CN105467252A - 一种基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法，包括如下步骤：步骤一，在逆变器正常运行后在原有的无功功率给定量中加入一个循环变化的扰动量；步骤二，对该扰动量的给定与逆变器检测到的电网频率变化趋势进行分析，根据分析结果判断孤岛是否发生，若孤岛未发生，逆变器正常工作，扰动量继续在系统内，若孤岛发生；步骤三，检测到孤岛发生后改变无功功率扰动策略，使孤岛系统频率达到保护限值，使得逆变器断开并网继电器。本发明的基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法，通过步骤一、步骤二和步骤三的设置，就可以有效的检测到孤岛的发生，以及在孤岛发生的时候，及时的使逆变器断开并网继电器。

Description

一种基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法

技术领域

本发明涉及一种检测方法，更具体的说是涉及一种基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法。

背景技术

在光伏并网系统中，发电装置通过逆变器接入电网中并连接着本地负载。当外电网发生故障时，并网逆变器会脱离电网，形成局部带发电装置的本地负载电网结构，从而形成孤岛。孤岛的发生会带来很大的危害。所以必须迅速检测出孤岛，并采取相应的措施。

孤岛检测方案分为主动式防孤岛检测和被动式防孤岛检测。

被动式防孤岛检测主要通过检测并网点电压幅值、频率、相位和谐波等来判断是否发生孤岛，但存在着有很大的不可测区域，可靠性不高。

主动式的防孤岛检测主要有移频控制法，不过移频控制法容易造成并网电流畸变，对发出的电能影响较大。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种不可测区域小、可靠性高、对发出的电能影响小的基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法，包括如下步骤：

步骤一，在逆变器正常运行后在原有的无功功率给定量中加入一个循环变化的扰动量；

步骤二，对该扰动量的给定与逆变器检测到的电网频率变化趋势进行分析，根据分析结果判断孤岛是否发生，若孤岛未发生，逆变器正常工作，扰动量继续在系统内，若孤岛发生，继续以下步骤；

步骤三，检测到孤岛发生后改变无功功率扰动策略，使孤岛系统频率达到保护限值，使得逆变器断开并网继电器。

作为本发明的进一步改进，其中步骤一中的扰动量是一个由正到负再由负到正的循环变量，其值大小处于-5％有功功率和5％有功功率之间。

作为本发明的进一步改进，其中步骤二中的判断方法，是通过检测电网频率，同时对这个采集的实时电网频率进行一个低通滤波处理，然后确定该频率是否在一定时间内频率连续递增或者递减，若是则表示孤岛发生，若不是则表示孤岛并未发生。

作为本发明的进一步改进，在步骤三中利用孤岛发生时逆变器输出无功电流与孤岛电网的角频率之间的关系来使得系统频率达到保护限制，触发逆变器断开并网继电器。

作为本发明的进一步改进，所述孤岛发生时逆变器输出无功电流与孤岛电网的角频率之间的关系由下式公式得出：

$i_q=2i_d{M}_f(1-\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}),$ 其中 ${\mathrm{\ω}}_n=\frac{1}{\sqrt{LC}}$

上式中，i_q为无功电流，i_d为有功电流，M_f为负载品质因素，ω为负载所在电网角频率，ω_n为负载自身的谐振角频率，L为负载自身电感，C为负载自身电容。

作为本发明的进一步改进，在检测到电网频率一定时间内递增时，若此时给定的无功扰动量递减，则认定孤岛发生，否则认定孤岛并未发生，在检测到电网频率一定时间内递减时，若此时给定的无功扰动量递增，则认定孤岛发生，否则认定孤岛并未发生。

作为本发明的进一步改进，应用本方法的逆变器包括IGBT模块、SVPWM模块、比例谐振控制器和无功扰动量发生器，所述IGBT模块耦接有电感后耦接于外部电网交流侧，所述SVPWM模块耦接于IGBT模块，所述无功扰动量发生器发出的无功扰动量与实际值之间的误差先进入到比例谐振控制器后，再经坐标逆变换后经过SVPWM模块输入到IGBT模块内，通过IGBT模块输出有功给定电流和无功给定电流，以控制逆变器工作。

作为本发明的进一步改进，所述逆变器还包括电网电压锁相环模块，所述电网电压锁相环模块耦接于电感和外部电网交流侧之间。

本发明的有益效果，通过步骤一的设置，就可以有效的在电力系统中加入一个循环变化的扰动量，通过步骤二的设置，就可以有效的判断孤岛是否发生，若孤岛未发生，则逆变器正常工作，扰动量继续在系统内，以备在孤岛发生的时候，及时的检测到并响应，而通过步骤三的设置，在检测到孤岛发生以后，就可以使得孤岛系统频率达到保护限值，使得逆变器断开并网继电器，有效的实现了主动防御孤岛，并且通过加入扰动量对输出的无功功率进行控制，当孤岛发生时对无功的控制将对孤岛电网内的频率发生影响，让我们识别出孤岛的发生，使逆变器并网继电器断开实现主动式防孤岛，其可测区域大，可靠性高。

附图说明

图1为本发明的基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法的流程图；

图2是逆变器采集的电网频率曲线图；

图3是逆变器无功功率扰动给定曲线；

图4是实测防孤岛保护功能逆变器跳开时间；

图5为使用本发明方法的逆变器的原理框图。

具体实施方式

下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。

参照图1至5所示，本实施例的一种基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法，包括如下步骤：

步骤一，在逆变器正常运行后在原有的无功功率给定量中加入一个循环变化的扰动量；

步骤二，对该扰动量的给定与逆变器检测到的电网频率变化趋势进行分析，根据分析结果判断孤岛是否发生，若孤岛未发生，逆变器正常工作，扰动量继续在系统内，若孤岛发生，继续以下步骤；

步骤三，检测到孤岛发生后改变无功功率扰动策略，使孤岛系统频率达到保护限值，使得逆变器断开并网继电器，在主动防孤岛的过程中，首先通过步骤一将循环变化的扰动量输入到供电系统内，然后通过步骤二检测电网频率的变化趋势，检测出孤岛是否发生，若孤岛发生则继续下一个步骤到步骤三，若未发生，则扰动量继续输入到供电系统内，以备在孤岛发生时及时有效的响应，在孤岛发生时，通过步骤三，就使得孤岛系统的频率不断上升达到保护限值，使得逆变器断开并网继电器，阻碍孤岛的发生，这样就可以有效的起到一个主动防御孤岛发生的效果，相比于现有技术的孤岛防御方法，可测区域大，可靠性高。

作为改进的一种具体实施方式，其中步骤一中的扰动量是一个由正到负再由负到正的循环变量，其值大小处于-5％有功功率和5％有功功率之间，对于扰动量的参考值得大小是由增大到再由减小到这里需注意，不是给一个固定大小的值，而是一个百分比于id的值。目的是为了在不同功率点处的扰动都能对孤岛系统频率产生足够的扰动。但是这个值又不能太大，太大会导致功率因数不能满足要求，因而将扰动量的值的大小处于-5％有功功率和5％有功功率之间就能够很好的实现对孤岛系统频率产生足够的扰动。

作为改进的一种具体实施方式，其中步骤二中的判断方法，是通过检测电网频率，同时对这个采集的实时电网频率进行一个低通滤波处理，然后确定该频率是否在一定时间内频率连续递增或者递减，若是则表示孤岛发生，若不是则表示孤岛并未发生，孤岛时，对于扰动量的连续变化，孤岛系统的频率会发生相应变化，因而就可以有效的通过检测孤岛系统频率是否递增或是递减来判断孤岛是否发生了。

作为改进的一种具体实施方式，在步骤三中利用孤岛发生时逆变器输出无功电流与孤岛电网的角频率之间的关系来使得系统频率达到保护限制，触发逆变器断开并网继电器，逆变器输出无功电流与孤岛电网的角频率之间具有密切的关系，因而就可以有效的通过调节逆变器输出无功电流来使得系统频率达到保护限制，触发逆变器断开并网继电器，更好的避免了孤岛的发生。

作为改进的一种具体实施方式，所述孤岛发生时逆变器输出无功电流与孤岛电网的角频率之间的关系由下式公式得出：

$i_q=2i_d{M}_f(1-\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}),$ 其中 ${\mathrm{\ω}}_n=\frac{1}{\sqrt{LC}}$

上式中，i_q为无功电流，i_d为有功电流，M_f为负载品质因素，ω为负载所在电网角频率，ω_n为负载自身的谐振角频率，L为负载自身电感，C为负载自身电容，在这里设dq坐标系下流入电网的电流分别是i_d与i_q。则流入电网的有功功率与无功功率可表示为

$P=\frac{3}{j}(V_d{i}_d+V_q{i}_q)---\left(1\right)$

$Q=\frac{3}{2}(V_d{i}_q+V_q{i}_d)---\left(2\right)$

dq坐标系下的电压大小可表示为下式，其中U相电压有效值。

$V_d=\sqrt{2}U---\left(3\right)$

V_q＝0(4)

将(4)式带入(1)(2)式中可得

$P=\frac{3}{2}{V}_d{i}_d---\left(5\right)$

$Q=\frac{3}{2}{V}_d{i}_q---\left(6\right)$

孤岛情况发生时刻负载上的有功功率与无功功率分别为：

$P=\frac{U^2}{R}---\left(7\right)$

$Q=\frac{U^2}{\mathrm{\ω}L}-U^2\mathrm{\ω}C---\left(8\right)$

ω为负载所在电网角频率。

负载品质因素： $M_f=R\sqrt{\frac{C}{L}}---\left(9\right)$

将(7)(9)代入(8)后可得 $\mathrm{\ω}=\frac{1}{\sqrt{LC}}(1-\frac{1}{2}\frac{Q}{{\mathrm{PM}}_f})---\left(10\right)$

将(5)(6)代入(10)后可得孤岛发生时逆变器输出无功电流与孤岛电网的角频率之间的关系

$i_q=2i_d{M}_f(1-\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}).---\left(11\right)$ 其中 ${\mathrm{\ω}}_n=\frac{1}{\sqrt{LC}}$

由上式可看出在孤岛情况发生时，i_q值减小，则ω变大；i_q值增大，则ω变小。如果能识别出孤岛并能在孤岛发生时控制i_q让ω往一个方向变化直至触发电网频率过欠频保护，那么就能够实现防孤岛功能，为了满足功率因素不小于0.98的并网要求，通常情况下将i_q参考值设为0。不过为了使逆变器能在电网失压时判断出孤岛的发生，这里我们引入一个i_q的微扰动去帮助我们识别。电网正常时，i_q的微扰动对于整个电网的频率影响可以忽略不计。在电网失压时，i_q的微扰动对本地负载的所在电网的频率影响非常明显，如此就能够很好的通过i_q的扰动，实现使得系统频率达到保护限制，触发逆变器断开并网继电器的效果。

作为改进的一种具体实施方式，在检测到电网频率一定时间内递增时，若此时给定的无功扰动量递减，则认定孤岛发生，否则认定孤岛并未发生，在检测到电网频率一定时间内递减时，若此时给定的无功扰动量递增，则认定孤岛发生，否则认定孤岛并未发生，孤岛时，对于i_q的连续变化，孤岛系统的频率会发生相应变化。由公式(11)可看出每一个i_q参考值都对应一个孤岛系统的频率值，且在i_q最大时，孤岛系统的频率最低；i_q最小时，孤岛系统的频率最高。当i_q的给定值递增时，孤岛系统内的频率便会递减，当i_q的给定值递减时，孤岛系统内的频率便会递增。但是要排除外部电网自身频率波动的情况，防止错误判断孤岛的发生，在i_q的给定值单向变化后，逆变器重新判断频率变化趋势，如果频率没有按照i_q的变化而变化，则认定是电网频率正常波动，i_q给定值恢复正常扰动，逆变器正常运行。根据上面判断流程逆变器便能知道孤岛的发生，在知道孤岛发生后i_q参考值的变化就不是之前的循环变化了，而是单向递增或者递减，去改变孤岛系统的频率，直至孤岛系统的频率触发过欠频保护，逆变器断开并网继电器，完成防孤岛保护。

作为改进的一种具体实施方式，应用本方法的逆变器包括IGBT模块、SVPWM模块、比例谐振控制器和无功扰动量发生器，所述IGBT模块耦接有电感后耦接于外部电网交流侧，所述SVPWM模块耦接于IGBT模块，所述无功扰动量发生器发出的无功扰动量与实际值之间的误差先进入到比例谐振控制器后，再经坐标逆变换后经过SVPWM模块输入到IGBT模块内，通过IGBT模块输出有功给定电流和无功给定电流，以控制逆变器工作，在逆变器工作过程中，逆变器通过对交流侧的采样与坐标变换(abc/dq就是坐标变化)可以得到电网电压的相位信息和网侧有功电流id和无功电流iq。有功，无功电流参考量(id_ref有功电流给定，iq_ref无功电流给定，这个给定量便是无功扰动给定)与实际值之间的误差经过比例谐振控制器(PR就是比例谐振控制器)再经由坐标逆变换后，由整流桥(IGBT)输出有功给定电流与无功给定电流，控制逆变器工作，如此便有效的实现了扰动量的产生和加入到电网交流侧的效果。

作为改进的一种具体实施方式，所述逆变器还包括电网电压锁相环模块，所述电网电压锁相环模块耦接于电感和外部电网交流侧之间，通过电网电压锁相环的设置，就可以有效的实现逆变器的输出电压与外部电网保持一致，避免了逆变器对外部电网的影响。

在本实例中，可由图2与图3看出，在正常并网运行时，逆变器的无功功率扰动给定对电网频率没有影响。但是在孤岛发生后，从图2中可看出无功功率扰动开始对孤岛系统的频率产生影响，逆变器检测到这一频率变化，从图3中可看出无功功率扰动突破正常扰动的限定值，使得图2中的频率触发过欠频保护。

图4为实测防孤岛保护时间图，通道一为逆变器输出电流，通道二为往电网上所发送的电流，通道三为孤岛发生信号。当逆变器输出的无功功率与有功功率和RIC负载的无功功率与有功功率相匹配时，往电网上输送的电流大小会非常小。可从图5中看出孤岛发生到逆变器停止输出时间为511ms。符合《NBT32004-2013光伏发电并网逆变器技术规范》中所要求小于2s的规定时间。

综上所述，本发明通过步骤一、步骤二、步骤三的设置，就可以有效的检测出孤岛的发生，驱使并网继电器断开，实现了主动防御孤岛的效果，且可测区域大，可靠性高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一，在逆变器正常运行后在原有的无功功率给定量中加入一个循环变化的扰动量；

步骤二，对该扰动量的给定与逆变器检测到的电网频率变化趋势进行分析，根据分析结果判断孤岛是否发生，若孤岛未发生，逆变器正常工作，扰动量继续在系统内，若孤岛发生，继续以下步骤；

步骤三，检测到孤岛发生后改变无功功率扰动策略，使孤岛系统频率达到保护限值，使得逆变器断开并网继电器。

2.根据权利要求1所述的基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法，其特征在于：其中步骤一中的扰动量是一个由正到负再由负到正的循环变量，其值大小处于-5％有功功率和5％有功功率之间。

3.根据权利要求1或2所述的基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法，其特征在于：其中步骤二中的判断方法，是通过检测电网频率，同时对这个采集的实时电网频率进行一个低通滤波处理，然后确定该频率是否在一定时间内频率连续递增或者递减，若是则表示孤岛发生，若不是则表示孤岛并未发生。

4.根据权利要求1或2所述的基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法，其特征在于：在步骤三中利用孤岛发生时逆变器输出无功电流与孤岛电网的角频率之间的关系来使得系统频率达到保护限制，触发逆变器断开并网继电器。

5.根据权利要求3所述的基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法，其特征在于：在步骤三中利用孤岛发生时逆变器输出无功电流与孤岛电网的角频率之间的关系来使得系统频率达到保护限制，触发逆变器断开并网继电器。

6.根据权利要求4所述的基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法，其特征在于：所述孤岛发生时逆变器输出无功电流与孤岛电网的角频率之间的关系由下式公式得出：

$i_q=2i_d{M}_f(1-\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}),$ 其中 ${\mathrm{\ω}}_n=\frac{1}{\sqrt{LC}}$

上式中，i_q为无功电流，i_d为有功电流，M_f为负载品质因素，ω为负载所在电网角频率，ω_n为负载自身的谐振角频率，L为负载自身电感，C为负载自身电容。

7.根据权利要求5所述的基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法，其特征在于：所述孤岛发生时逆变器输出无功电流与孤岛电网的角频率之间的关系由下式公式得出：

$i_q=2i_d{M}_f(1-\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}),$ 其中 ${\mathrm{\ω}}_n=\frac{1}{\sqrt{LC}}$

上式中，i_q为无功电流，i_d为有功电流，M_f为负载品质因素，ω为负载所在电网角频率，ω_n为负载自身的谐振角频率，L为负载自身电感，C为负载自身电容。

8.根据权利要求3所述的基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法，其特征在于：在检测到电网频率一定时间内递增时，若此时给定的无功扰动量递减，则认定孤岛发生，否则认定孤岛并未发生，在检测到电网频率一定时间内递减时，若此时给定的无功扰动量递增，则认定孤岛发生，否则认定孤岛并未发生。

9.根据权利要求1或2所述的基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法，其特征在于：应用本方法的逆变器包括IGBT模块、SVPWM模块、比例谐振控制器和无功扰动量发生器，所述IGBT模块耦接有电感后耦接于外部电网交流侧，所述SVPWM模块耦接于IGBT模块，所述无功扰动量发生器发出的无功扰动量与实际值之间的误差先进入到比例谐振控制器后，再经坐标逆变换后经过SVPWM模块输入到IGBT模块内，通过IGBT模块输出有功给定电流和无功给定电流，以控制逆变器工作。

10.根据权利要求9所述的基于无功功率扰动的三相光伏逆变器主动防孤岛方法，其特征在于：所述逆变器还包括电网电压锁相环模块，所述电网电压锁相环模块耦接于电感和外部电网交流侧之间。