CN104269830A - 一种基于双矢量角的并网光伏系统孤岛保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏发电系统的孤岛保护方法，该方法是一种基于双矢量角的主动式孤岛保护技术，该技术采用扰动前和扰动后两个电压矢量角，提取其中的扰动分量，并融入Sandia孤岛保护技术；该方法不仅提高了光伏系统孤岛保护的性能，而且克服了传统相位扰动算法带来的有功功率波动的缺点，提高了正常运行时的逆变器输出功率性能。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子和光伏发电逆变器控制领域，特别是涉及一种基于双矢量角的并网光伏系统孤岛保护方法。
背景技术
随着能源的日益紧张和用户对供电可靠性的要求越来越高，分布式发电在电力系统中起着越来越大的作用，太阳能光伏(photovoltaic，PV)发电系统是分布式发电中非常重要的发电方式之一。太阳能发电系统将电能送上电网，称为并网系统。当电网供电因故障事故或停电维修而跳闸时，各个用户端的光伏发电系统未能及时检测出停电状态从而将自身切离市电网络，最终形成有光伏并网发电系统和其相连负载组成的一个自给供电的孤岛发电系统。孤岛发电系统会带来以下危害：电网中的电压频率相位无法控制，可能对用户设备带来损害；使得一些被认为已经与所有电源断开的线路带电，这会给相关人员（如电网维修人员和用户）带来电击的危险；而当电网恢复后，又会由于相位或频率和电网不同步带来很高的冲击电流，从而损害孤岛系统中的分布式发电装置，甚至导致电网重新跳闸。因此，不管从安全性还是可靠性方面来考虑，光伏发电系统都应具备孤岛保护功能。而且现在国内光伏系统都需要通过金太阳认证，其中对孤岛保护做出了强制要求。
目前光伏逆变器孤岛保护方法一般分为两大类：第一类称为被动式孤岛保护策略，如不正常的电压和频率、相位监视和谐波监视等；第二类称为主动式孤岛保护策略，如频率偏移和输出功率扰动等。第一类方法比如过/欠压，过/欠频保护，通过检测并网点的电压和频率是否异常来判断孤岛状态，比较简单，但是只有在电源—负载不匹配程度较大时才能有效，在其他情况可能会导致孤岛检测失效。第二类方法如频率或者相位偏移，这类主动式方法在控制信号中人为注入扰动成分，从而使得频率或者相位偏移，这类主动式方法大大增强了系统的孤岛保护能力。
主动式孤岛保护最为常用的方案是扰频法（AFD），扰频法主要通过向并网点注入频率变化的电流信号，使并网点发生频率的变化，从而形成正反馈过程，最终并网点电压的频率超出正常的工作阈值进而触发保护，达到孤岛保护的目的。然而AFD的思想在三相并网逆变器的实现上，又不同于单相的理论，需要通过无功功率扰动的角度分析。而且在实际应用来中存在速度过慢和有功功率波动的缺点。
发明内容
本发明提出了一种新型的基于双矢量角的AFD孤岛保护方法，该技术采用扰动前和扰动后两个电压矢量角，提取其中的扰动分量，并融入Sandia孤岛保护技术，该方法不仅提高了孤岛保护的性能，而且克服了经典AFD算法带来的有功功率波动的缺点，提高了正常运行时的逆变器输出功率性能。
本发明技术方案如下：
一种基于双矢量角的并网光伏系统孤岛保护方法，所述方法步骤包括：电网电压的矢量定位的控制方法；双矢量角的孤岛保护方法。
进一步的，所述电网电压的矢量定位的控制方法即用一个静止 坐标系下的矢量角度来表达三相电压/电流的相位信息，通过电网电压矢量角将三相交流量转为同步旋转dq坐标系下的直流量，再通过电压反馈环和电流反馈环产生PWM调制信号。
进一步的，所述双矢量角的孤岛保护方法的步骤包括：
a、电网电压矢量角通过软件锁相环获得；
b、扰动角度的计算；
c、Sandia加速方法的实现；
d、双矢量角AFD保护方法的实现。
进一步的，步骤b中设基准频率为f1，扰动频率f2，向上扰动频率f2，f2>f1，门限计算值由下式求得
设电网电压矢量角度为，扰动角度为，按下式求得
；
进一步的，步骤c中的Sandia加速算法的实现按下式求得频率扰动量
然后用频率扰动量计算扰动频率，如下式：
式中，为频率扰动量，表示电网标准频率50Hz，为频率扰动量基值，为加速因子，为当前电压频率，为扰动频率。
进一步的，步骤d计算出电网电压矢量角度和扰动角度，使用电网电压矢量角度，通过dq变换，将三相电流转换为同步旋转dq坐标系下的电流有功分量和电流无功分量；同理，再使用扰动角度计算出扰动的，从其中提取出扰动量，最终将此扰动量加入进无功电流给定值；其中=-。
进一步的，所述dq变换公式如下：
式中，、、分别为a相、b相、c相三相电流。
这样即实现了不影响有功功率稳定输出的新的AFD孤岛保护策略。该策略将反馈值的扰动提取为给定值的扰动，实现了无功扰动和有功功率输出的解耦，因此消除了经典AFD算法影响有功功率稳定的缺点。
本发明的技术效果如下：
当光伏系统发生孤岛效应时，该方法能够快速准确的识别出孤岛状态，强制使得系统频率升高或降低，触发过/欠频保护，从而迅速从电网切除光伏逆变器。而在正常工作状态下，该方法又不会带来有功功率的波动，仅仅对系统的无功功率有轻微扰动，从而提高了光伏逆变器在正常工作时的发电稳定性。
附图说明
图1本发明的同步dq旋转坐标系原理示意图。
图2 经典AFD孤岛保护方法效果图。
图3本发明的双矢量角孤岛保护方法效果图。
图4本发明的软件锁相环PLL获取电网电压矢量角度的实现方法流程图
图5本发明的频率向上扰动时的矢量示意图。
图6本发明的扰动角度示意图。
图7本发明的双矢量角AFD孤岛保护算法的控制策略框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的一种基于双矢量角的并网光伏系统孤岛保护方法进行进一步描述。
逆变器并网控制算法中的同步dq旋转坐标系原理示意如图1所示，三相光伏逆变器控制算法基于电网电压综合矢量，即用一个坐标系下的矢量角度来表达三相电压的相位信息，电流矢量同理。因此，此角度的过零点并不同于单向逆变器中的真正过零点，而仅仅说明A相此时是过零点，其他两相非过零点。 通过电网电压矢量角将三相交流量转为同步旋转dq坐标系下的直流量，再通过电压反馈环和电流反馈环产生PWM调制信号，从而达到逆变器输出功率的目标。
经典AFD孤岛保护方法效果图、本发明的双矢量角孤岛保护方法效果图分别如图2、图3所示，图中Id表示有功电流分量，Iq表示无功电流分量；从结果可以看出，两者都会扰动无功电流分量Iq，而经典AFD方法对于有功电流Id是有影响的，而本发明的方法则不会影响有功电流分量Id，Id很平滑，从而既可以实现孤岛状态的保护，又消除了有功功率的波动。
软件锁相环PLL获取电网电压矢量角度的实现方法流程图如图4所示：其原理如下：通过对三相电网电压的dq变换，计算出Ud和Uq的值，Uq给定值=0， 构成如图4所示的闭环负反馈，Uq误差信号通过PI控制器和积分器，最终获得电网电压矢量角度。
扰动频率可以分为向上扰动和向下扰动，一般选用向上扰动，这是因为向上扰动没有相位的跳变。向上扰动的矢量示意图如图5所示。扰动电网电压矢量角会影响到反馈电流Id、Iq，假设逆变器控制算法参考方向采用电动机惯例，功率因数为1，如果向上扰动了电网电压矢量角度，使得本来没有无功分量的反馈电流产生了无功分量，因此逆变器的输出功率就产生了无功功率。向上扰动的相位图如图6所示。设基准频率为f1，扰动频率f2 ，向上扰动f2>f1，门限计算值由下式求得
设电网电压矢量角度为，扰动角度为，按下式求得
为了增加孤岛保护的快速性，引入Sandia加速算法，实现方法如下式：
；
式中，为频率扰动量，表示电网标准频率50Hz，为频率扰动量基值，为加速因子，为当前电压频率。
接着用频率扰动量计算扰动频率如下式，即得出经过Sandia加速算法后所用的新的扰动频率：
。
双矢量角AFD孤岛保护算法的控制策略框图如图7所示，计算出电网电压矢量角度和扰动角度，使用电网电压矢量角度，通过dq变换，将三相电流转换为同步旋转dq坐标系下的电流有功分量和电流无功分量；此方法将不再对反馈电流和进行扰动。同理，再使用扰动角度计算出扰动的，从其中提取出扰动量，最终将此扰动量加入进无功电流给定值；这样即实现了不影响有功功率稳定输出的双矢量角AFD孤岛保护方法。扰动量提取的实现方法如下式：
=-。
dq变换公式如下：
式中，、、分别为a相、b相、c相三相电流。
该方法将反馈值的扰动提取为给定值的扰动，实现了无功扰动和有功功率输出的解耦，因此消除了经典AFD算法影响有功功率输出的缺点。
主要参数推荐值如下：
频率扰动量基值，加速因子。
对于具体实施方式的理解的描述仅仅是为帮助理解本发明，而不是用来限制本发明的。本领域技术人员均可以利用本发明的思想进行一些改动和变化，只要其技术手段没有脱离本发明的思想和要点，仍然在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于双矢量角的并网光伏系统孤岛保护方法，所述方法步骤包括：电网电压的矢量定位的控制方法；双矢量角的孤岛保护方法。
2.根据权利要求1所述的一种基于双矢量角的并网光伏系统孤岛保护方法，其特征在于：所述电网电压的矢量定位的控制方法即用一个 坐标系下的矢量角度来表达三相电压/电流的相位信息，通过电网电压矢量角将三相交流量转为同步旋转dq坐标系下的直流量，再通过电压反馈环和电流反馈环产生PWM调制信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于双矢量角的并网光伏系统孤岛保护方法，其特征在于，所述双矢量角的孤岛保护方法的步骤包括：
a、电网电压矢量角通过软件锁相环获得；
b、扰动角度的计算；
c、Sandia加速方法的实现；
d、双矢量角AFD保护方法的实现。
4.根据权利要求3所述的一种基于双矢量角的并网光伏系统孤岛保护方法，其特征在于：步骤b中设基准频率为f1，扰动频率f2，向上扰动频率f2>f1，门限计算值由下式求得：
；
设电网电压矢量角度为，扰动角度为，按下式求得
。
5.根据根据权利要求3所述的一种基于双矢量角的并网光伏系统孤岛保护方法，其特征在于：步骤c中的Sandia加速算法的实现按下式求得频率扰动量，
；
然后用频率扰动量计算扰动频率，如下式：
；
式中，为频率扰动量，表示电网标准频率50Hz，为频率扰动量基值，为加速因子，为当前电压频率，为扰动频率。
6.根据根据权利要求3所述的一种基于双矢量角的并网光伏系统孤岛保护方法，其特征在于：步骤d计算出电网电压矢量角度和扰动角度，使用电网电压矢量角度，通过dq变换，将三相电流转换为同步旋转dq坐标系下的电流有功分量和电流无功分量；同理，再使用扰动角度计算出扰动的，从其中提取出扰动量，最终将此扰动量加入进无功电流给定值；其中=-。
7.根据权利要求6所述的一种基于双矢量角的并网光伏系统孤岛保护方法，其特征在于：所述dq变换公式如下：
；
；
式中，、、分别为a相、b相、c相三相电流。
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