用一种光伏并网逆变器中的孤岛检测方法对孤岛效应进行检测，如图2所示的系统仿真结构图，PV为光伏模块发出直流电，经逆变电路也即IGBT组成的逆变桥逆变为交流电，经滤波后变为与电网电压同频同相的交流电，并入电网，同时为本地负载提供电能。传感器采集电网电压信号，经过锁相环PLL后得出电网电压的频率和相位。电压频率信号和相位信号本实施例提出的孤岛检测算法，计算得出逆变器的电流给定信号，经PID调节，得出逆变器的占空比信号，之后由PWM发生器控制逆变器。

一种光伏并网逆变器中的孤岛检测算法，包括如下步骤：

步骤1，设定电流频率标准值Fik，检测电网电压频率并赋值给Fv；设定num0为电压频率增大时对电网电流波形造成影响大于电压频率减小对电网电流波形造成影响的次数，设定num1为电压频率减小对电网电流波形造成影响大于电压频率增大时对电网电流波形造成影响的次数，初始化num0＝0，num1＝0；

步骤2，设定电网最大电压频率为Fh＝Fik+x，电网最小电压频率为Fl＝Fik-x，判断Fl<Fv<Fh是否成立，若是，则进入步骤3继续判断孤岛是否产生；若否，则表示孤岛已产生，关闭逆变器，算法结束；

本实施例设x＝0.5，也即Fl＝49.5hz，Fh＝50.5hz；此处x为依据经验设定的电网最大或最小电压频率与标准电压频率之间的差值；

步骤3，判断num0≤2且num1≤2是否成立，若是，则设截断因子cf＝k·Δf³，进入步骤4继续判断孤岛是否产生；若否，则表示孤岛产生，设截断因子cf＝a+kΔf³；Δf³为|Fv-Fik|³，k为依据经验确定的反馈系数，a为依据经验确定的增量常数；

具体的，本实施例中取反馈系数k为10，增量常数a＝0.03，判断num0≤2且num1≤2是否成立，若是，则说明电网运行正常，为了不给电网注入太大的谐波，截断因子不能取太大，所以取cf＝10|Fv-50|³；若否，则说明孤岛已经产生，需要以较大值的截断因子使扰动所产生频率尽快偏离Fl和Fh所确定的阈值范围，进而达到关闭逆变器，退出算法的目的。

步骤4，依据步骤3所得截断因子cf的值通过增大电流频率和减小电流频率两种方式对逆变电流进行扰动，得到在增大电流频率进行扰动时所得的新的频率Fi1＝Fv/(1-cf)；在减小电流频率进行扰动时所得的新的频率Fi2＝Fv/(1+cf)；

分别通过增大和减小电流频率两个方向进行扰动的原因是：由于现场负载形式多样，而负载对于电流频率有较大的影响。当电网断开后，若并联负载的谐振系数比较大时，导致电流频率上升；反之，若并联负载的谐振系数比较小时，导致电流频率下降。如果只采取一种频率扰动，如总是加大电流频率，当负载谐振系数较小，电流频率有降低的趋势，而由于人为加入的扰动使电流频率升高，则会出现两者效果抵消、孤岛检测失败的情况。

步骤5，比较Fi1和Fi2哪一个对电网电流波形影响大，

比较|Fi1-Fik|与|Fi2-Fik|，若|Fi1-Fik|＞|Fi2-Fik|，则说明Fi1对电网电流波形影响大，将Fi1的值输出给电流频率Fi，且令num1＝0，num0＝num0+1；；

若|Fi1-Fik|≤|Fi2-Fik|，则将Fi2对电网电流波形影响大，将Fi2的值输出给电流频率Fi，且令num0＝0，num1＝num1+1；。

步骤6，将步骤6所得Fi赋值给Fv，回到步骤2，再次进行判断。

本实施例设具体的仿真参数如下：逆变器直流侧电源电压400V，输出有功功率为3kW；滤波电感大小为8mH，附加电阻0.1Ω；电网电压有效值为220V，频率50Hz；本地负载为额定功率为3kW的RLC并联谐振负载(R＝16.13Ω，L＝20.55mH，C＝493.12μF)，Qf为2.5，谐振频率f0为50Hz。在t＝0.1s时将电网断开；为方便观察电压和电流之间的相位和频率关系，取电压信号的和电流信号一起连到示波器中；仿真时间0.4s。

公共耦合点处的电压和电流波形如图3所示，图中实线表示电压(实际电压为图中电压的4倍)，虚线为电流。

公共耦合点处电压频率波形图如图4所示，电网断电后0.1178s时电流频率超出孤岛阈值，检测出孤岛。公共耦合点处电流谐波波形图如图5所示，公共耦合点处电流谐波频谱图的频谱如图6所示。

根据仿真结果对三种方法：AFD、AFDPF以及本实施例所述种光伏并网逆变器中的孤岛检测算法进行分析和比较，结果如表1所示。

表1 算法分析比较

根据表1可以看出，与主动频率偏移法(AFD)比较，一种光伏并网逆变器中的孤岛检测算法检测孤岛效应发生的时间更少更快，且这种算法对加入电流的总谐波含量更少；相比于带正反馈的主动频率偏移法(AFDPF)，这种改进的算法能在电网正常运行时带入更少的谐波，也能在更短的时间之内检测出孤岛。仿真结果与理论分析一致。仿真结果表明本实施例相对于现有的技术，有较为明显的技术优势。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种光伏并网逆变器中的孤岛检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1，设定电流频率标准值Fik，检测电网电压频率并赋值给Fv；设定num0为电压频率增大时对电网电流波形造成影响大于电压频率减小对电网电流波形造成影响的次数，设定num1为电压频率减小对电网电流波形造成影响大于电压频率增大时对电网电流波形造成影响的次数，初始化所述num0＝0，所述num1＝0；

步骤2，设定电网最大电压频率为Fh＝Fik+x，电网最小电压频率为Fl＝Fik-x，判断Fl<Fv<Fh是否成立，若是，则进入步骤3继续判断孤岛是否产生；若否，则表示孤岛已产生，关闭逆变器；

所述x为依据经验设定的电网最大或最小电压频率与标准电压频率之间的差值；

步骤3，判断num0≤2且num1≤2是否成立，若是，则设截断因子cf＝k·Δf³，进入步骤4继续判断孤岛是否产生；若否，则表示孤岛产生，设截断因子cf＝a+kΔf³；

所述Δf³为|Fv-Fik|³，所述k为依据经验确定的反馈系数，所述a为依据经验确定的增量常数；

步骤4，依据步骤3所得截断因子cf的值通过增大电流频率和减小电流频率两种方式对逆变电流进行扰动，得到在增大电流频率进行扰动时所得的新的频率Fi1和在减小电流频率进行扰动时所得的新的频率Fi2；

步骤5，比较Fi1和Fi2哪一个对电网电流波形影响大，若Fi1的影响较大，则将Fi1的值输出给电流频率Fi，且令num1＝0，num0＝num0+1；若Fi2的影响较大，则将Fi2的值输出给电流频率Fi，且令num0＝0，num1＝num1+1；比较|Fi1-Fik|与|Fi2-Fik|，若|Fi1-Fik|＞|Fi2-Fik|，则判断Fi1对电网电流波形影响大；若|Fi1-Fik|≤|Fi2-Fik|，则判断Fi2对电网电流波形影响大；

步骤6，将步骤5所得Fi赋值给Fv，回到步骤2循环运行。

2.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器中的孤岛检测方法，其特征在于：所述步骤1中设定所述电流频率标准值Fik＝50Hz。

3.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器中的孤岛检测方法，其特征在于：所述步骤2中设定电网最大或最小电压频率与标准电压频率之间差值x＝0.5。

4.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器中的孤岛检测方法，其特征在于：所述步骤3中所述反馈系数k为10，所述增量常数a＝0.03。

5.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器中的孤岛检测方法，其特征在于：所述步骤4中增大电流频率进行扰动时所得的新的频率Fi1＝Fv/(1-cf)，减小电流频率进行扰动时所得的新的频率Fi2＝Fv/(1+cf)。