CN104716651A - 用于光伏并网逆变器的低频无功功率扰动孤岛检测方法 - Google Patents

用于光伏并网逆变器的低频无功功率扰动孤岛检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于光伏并网逆变器的低频无功功率扰动孤岛检测方法，所述方法包括以下步骤：光伏并网逆变器输出中加入低频无功功率扰动；通过实时检测光伏并网逆变器输出的电压和频率，检测光伏并网逆变器是否发生孤岛。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不利影响，本发明提供用于光伏并网逆变器的低频无功功率扰动孤岛检测方法，能够有效地检测出大功率光伏并网逆变器的孤岛现象，具有效应速度快，不注入谐波，对其他控制无影响等优点。

Description

用于光伏并网逆变器的低频无功功率扰动孤岛检测方法
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种用于光伏并网逆变器的低频无功功率扰动孤岛检测方法。
背景技术
在光伏发电系统中，光伏阵列产生的直流电能经光伏并网逆变器变换成工频交流电后并入电网，其系统简图见第九节技术附图1所示。
当电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时，光伏并网发电系统仍然向周围的负载供电，从而形成一个公用电网无法控制的自给供电孤岛。当发生孤岛效应时，电网无法控制孤岛中的电压和频率，若电压和频率超出允许的范围，可能会对用户设备造成损坏；孤岛效应发生时线路上仍然带电，会对检修人员的人身安全造成威胁，降低了电网的安全性；若负荷容量大于光伏发电系统的总容量，光伏发电系统过载运行，容易将其烧毁；断路器的复位及自动重合闸会使主系统与孤岛失步。因此，及时检测出孤岛运行状态并将光伏并网发电系统的逆变器从PCC处断开是很有必要的。
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PCC点的电气参数发生变化，从而确定孤岛发生。主动孤岛检测法主要有频率偏移法，有功功率扰动法和无功功率扰动法。频率偏移法是通过改变逆变器输出电流频率的方式来检测孤岛是否发生的，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。有功功率扰动法是通过不断改变逆变器输出有功功率来检测PCC点电压幅值的变化来判断孤岛是否发生的，这类方法的检测效率也较高，但对于光伏发电系统的输出有功功率受环境因素影响较大，人为对逆变器加入有功功率扰动不仅会对光伏发电系统的输出效率产生影响，而且会干扰MPPT控制。传统的无功功率扰动法是通过不断改变逆变器输出无功功率来检测PCC点的电压频率变化来判断孤岛是否发生的，这类方法检测效率较高，但是对于大功率光伏并网逆变器而言孤岛检测的动作阈选取较难选取，而且由于大容量隔离变对于快速变化的无功功率的稀释效应，孤岛检测的难度大大增加。
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不利影响，本发明提供用于光伏并网逆变器的低频无功功率扰动孤岛检测方法，能够有效地检测出大功率光伏并网逆变器的孤岛现象，具有效应速度快，不注入谐波，对其他控制无影响等优点。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种用于光伏并网逆变器的低频无功功率扰动孤岛检测方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：光伏并网逆变器输出中加入低频无功功率扰动；
步骤2：通过实时检测光伏并网逆变器输出的电压和频率，检测光伏并网逆变器是否发生孤岛。
所述步骤1中，基于低频无功功率扰动孤岛检测程序初始化，光伏并网逆变器输出中加入低频无功功率扰动。
所述步骤2中，通过判断电压频率是否出现频率异常以及异常次数是否超过预设值，检测光伏并网逆变器是否发生孤岛。
若电压频率大于50.5Hz或者小于49.3Hz，则判断出电压频率出现频率异常，进而可知光伏并网逆变器发生孤岛。
光伏并网逆变器发生孤岛后，其启动孤岛保护，即封锁脉冲驱动信号，断开并网接触器。
所述光伏并网逆变器包括控制器、LC滤波器和电压源型换流器；所述控制器包括测量与计算单元、MPPT控制器、电压控制单元、电流控制单元以及PWM脉冲产生单元。
所述测量与计算单元测量MPPT控制器所控制的光伏阵列输出电压Vdc和光伏阵列输出电流Idc，并检测A、B和C相电网电压ea、eb和ec，以及光伏并网逆变器输出的A、B和C相电流ia、ib和ic，分别计算在旋转坐标系下光伏并网逆变器输出的d轴电压ed、d轴电流分量id，以和q轴电压eq、q轴电流分量iq以及电压相位角θ；
所述MPPT控制器通过光伏阵列输出电压Vdc和光伏阵列输出电流Idc进行判断，得到直流电压参考值Vdc，ref；
所述电压控制单元将直流电压参考值Vdc，ref与光伏阵列输出电压Vdc之间的误差经过PI调节得到电流d轴分量参考值id，ref；
所述电流控制单元将d轴电流分量参考值id，ref与d轴电流分量id之间的误差经过电流环PI调节，计算光伏并网逆变器输出的d轴电压分量vd，改变id，ref以改变光伏并网逆变器输出的有功功率；电流控制单元将q轴电流分量参考值iq，ref与q轴电流分量iq之间的误差经过电流环PI调节，计算光伏并网逆变器输出的q轴电压分量vq，改变iq，ref以改变光伏并网逆变器输出的无功功率；
所述PWM产生脉冲单元利用光伏并网逆变器输出的vd和vq以及电压相位角θ产生PWM脉冲驱动IGBT，进而控制光伏并网逆变器的输出功率。
所述光伏并网逆变器和光伏阵列、并网接触器、隔离变压器、孤岛检测仪以及本地负载组成光伏发电系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)该方法为主动式孤岛检测方法，能有有效地将检测盲区减到很小，提高了孤岛检测的可靠性和准确性；
2)该方法采用低频无功功率扰动，对PCC点电流和电压的波形影响很小；
3)该方法是对无功功率进行扰动，并没有改变逆变器输出的有功功率，不会对逆变器的输出效率以及MPPT控制产生任何不利影响；
4)该方法中光伏并网逆变器输出的无功功率是以低频的正弦波的趋势变化，可以有效减缓大容量隔离变的稀释效应，在大功率场合比较适用。
附图说明
图1是用于光伏并网逆变器的低频无功功率扰动孤岛检测方法流程图；
图2是光伏发电系统结构示意图；
图3是光伏并网逆变器控制器结构示意图；
图4是控制器的测量与计算单元示意图；
图5是电压控制单元与电流控制单元示意图；
图6是PWM脉冲产生单元示意图；
图7是孤岛形成前后的PCC点电压频率的仿真波形图；
图8是孤岛形成前后光伏并网逆变器输出功率的仿真波形图；
图9是孤岛形成前后光伏发电系统注入电网电流仿真波形图；
图10是孤岛形成前后光伏发电系统输出电流仿真波形图；
图11是孤岛形成前后光伏发电系统注入电网电流、输出电流、PCC电压实测波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1，本发明提供一种用于光伏并网逆变器的低频无功功率扰动孤岛检测方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：光伏并网逆变器输出中加入低频无功功率扰动；
步骤2：通过实时检测光伏并网逆变器输出的电压和频率，检测光伏并网逆变器是否发生孤岛。
所述步骤1中，基于低频无功功率扰动孤岛检测程序初始化，光伏并网逆变器输出中加入低频无功功率扰动。
所述步骤2中，通过判断电压频率是否出现频率异常以及异常次数是否超过预设值，检测光伏并网逆变器是否发生孤岛。
若电压频率大于50.5Hz或者小于49.3Hz，则判断出电压频率出现频率异常，进而可知光伏并网逆变器发生孤岛。
光伏并网逆变器发生孤岛后，其启动孤岛保护，即封锁脉冲驱动信号，断开并网接触器。
所述光伏并网逆变器和光伏阵列、并网接触器、隔离变压器、孤岛检测仪以及本地负载组成光伏发电系统，如图2。
所述光伏并网逆变器包括控制器、LC滤波器和电压源型换流器；如图3，所述控制器包括测量与计算单元、MPPT控制器、电压控制单元、电流控制单元以及PWM脉冲产生单元。
如图4，所述测量与计算单元测量MPPT控制器所控制的光伏阵列输出电压Vdc和光伏阵列输出电流Idc，并检测A、B和C相电网电压ea、eb和ec，以及光伏并网逆变器输出的A、B和C相电流ia、ib和ic，分别计算在旋转坐标系下光伏并网逆变器输出的d轴电压ed、d轴电流分量id，以和q轴电压eq、q轴电流分量iq以及电压相位角θ；
所述MPPT控制器通过光伏阵列输出电压Vdc和光伏阵列输出电流Idc进行判断，得到直流电压参考值Vdc，ref；
如图5，所述电压控制单元将直流电压参考值Vdc，ref与光伏阵列输出电压Vdc之间的误差经过PI调节得到电流d轴分量参考值id，ref；
所述电流控制单元将d轴电流分量参考值id，ref与d轴电流分量id之间的误差经过电流环PI调节，计算光伏并网逆变器输出的d轴电压分量vd，改变id，ref以改变光伏并网逆变器输出的有功功率；电流控制单元将q轴电流分量参考值iq，ref与q轴电流分量iq之间的误差经过电流环PI调节，计算光伏并网逆变器输出的q轴电压分量vq，改变iq，ref以改变光伏并网逆变器输出的无功功率；
如图6，所述PWM产生脉冲单元利用光伏并网逆变器输出的vd和vq以及电压相位角θ产生PWM脉冲驱动IGBT，进而控制光伏并网逆变器的输出功率。
图7～10所示为在PSCAD／EMTDC环境下的仿真波形，图11所示为实测波形，仿真结果和实验结果都证明了本方案的有效性。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.用于光伏并网逆变器的低频无功功率扰动孤岛检测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：光伏并网逆变器输出中加入低频无功功率扰动；
步骤2：通过实时检测光伏并网逆变器输出的电压和频率，检测光伏并网逆变器是否发生孤岛。
2.根据权利要求1所述的用于光伏并网逆变器的低频无功功率扰动孤岛检测方法，其特征在于：所述步骤1中，基于低频无功功率扰动孤岛检测程序初始化，光伏并网逆变器输出中加入低频无功功率扰动。
3.根据权利要求1所述的用于光伏并网逆变器的低频无功功率扰动孤岛检测方法，其特征在于：所述步骤2中，通过判断电压频率是否出现频率异常以及异常次数是否超过预设值，检测光伏并网逆变器是否发生孤岛。
4.根据权利要求3所述的用于光伏并网逆变器的低频无功功率扰动孤岛检测方法，其特征在于：若电压频率大于50.5Hz或者小于49.3Hz，则判断出电压频率出现频率异常，进而可知光伏并网逆变器发生孤岛。
5.根据权利要求4所述的用于光伏并网逆变器的低频无功功率扰动孤岛检测方法，其特征在于：光伏并网逆变器发生孤岛后，其启动孤岛保护，即封锁脉冲驱动信号，断开并网接触器。
6.根据权利要求1-5任一所述的用于光伏并网逆变器的低频无功功率扰动孤岛检测方法，其特征在于：所述光伏并网逆变器包括控制器、LC滤波器和电压源型换流器；所述控制器包括测量与计算单元、MPPT控制器、电压控制单元、电流控制单元以及PWM脉冲产生单元。
7.根据权利要求6所述的用于光伏并网逆变器的低频无功功率扰动孤岛检测方法，其特征在于：所述测量与计算单元测量MPPT控制器所控制的光伏阵列输出电压Vdc和光伏阵列输出电流Idc，并检测A、B和C相电网电压ea、eb和ec，以及光伏并网逆变器输出的A、B和C相电流ia、ib和ic，分别计算在旋转坐标系下光伏并网逆变器输出的d轴电压ed、d轴电流分量id，以和q轴电压eq、q轴电流分量iq以及电压相位角θ；
所述MPPT控制器通过光伏阵列输出电压Vdc和光伏阵列输出电流Idc进行判断，得到直流电压参考值Vdc，ref；
所述电压控制单元将直流电压参考值Vdc，ref与光伏阵列输出电压Vdc之间的误差经过PI调节得到电流d轴分量参考值id，ref；
所述电流控制单元将d轴电流分量参考值id，ref与d轴电流分量id之间的误差经过电流环PI调节，计算光伏并网逆变器输出的d轴电压分量vd，改变id，ref以改变光伏并网逆变器输出的有功功率；电流控制单元将q轴电流分量参考值iq，ref与q轴电流分量iq之间的误差经过电流环PI调节，计算光伏并网逆变器输出的q轴电压分量vq，改变iq，ref以改变光伏并网逆变器输出的无功功率；
所述PWM产生脉冲单元利用光伏并网逆变器输出的vd和vq以及电压相位角θ产生PWM脉冲驱动IGBT，进而控制光伏并网逆变器的输出功率。
8.根据权利要求6所述的用于光伏并网逆变器的低频无功功率扰动孤岛检测方法，其特征在于：所述光伏并网逆变器和光伏阵列、并网接触器、隔离变压器、孤岛检测仪以及本地负载组成光伏发电系统。
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