CN105467237A - 一种基于有功电流扰动的正反馈孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于有功电流扰动的正反馈孤岛检测方法，所述检测方法共包括以下四个部分：并网点电压矢量角计算、输出电流在同步旋转坐标系下的D轴控制系数计算、并网电流控制和并网点过/欠压、过/欠频保护。对逆变装置有功电流的扰动控制，既可保证逆变装置在正常运行时对输出电流的谐波畸变率没有影响，又可保证在发生孤岛时，该孤岛检测方法没有检测盲区，大大提高了孤岛检测范围，同时由于有正反馈的存在，其检测速度也能轻易满足规范要求，此外，由于逆变装置的正常运行范围在规范中已经确定，因此，对于确定低通滤波后的上下限也非常简单。

Description

一种基于有功电流扰动的正反馈孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及一种三相并网发电系统的孤岛效应检测方法，具体是一种分布式并网发电系统的主动正反馈式孤岛检测方法，属于三相并网逆变器的电网检测领域。

背景技术

在由并网逆变器和电网构成的分布式发电系统中，逆变装置并网点附近的负载由逆变装置和电网共同供电，当逆变装置输出功率与负载功率相匹配且负载的电网端因故障停止供电时，逆变装置可能会继续向负载供电，从而形成电网之外的孤岛运行状态。孤岛状态会使得一些被认为已经与电网断开的线路带电，这会给电网维修人员和用户的人身安全带来威胁。

目前，常用的孤岛检测方法有被动式孤岛检测法和主动式孤岛检测法两种，被动式孤岛检测法常用的是检测并网点电压的幅值、频率、谐波，这三种方法都有较大的检测盲区，只能作为辅助检测手段。主动式孤岛检测法常用的是主动频移法和无功功率扰动法，主动频移法会对逆变装置输出电流的谐波造成影响，在功率较大的三相并网逆变器中一般较少使用，无功功率扰动法则在高品质因数下有检测盲区，无法完全检出不同品质因数下的孤岛效应。因此，一种既能快速准确地检测出孤岛的发生又能避免对输出电流谐波产生影响的孤岛检测方法对于分布式发电装置来说是一项非常重要的研究课题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种对逆变装置输出电流谐波影响小，且无检测盲区的孤岛检测方法，通过发生孤岛时逆变装置输出的有功电流对并网点电压的影响，从而实现对是否发生孤岛效应的判断。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于有功电流扰动的正反馈孤岛检测方法，所述检测方法的步骤包括：

a）在每个采样周期读取一次并网点线电压，将读取的线电压从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系上，然后再将两相静止坐标系上的、分量变换到电网电压矢量定向的两相同步旋转坐标系上，利用软件锁相技术，获得电网电压同步矢量角、电网电压在同步坐标系上的D轴分量和Q轴分量；

b）对D轴分量作低通滤波，根据逆变装置的允许工作电压范围，对低通滤波后的设定上下限得到，将未做任何处理的除以，即可得到逆变装置在同步旋转坐标系下的D轴有功电流控制系数；

c）将有功电流控制系数乘以有功电流给定，会经过PI控制、电压前馈和空间矢量脉宽调制模块控制逆变装置的输出功率；

d）在孤岛状态下，逆变装置的输出功率的变化会影响负载电压的变化，而负载电压的变化会导致电网电压在同步坐标系上的D轴分量的变化，通过对的处理得到的有功电流控制系数则会通过有功电流给定反过来影响逆变装置的输出功率，如此反复，形成对负载电压的正反馈影响，直到的电压幅值和频率超过限值而停机。

进一步的，所述三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换公式为：

，所述两相静止坐标系上的、分量变换到电网电压矢量定向的两相同步旋转坐标系的变换公式为：

，其中，和为并网点线电压，和为电网电压在两相静止坐标系上的轴分量和轴分量，为电网电压矢量角，和为电网电压在电网电压矢量定向的两相同步旋转坐标系上的D轴分量和Q轴分量。

进一步的，所述低通滤波后的的上下限是根据逆变装置正常允许运行电压范围设定的，其上限是由逆变装置的允许并网电压上限确定的，一般为，其下限是由逆变装置的允许并网电压下限确定的，一般为，其中为额定电压。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

对逆变装置有功电流的扰动控制，既可保证逆变装置在正常运行时对输出电流的谐波畸变率没有影响，又可保证在发生孤岛时，该孤岛检测方法没有检测盲区，大大提高了孤岛检测范围，同时由于有正反馈的存在，其检测速度也能轻易满足规范要求，此外，由于逆变装置的正常运行范围在规范中已经确定，因此，对于确定低通滤波后的上下限也非常简单。

附图说明

图1为本发明所提及的孤岛发生时有功电流给定与输出电压之间的正反馈关系图。

图2为本发明所提及的基于有功电流扰动的正反馈孤岛检测方法的程序执行流程图。

图3为本发明所提及的控制系统框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的一种基于有功电流扰动的正反馈孤岛检测方法作进一步描述。

如图1所示，图1显示了具备上述孤岛检测算法的逆变装置在孤岛发生时有功电流给定与输出电压之间的正反馈关系图。通过逆变装置输出电流在同步旋转坐标系下的D轴分量对并网点电压的影响，从而实现对是否发生孤岛效应的判断，由公式（1）可知，只要锁相准确，几乎为零，输出功率基本受和影响，而由于受电网控制不容易改变，因此，只有可以有较大的自由度来改变；由公式（2）可知，在负载电阻一定的情况下，负载电阻消耗的功率与电压的平方呈正比，而在孤岛状态下，负载电阻消耗的功率直接来自，因此，可以在孤岛状态下，影响负载电阻两端的电压幅值。由于没有电网电压的钳制，在电阻电压发生变化后，会进一步影响，因此，在孤岛状态下，会与同时影响，而会反过来进一步影响负载电阻的电压，如此反复，对输出电压产生正反馈控制，直到逆变装置输出电压幅值和频率超过限值而封波脱网。

如图2所示，逆变装置主控系统在每个中断周期读取电网电压的幅值和频率，然后判断幅值和频率是否在要求范围内，如果超出范围，逆变装置会及时封波脱网，并向上位机上报故障信息，如果电网电压幅值和频率没有问题，则逆变装置主控系统会对根据电网电压进行锁相处理，得到电网电压的、和。锁相完成后，需要对进行低通滤波处理和限幅处理得到，用未作处理的除以处理后的，即可得到有功电流控制系数，用有功电流控制系数乘以有功电流给定值即可完成该孤岛检测方法的一次程序执行。

如图3所示，在本发明的控制系统框图中，除了由光伏电池、储能电池或燃料电池等组成的直流电源、逆变装置、负载、电网等必备的硬件系统外，本发明所采用的主动式正反馈孤岛检测方法共包括以下四个部分：并网点电压矢量角计算、输出电流在同步旋转坐标系下的D轴控制系数计算、并网电流控制和并网点过/欠压、过/欠频保护。

并网点电压矢量角计算是通过软件锁相实现的，逆变装置主控系统在每个采样周期读取一次并网点线电压、和，取得三个线电压之后，通过三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换公式（3）和两相静止坐标系到电网电压矢量定向的两相同步旋转坐标系的变换公式（4），即可得出电网电压在同步旋转坐标系上的D轴分量和Q轴分量，然后通过对锁相和调节PI控制器的比例系数和积分系数，即可得出电网电压矢量角。所述变换公式（3）、变换公式（4）如下：

（3）

（4）

由公式（1）可知，在基于的锁相稳定后，的值基本为零，逆变装置的输出功率受其在同步旋转坐标系上的电压D轴分量和电流D轴分量影响，而由于与电网电压幅值一致，因此，只有可以有较大的自由度来控制逆变装置的输出功率；由公式（2）可知，在负载电阻值R一定的情况下，负载电阻消耗的功率与电压的平方呈正比，而在孤岛状态下，负载电阻消耗的功率直接来自逆变装置的输出功率，因此，可以在孤岛状态下，影响负载电阻两端的电压幅值；为了影响孤岛状态下负载电阻两端的电压，则只需改变即可，在电阻电压发生变化后，逆变装置的输出功率会随之发生变化，而的变化会反过来进一步影响负载电阻的电压，如此形成正反馈控制，直到逆变装置输出电压幅值和频率超过限值封波脱网。由于某些原因（如最大功率输出），逆变装置不能随意改变给定值，通过分析可知：在理想状态下，应该是个恒定值，但是由于电网电压存在波动、不平衡和主控系统采样误差等原因，实际的之中通常除了直流量之外还叠加了一部分交流分量，而且电网电压波动越大，中叠加的交流分量就越多。因此可以通过中叠加的交流分量对施加影响，使得在逆变装置发生孤岛时，改变其有功功率输出，具体做法是：首先设计一个截止频率为25Hz的低通数字滤波器，利用该滤波器滤除的高频分量，将其只有低频分量的滤波值定义为，由于逆变装置运行电网电压有一定的波动，一般电压上限定为1.1倍的额定电网电压，下限定为0.9倍的额定电网电压，为了在不影响逆变装置正常运行的同时，能够对快速准确的检测出孤岛，需要对进行一定的限幅处理，的上限为0.898倍的额定电网电压，下限为0.735倍的额定电网电压。当逆变装置在电网电压允许的范围内运行时，得出的有功电流控制系数在1附近有个非常微小的波动，波动范围不超过0.5%。

在得出输出电流在同步旋转坐标系下的D轴控制系数后，将其乘以电流给定，会经过PI控制、电压前馈和SVPWM模块影响逆变装置的输出功率。需要指出的是，根据逆变装置应用领域的不同，的获取方式也不一样，本图仅以光伏逆变器的最大功率追踪功能为例来获取，由于因的波动导致的波动要远小于因电压外环控制产生的波动，因此，在逆变装置正常运行时，乘以后的对逆变装置的输出电流谐波基本无影响。但是当逆变装置发生孤岛时，会在幅值或交流分量的含量上会发生较大变化，而由于低通滤波器的低通滤波特性和延迟特性，在孤岛发生时会在幅值和交流分量上有较大变化，从而触发逆变装置输出功率和负载电阻电压的正反馈。

在逆变装置输出功率和负载电阻电压之间产生正反馈后，负载电阻电压的幅值和频率会受逆变装置输出功率的影响而发生变化，其波形也可能会发生不同程度的畸变，当电压幅值和频率超过规定的限值时，逆变装置主控系统会封锁控制IGBT的脉冲波形，停止对负载供电。

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 (3)

1.一种基于有功电流扰动的正反馈孤岛检测方法，其特征在于所述检测方法的步骤包括：

a）在每个采样周期读取一次并网点线电压，将读取的线电压从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系上，然后再将两相静止坐标系上的、分量变换到电网电压矢量定向的两相同步旋转坐标系上，利用软件锁相技术，获得电网电压同步矢量角、电网电压在同步坐标系上的D轴分量和Q轴分量；

b）对D轴分量作低通滤波，根据逆变装置的允许工作电压范围，对低通滤波后的设定上下限得到，将未做任何处理的除以，即可得到逆变装置在同步旋转坐标系下的D轴有功电流控制系数；

c）将有功电流控制系数乘以有功电流给定，会经过PI控制、电压前馈和空间矢量脉宽调制模块控制逆变装置的输出功率；

d）在孤岛状态下，逆变装置的输出功率的变化会影响负载电压的变化，而负载电压的变化会导致电网电压在同步坐标系上的D轴分量的变化，通过对的处理得到的有功电流控制系数则会通过有功电流给定反过来影响逆变装置的输出功率，如此反复，形成对负载电压的正反馈影响，直到的电压幅值和频率超过限值而停机。

2.根据权利要求1所述的一种基于有功电流扰动的正反馈孤岛检测方法，其特征在于所述三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换公式为：

，所述两相静止坐标系上的、分量变换到电网电压矢量定向的两相同步旋转坐标系的变换公式为：

，其中，和为并网点线电压，和为电网电压在两相静止坐标系上的轴分量和轴分量，为电网电压矢量角，和为电网电压在电网电压矢量定向的两相同步旋转坐标系上的D轴分量和Q轴分量。

3.根据权利要求1所述的一种基于有功电流扰动的正反馈孤岛检测方法，其特征在于所述低通滤波后的的上下限是根据逆变装置正常允许运行电压范围设定的，其上限是由逆变装置的允许并网电压上限确定的，一般为，其下限是由逆变装置的允许并网电压下限确定的，一般为，其中为额定电压。