CN105406511A - 一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路及检测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路及其检测控制方法，所述检测电路包含有从主电网进行取样的采样电路，所述采样电路将采样信号经隔离电路、滤波电路、波形转换电路和光耦隔离电路后输入DSP处理器，经DSP处理器处理后通过PWM驱动器发出的PWM信号驱动IGBT逆变器，且微电网发电设备经IGBT逆变器和滤波电路、断路器后连接至主电网上。本发明涉及一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路及其检测控制方法，对孤岛状态能够及时进行检测并进行控制。

Description

一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路及检测控制方法

技术领域

本发明涉及一种孤岛检测电路及检测控制方法，尤其是涉及一种用于在主电网断电时对处于孤岛状态的微电网进行检测并及时将其断开的电路以及检测控制方法，属于电力电子以及自动化控制技术领域。

背景技术

孤岛现象，是指微电网与主电网并网运行时，当主电网意外中断供电，微电网发电系统未能及时检测出停电状态而不能迅速将其自身切离主电网网络，从而形成的一个由微电网发电系统向周围负载供电的一种电力公司无法掌控的自给供电现象（状态）。

当系统处于孤岛状态时，由于主电网不能控制孤岛中的电压和频率，从而可能损坏配电设备和用户设备，干扰主电网的正常合闸，甚至可能威胁线路检修人员的人身安全。

当微电网发电系统并网运行过程中，本地负载所消耗的视在功率来自主电网和微电网发电系统，三者相互平衡，详见如下公式：

；

其中：

为本地负载消耗的视在功率（）；

为主电网输出的视在功率（）；

为微电网发电系统输出的视在功率（）;

当电网发生故障时，电网停止向负载供电，即此刻;

(1)若本地负载需要的有功功率、无功功率与微电网发电系统输出的有功功率、无功功率不一致，那么，势必引起电能质量参数的变化，以频率来表征,见如下公式：

(2)若本地负载需要的有功功率、无功功率与微电网发电系统输出的有功功率、无功功率相同，则耦合结点处的电压及其频率仍将维持在正常范围内;发电系统如果无法检测到主电网失电等情况，系统将处于孤岛状态。现有孤岛检测技术主要有三种方法：

(1)基于通信的孤岛检测方法。

(2)基于系统输出的检测方法，包含无源检测（被动）和有源检测（主动）。

(3)基于同步发电机的检测方法

上述现有技术存在如下问题：

(1)微电网运行环境复杂，不同环境的孤岛状态指标差异较大。孤岛检测设置的阈值不能适应所有的工况。若电网三相电压和负载不对称，各个检测指标存在检测误差。当系统有多个发电系统时，注入的各干扰信号可能相互冲突，影响系统正常运行。

(2)微电网孤岛检测方法需要减少检测盲区，兼顾电能质量要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种对孤岛状态能够及时进行检测并进行控制的用于微电网发电系统的孤岛检测电路及检测控制方法，本发明能够在电网断开时对微电网进行快速检测，并具有较强的抗干扰能力，不会因为强电磁干扰环境导致采样误差；将对电网电能质量的负面影响降至最低。

本发明的目的是这样实现的：

一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路，其特征在于：所述检测电路包含有从主电网进行取样的采样电路，所述采样电路将采样信号经隔离电路、滤波电路、波形转换电路和光耦隔离电路后输入DSP处理器，经DSP处理器处理后通过PWM驱动器发出的SVPWM信号驱动IGBT逆变器，且微电网发电接入设备经直流斩波单元、储能单元、功率单元和EMI滤波电路、断路器后连接至主电网上。

本发明一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路，所述采样电路为电压采用电路，电压电阻一端接入火线，另一端接入零线。

本发明一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路，所述隔离电路包含有隔离变压器PTA，采样电路的采样信号输入隔离变压器PTA的初级线圈，隔离变压器PTA的次级线圈上串接有采样电阻R10，且隔离变压器PTA的次级线圈一端接地，另一端输出信号UAcap。

本发明一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路，所述隔离变压器PTA的次级线圈接地端接入的是系统模拟地。

本发明一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路，所述波形转换电路包含有运算放大器，运算放大器的反相输入端接地，运算放大器的正相输入端经传递电阻接入输入信号，且传递电阻对地连接有滤波电容；所述运算放大器的输出端上对+5V高电平设置有上拉电阻。

本发明一种用于微电网发电系统的孤岛检测控制方法，步骤1、通过采样电路获取电网上一周期的无功电流量；

步骤2、对电网侧进行采样，获取当前电流、电压值，并利用傅里叶变换获取当前电流、电压的均方根值Um、Im；并同时计算出其各自的谐波含量Uthd、Ithd；此时定义总谐波含量参数；此时获得Uthd、Ithd和Tthd三组数值，定义k=Uthd+Ithd+Tthd；

当k∈[0,2%]时，m为低幅扰动，m的取值为{}；

当k∈(2%,6%]时，m为中幅扰动，m的取值为{}；

当k＞6%时，m为高幅扰动，m的取值为{}；

步骤3、计算当年周期的无功电流量；

其中，为无功扰动电流分量，取值为，亦可根据实际电网情况选取一最佳值；d为无功扰动方向定义，取值区间为{-1，0,1}；

步骤4、将无功电流值注入电网进行扰动调节；

步骤5、进行步骤4扰动调节的同时，采样电路对电网上的频率变化进行采样，若超出预设范围值，则通过断路器将微电网与电网断开。

本发明一种用于微电网发电系统的孤岛检测控制方法，

对于步骤3，在当前周期的无功电流量的计算过程中；

步骤3.1：输入扰动标志位（如方波），并判断其是否为零；

步骤3.2：扰动标志位为零，则d=0，返回执行步骤3.1；若扰动标志位不为零，则执行步骤3.3；

步骤3.3：对步骤1中无功电流的方向进行判断，若为正，则d=-1；若为负，则d=1；

步骤3.4：根据公式获得当前扰动电流；然后返回步骤3.1。

本发明一种用于微电网发电系统的孤岛检测控制方法，在步骤3.3与步骤3.4之间还设置有步骤3.3.1，此时对采样电路获取的当前频率变化进行判断，若频率变化在误差允许范围之内，则说明电网正常供电，则由步骤3.3.1跳转至步骤3.1；若频率变化超出误差允许范围，则进入步骤3.4开始进行扰动调节。

本发明一种用于微电网发电系统的孤岛检测控制方法，对于步骤4，无功电流扰动调节的过程为：由采样电路从电网上获取电压Ua、Ub、Uc，电流ia、ib、ic参数，并经由abc三相静止坐标系转换为dq旋转坐标系，从而获取id、iq和Ud、Uq参数；同时，从微电网的发电设备端获取功率参数经功率调节后与id经混频器输入第一分数阶PIλ控制器；iq和由步骤三获取的当年周期的无功电流量经混频器输入第二分数阶PIλ控制器，第一分数阶PIλ控制器和第二分数阶PIλ控制器的传递函数为；第一分数阶PIλ控制器和第二分数阶PIλ控制器的输出信号分别与Ud和Uq进入混频器后输入PWM控制器，该PWM控制器输出PWM信号控制IGBT逆变器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明微电网发电系统运行过程中，通过向电网输入小幅度的无功电流扰动，若系统处于孤岛状态，系统频率将上升或下降到过欠频保护区域，从而实现快速检测和控制，完成微电网系统在孤岛状态下的快速动作；

同时，本发明硬件电路信号经过三次转化，首先利用变压器将电网工频380VAC电压转换为工频12VAC低压正弦信号；其次，利用比较器将工频12VAC低压正弦信号转化为5VDC方波信号；最后，方波信号经过光耦隔离送入DSP的捕获端口。多次转化，相对于直接采样电网工频电压方案，其抗干扰能力更强。在供电电源电压有少量偏差的情况下，本电路对电压波动也有较大抑制作用；

另外，本发明硬件电路采用多级隔离电路。其中变压器、比较器、光耦、输入端滤波电容均提供较强共模干扰抑制，适宜在高电磁噪声环境下应用。系统通过隔离将电源地、模拟地、信号地检测时向电网注入略微畸变的电流，从而形成一个连续改变频率的趋势；三者可以有效隔离，防止信号串扰，去除不确定噪音，保证频率检测稳定可靠。

综上所述，本发明具有以下突出优点:

①借助微电网发电系统智能处理单元DSP和硬件捕获方式，获取可靠的系统电能频率，能够最大限度削弱杂散波，进行关键特征识别、综合利用并归纳偏置，利用多次隔离分割，降低差模干扰，系统能够通过过零点电路，将正弦波转化为方波给DSP处理单元，保证采样及捕获准确可靠和强的鲁棒性；

②借助DSP处理器，可以灵活选取保护阈值，保证系统冗余。通过智能数据处理算法，找出适合的保护阈值。重点对多特征判决及单判据偏置问题，进行关键特征识别、综合利用并归纳偏置，充分考虑平稳工况、故障、剧烈波动等不同电网环境，保证安全可靠。

本发明既能免疫电网正常运行过程中谐波分量，能够屏蔽电网的“虚波”，又能在电网意外中断供电故障时快速抓取到频率变化。系统在检测到孤岛发生后可以快速实现孤岛保护，能满足标准要求。

附图说明

图1为本发明一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路的电路示意图。

图2为本发明一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路的采样电路的局部示意图。

图3为本发明一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路的隔离电路的局部示意图。

图4为本发明一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路的波形转换电路的局部示意图。

图5为本发明一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路的光耦隔离电路的局部示意图。

图6为本发明一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路的系统图。

图7为本发明一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路的无功电流扰动的示意图。

图8为本发明一种用于微电网发电系统的孤岛检测控制方法的流程示意图。

具体实施方式

参见图1~7，本发明涉及的一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路及检测控制方法，所述检测电路包含有从主电网进行取样的采样电路，所述采样电路将采样信号经隔离电路、滤波电路、波形转换电路和光耦隔离电路后输入DSP处理器，经DSP处理器处理后通过PWM驱动器发出的SVPWM信号驱动功率单元内的IGBT逆变器，且微电网发电接入设备经直流斩波单元、储能单元、功率单元和EMI滤波电路、断路器后连接至主电网上。

具体的讲，所述采样电路为电压采用电路，电压电阻一端接入火线（A相、B相或C相），另一端接入零线（N相）；

具体的讲，所述隔离电路包含有隔离变压器PTA，采样电路的采样信号输入隔离变压器PTA的初级线圈，隔离变压器PTA的次级线圈上串接有采样电阻R10，且隔离变压器PTA的次级线圈一端接地，另一端输出信号UAcap；优选的，所述隔离变压器PTA的次级线圈接地端接入的是系统模拟地，通过隔离变压器PTA从而将电网侧干扰与系统进行隔离，保证系统的可靠性；同时，虽然隔离变压器PTA具有一定的相位误差，但是该误差值为一固定值，可通过计算方式进行补偿；

具体的讲，所述波形转换电路包含有运算放大器，运算放大器的的反相输入端接地，运算放大器的正相输入端经传递电阻接入输入信号，且传递电阻对地连接有滤波电容；所述运算放大器的输出端上对+5V高电平设置有上拉电阻；

具体的讲，所述光耦隔离电路将系统的模拟地与工作地进行隔离，进一步保证了输入DSP处理器的信号的稳定性；

参见图8，一种用于微电网发电系统的孤岛检测控制方法，

步骤1、通过采样电路获取电网上一周期的无功电流量；

步骤2、对电网侧进行采样，获取当前电流、电压值，并利用傅里叶变换获取当前电流、电压的均方根值Um、Im；并同时计算出其各自的谐波含量Uthd、Ithd；此时定义总谐波含量参数；此时获得Uthd、Ithd和Tthd三组数值，定义k=Uthd+Ithd+Tthd；

当k∈[0,2%]时，m为低幅扰动，m的取值为{}；

当k∈(2%,6%]时，m为中幅扰动，m的取值为{}；

当k＞6%时，m为高幅扰动，m的取值为{}；

从而确定m的取值，m取三个值的作用在于，使得其消除干扰因素，检测更为精确；同时，由于非线性阶梯扰动，相对于负载线稳定线性度，扰动需具备非线性与冗余度。利用阶乘扰动能力强和差异度大的优点，有助于打破微电网与本地负载功率平衡时的孤岛状态；根据谐波含量调节扰动区间，扩大系统检测范围，在一定程度上增强抗干扰能力。

m为无功电流扰动系统（其根据电网电能质量进行选取），取值区间为{}；并且当m取值为{}为低幅扰动，当m取值为{}为中幅扰动，当m取值为{}为高幅扰动；m值的选取规则为：

步骤3、计算当年周期的无功电流量；

其中，为无功扰动电流分量，取值为，亦可根据实际电网情况选取一最佳值；d为无功扰动方向定义，取值区间为{-1，0,1}；

步骤4、将如图7所示的无功电流值注入电网进行扰动调节；

步骤5、进行步骤4扰动调节的同时，采样电路对电网上的频率变化进行采样，若超出预设范围值，则通过断路器将微电网与电网断开；

进一步的：

对于步骤3，在当前周期的无功电流量的计算过程中；

步骤3.1：输入扰动标志位（如方波），并判断其是否为零；

步骤3.2：扰动标志位为零，则d=0，返回执行步骤3.1；若扰动标志位不为零，则执行步骤3.3；

步骤3.3：对步骤1中无功电流的方向进行判断，若为正，则d=-1；若为负，则d=1；

步骤3.4：根据公式获得当前扰动电流；然后返回步骤3.1；

优选的，在步骤3.3与步骤3.4之间还设置有步骤3.3.1，此时对采样电路获取的当前频率变化进行判断，若频率变化在误差允许范围之内，则说明电网正常供电，则由步骤3.3.1跳转至步骤3.1；若频率变化超出误差允许范围，则进入步骤3.4开始进行扰动调节；

进一步的：

对于步骤4，无功电流扰动调节的过程为：由采样电路从电网上获取电压（Ua、Ub、Uc）、电流（ia、ib、ic）参数，并经由abc三相静止坐标系转换为dq旋转坐标系，从而获取（id、iq）和（Ud、Uq）参数；同时，从微电网的发电设备端获取功率参数经功率调节后与id经混频器输入第一分数阶PIλ控制器；iq和由步骤三获取的当年周期的无功电流量经混频器输入第二分数阶PIλ控制器，第一分数阶PIλ控制器和第二分数阶PIλ控制器的传递函数为；第一分数阶PIλ控制器和第二分数阶PIλ控制器的输出信号分别与Ud和Uq进入混频器后输入PWM控制器，该PWM控制器输出SVPWM信号控制IGBT逆变器；其中，参数、和λ的求取，需要本地电网数据进行采样，整定过程按照幅值/相位裕度法进行（该计算过程为常规方式）；同时，为了追求响应速度，系统不做实时自适应整定，利用学习算法进行调试后再确认参数、和λ；

本发明中PID控制算法采用模糊分数阶控制，弥补对于具有非线性、时变的系统存在参数整定不良,对运行工况适应性差的问题。模糊PI控制器以误差e和误差变化ec作为输入,可以满足不同时刻的e、ec对PI参数自整定的要求，利用模糊控制规则在线对PID参数行修改，便构成了模糊PI控制器。

另外：需要注意的是，上述具体实施方式仅为本专利的一个优化方案，本领域的技术人员根据上述构思所做的任何改动或改进，均在本专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路，其特征在于：所述检测电路包含有从主电网进行取样的采样电路，所述采样电路将采样信号经隔离电路、滤波电路、波形转换电路和光耦隔离电路后输入DSP处理器，经DSP处理器处理后通过PWM驱动器发出的SVPWM信号驱动IGBT逆变器，且微电网发电接入设备经直流斩波单元、储能单元、功率单元和EMI滤波电路、断路器后连接至主电网上。

2.如权利要求1所述一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路，其特征在于：所述采样电路为电压采用电路，电压电阻一端接入火线，另一端接入零线。

3.如权利要求1所述一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路，其特征在于：所述隔离电路包含有隔离变压器PTA，采样电路的采样信号输入隔离变压器PTA的初级线圈，隔离变压器PTA的次级线圈上串接有采样电阻R10，且隔离变压器PTA的次级线圈一端接地，另一端输出信号UAcap。

4.如权利要求3所述一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路，其特征在于：所述隔离变压器PTA的次级线圈接地端接入的是系统模拟地。

5.如权利要求1所述一种用于微电网发电系统的孤岛检测电路，其特征在于：所述波形转换电路包含有运算放大器，运算放大器的的反相输入端接地，运算放大器的正相输入端经传递电阻接入输入信号，且传递电阻对地连接有滤波电容；所述运算放大器的输出端上对+5V高电平设置有上拉电阻。

6.一种用于微电网发电系统的孤岛检测控制方法，其特征在于：

步骤1、通过采样电路获取电网上一周期的无功电流量；

步骤2、对电网侧进行采样，获取当前电流、电压值，并利用傅里叶变换获取当前电流、电压的均方根值Um、Im；并同时计算出其各自的谐波含量Uthd、Ithd；此时定义总谐波含量参数；此时获得Uthd、Ithd和Tthd三组数值，定义k=Uthd+Ithd+Tthd；

当k∈[0,2%]时，m为低幅扰动，m的取值为{}；

当k∈(2%,6%]时，m为中幅扰动，m的取值为{}；

当k＞6%时，m为高幅扰动，m的取值为{}；

步骤3、计算当年周期的无功电流量；

其中，为无功扰动电流分量，根据实际电网情况选取；d为无功扰动方向定义，取值区间为{-1，0,1}；

步骤4、将无功电流值注入电网进行扰动调节；

步骤5、进行步骤4扰动调节的同时，采样电路对电网上的频率变化进行采样，若超出预设范围值，则通过断路器将微电网与电网断开。

7.如权利要求6所述一种用于微电网发电系统的孤岛检测控制方法，其特征在于：

对于步骤3，在当前周期的无功电流量的计算过程中；

步骤3.1：输入扰动标志位（如方波），并判断其是否为零；

步骤3.2：扰动标志位为零，则d=0，返回执行步骤3.1；若扰动标志位不为零，则执行步骤3.3；

步骤3.3：对步骤1中无功电流的方向进行判断，若为正，则d=-1；若为负，则d=1；

步骤3.4：根据公式获得当前扰动电流；然后返回步骤3.1。

8.如权利要求7所述一种用于微电网发电系统的孤岛检测控制方法，其特征在于：在步骤3.3与步骤3.4之间还设置有步骤3.3.1，此时对采样电路获取的当前频率变化进行判断，若频率变化在误差允许范围之内，则说明电网正常供电，则由步骤3.3.1跳转至步骤3.1；若频率变化超出误差允许范围，则进入步骤3.4开始进行扰动调节。

9.如权利要求6所述一种用于微电网发电系统的孤岛检测控制方法，其特征在于：对于步骤4，无功电流扰动调节的过程为：由采样电路从电网上获取电压Ua、Ub、Uc，电流ia、ib、ic参数，并经由abc三相静止坐标系转换为dq旋转坐标系，从而获取id、iq和Ud、Uq参数；同时，从微电网的发电设备端获取功率参数经功率调节后与id经混频器输入第一分数阶PIλ控制器；iq和由步骤三获取的当年周期的无功电流量经混频器输入第二分数阶PIλ控制器，第一分数阶PIλ控制器和第二分数阶PIλ控制器的传递函数为；第一分数阶PIλ控制器和第二分数阶PIλ控制器的输出信号分别与Ud和Uq进入混频器后输入PWM控制器，该PWM控制器输出PWM信号控制IGBT逆变器。

10.如权利要求6所述一种用于微电网发电系统的孤岛检测控制方法，其特征在于：步骤3中，无功扰动电流分量的取值。