CN105606921A - 一种基于负序电压正反馈的孤岛检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于负序电压正反馈的孤岛检测系统，其特征在于它包括DSP控制芯片、采样调理电路、PWM隔离驱动电路、DA数模转换电路、电源单元、通信单元、扩展电路单元和电压电流保护电路单元；其孤岛检测方法包括：提取光伏系统的正、负序电压分量；锁相环信号输入；电流扰动量获得；判断孤岛是否发生；其优越性：①采用负序电压正反馈法可实现电网不平衡情况下的快速孤岛保护。②采用变系数可实现在不同的电流给定值时，均可实现无盲区快速检测孤岛。

Description

一种基于负序电压正反馈的孤岛检测系统及方法

(一)技术领域

本发明涉及一种光伏发电系统的孤岛检测方法，主要是一种基于负序电压正反馈的孤岛检测系统及方法。其属于新能源发电与控制系统及电力电子的交叉技术领域。

(二)技术背景

随着分布式发电由独立发电模式逐渐转变为并网发电模式，孤岛问题也日益突显。所谓的孤岛效应是指当出现事故、故障或是维修停电等其他原因而造成供电系统不能进行工作时，分布式并网发电系统由于不能有效及时地检测出供电系统的停电状态而不能及时地与电网切断，从而造成逆变器给周围的用电设备不断地持续供电的电气现象。孤岛效应不仅会对整套配电系统以及用户端的设备造成很大的危害，同时也会对人自身造成伤害，因此孤岛检测具有十分重要的意义。

传统的孤岛效应检测技术根据检测方式的不同可以被划分为两大类：被动式和主动式。被动式检测技术通过监测公共耦合点(PCC)处的电压、相位、频率和谐波的变化来判断孤岛效应的发生，虽然被动式方法易于实现，但这种方法存在较大的检测盲区。主动式检测技术是指在系统中主动地加上一定的扰动信号，如有功/无功电流、相位、频率或是有功/无功功率等。当孤岛发生时，这些扰动将会使PCC处的电压幅值、频率或是谐波发生变化，直至超出正常范围，从而检测出孤岛。虽然主动式检测法的检测盲区很小，但是这些扰动信号会对系统正常运行时的电能质量造成影响。同时在实际中，电网也会出现短时的暂态现象，如电网电压幅值发生变化，在这种伪孤岛的情况下，传统的孤岛检测方法有可能会出现误操作。既能快速准确地检测出孤岛，又不会对电能质量造成破坏，是对孤岛检测的基本要求。

(三)发明内容

本发明的目的是为了克服目前被动式与主动式孤岛检测法存在的不足，提供一种基于负序电压正反馈的孤岛检测系统及方法。该方法具有非破坏性和无盲区检测等特点，同时能够有效地避免伪孤岛情况下的误操作。

本发明的技术方案：一种基于负序电压正反馈的孤岛检测系统，其特征在于它包括DSP(DigitalSignalProcessing——数字信号处理器)控制芯片、采样调理电路、PWM(PulseWidthModulation——脉宽调制)隔离驱动电路、DA数模转换电路、电源单元、通信单元、扩展电路单元和电压电流保护电路单元；其中，所述DSP控制芯片和其他控制单元均呈双向连接。

所述DSP控制芯片单元采用的数字信号处理器是美国TI德州仪器公司的TMS320F2812芯片。

所述PWM隔离驱动电路采用TI公司的SN74LVCC3245，将PWM信号的3.3V电平转换为5V电平，然后将5V电平的PWM信号输入隔离驱动单元，再驱动IGBT。

一种基于负序电压正反馈的孤岛检测方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)光伏系统以三相三线制形式与电网连接，忽略零序分量。提取光伏系统的正、负序电压分量；

(2)将三相输入电压变换到dq坐标系下，作为锁相环的输入信号，得到光伏系统下单同步坐标系软件锁相环的控制模型；

(3)引入100Hz的交流量作为电流扰动量，通过负序电压反馈不断增大电压不平衡度，得到加入扰动后的并网逆变器的参考电流；

(4)通过检测PCC点的负序电压来判断孤岛是否发生；

所述步骤(1)中提取光伏系统的正、负序电压分量的算法为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{ap}\\ u_{bp}\\ u_{cp}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2\\ {\mathrm{\α}}^2& 1& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{2}{u}_a-\frac{1}{2\sqrt{3}j}\left(u_b-u_c\right)\\ -\left(u_{ap}+u_{cp}\right)\\ \frac{1}{2}{u}_c-\frac{1}{2\sqrt{3}j}\left(u_a-u_b\right)\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{u}_{an}\\ u_{bn}\\ u_{cn}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& {\mathrm{\α}}^2& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\α}& 1& {\mathrm{\α}}^2\\ {\mathrm{\α}}^2& \mathrm{\α}& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{2}{u}_a-\frac{1}{2\sqrt{3}j}\left(u_c-u_b\right)\\ -\left(u_{ap}+u_{cp}\right)\\ \frac{1}{2}{u}_c-\frac{1}{2\sqrt{3}j}\left(u_b-u_a\right)\end{array}\right]$

为实现上述正负序分量的分解运算，考虑到复变量中虚部j相对于实部的90°偏移，可以通过带90°滞后的滤波器和恒定比例增益来实现。

所述步骤(2)中将三相输入电压变换到dq坐标系下，作为锁相环的输入信号，得到光伏系统下单同步坐标系软件锁相环的控制模型，即：

将三相输入电压u_ga、u_gb、u_gc变换到同步旋转dq坐标系下，得到交流电压的直流分量u_d、u_q；将q轴分量额定值与u_q作差，得到偏差，经PI调节后，与额定角频率ω₀相加，得到实际角频率，最后经积分得到相位角θ，即电网电压的相位角，得到锁相环的控制模型。

所述步骤(3)中引入100Hz的交流量作为电流扰动量，通过负序电压反馈不断增大电压不平衡度，得到加入扰动后的并网逆变器的参考电流。

本发明的工作原理：一种基于负序电压正反馈的孤岛检测系统及方法。(见附图1、2、3)该系统包括：

光伏系统以三相三线制形式与电网连接，忽略零序分量。提取光伏系统的正、负序电压分量。将三相输入电压变换到dq坐标系下，作为锁相环的输入信号，得到光伏系统下单同步坐标系软件锁相环的控制模型。引入100Hz的交流量作为电流扰动量，通过负序电压反馈不断增大电压不平衡度，得到加入扰动后的并网逆变器的参考电流。通过检测PCC点的负序电压来判断孤岛是否发生。由检测的实施流程(见附图6)结合以下各组成部分的算法实现对检测对象的检测。

由以上分析，提取光伏系统的正、负序电压分量的算法为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{ap}\\ u_{bp}\\ u_{cp}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2\\ {\mathrm{\α}}^2& 1& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{2}{u}_a-\frac{1}{2\sqrt{3}j}\left(u_b-u_c\right)\\ -\left(u_{ap}+u_{cp}\right)\\ \frac{1}{2}{u}_c-\frac{1}{2\sqrt{3}j}\left(u_a-u_b\right)\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{u}_{an}\\ u_{bn}\\ u_{cn}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& {\mathrm{\α}}^2& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\α}& 1& {\mathrm{\α}}^2\\ {\mathrm{\α}}^2& \mathrm{\α}& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{2}{u}_a-\frac{1}{2\sqrt{3}j}\left(u_c-u_b\right)\\ -\left(u_{ap}+u_{cp}\right)\\ \frac{1}{2}{u}_c-\frac{1}{2\sqrt{3}j}\left(u_b-u_a\right)\end{array}\right]$

为实现上述正负序分量的分解运算，考虑到复变量中虚部(j)相对于实部的90°偏移，可以通过带90°滞后的滤波器和恒定比例增益来实现。

将三相输入电压变换到dq坐标系下，作为锁相环的输入信号，得到光伏系统下单同步坐标系软件锁相环的控制模型(见附图2)即：

将三相输入电压u_ga、u_gb、u_gc变换到同步旋转dq坐标系下，得到交流电压的直流分量u_d、u_q。将q轴分量额定值与u_q作差，得到偏差，经PI调节后，与额定角频率ω₀相加，得到实际角频率，最后经积分得到相位角θ，即电网电压的相位角，得到锁相环的控制模型。

引入100Hz的交流量作为电流扰动量，通过负序电压反馈不断增大电压不平衡度，得到加入扰动后的并网逆变器的参考电流。所使用的算法为：

扰动量公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{dn}\\ i_{qn}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{i}_{n}sin\left(4\mathrm{\π}ft\right)\\ i_n\cos \left(4\mathrm{\π}ft\right)\end{array}\right]$

式中，f为电网额定频率；i_n＝Ku_mn；u_mn为负序电压幅值；K为反馈系数。

加入扰动后的并网逆变器的参考电流公式为

$\left[\begin{array}{c}{i}_d^{*}\\ i_q^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{i_d^{*}}^{\′}+i_{n}sin\left(4\mathrm{\π}ft\right)\\ {i_q^{*}}^{\′}+i_{n}cos\left(4\mathrm{\π}ft\right)\end{array}\right]$

经坐标变换，得三相静止坐标系下的参考电流公式为

式中，i_m为正序电流幅值；

第4步中，通过检测PCC点的负序电压来判断孤岛是否发生。(见附图3)其原理如下：

当电网电压平衡时，u_mn＝0，对基准电流没有扰动，并网电流平衡；当电网故障后，由于电网电压或者局部负载的不平衡，使得公共耦合点的电压幅值不平衡，存在负序电压，基准电流此时加入扰动，并会不断加大PCC电压幅值的不平衡度，直到超出阀值，实现孤岛保护。

该发明以TMS320F2812单片机作为核心芯片，将负序电压正反馈检测方法应用于光伏系统孤岛检测中(见附图6)。主要包括主电路部分，采样调理滤波电路，DA转换电路，DSP控制电路，隔离驱动电路等部分构成(见附图4)。主要实现功能如下：(1)逆变器输出电流、PCC电压采样，通过PI算法控制输出电流/电压跟随给定信号。(2)通过数字锁相环实时获取电网电压的相位，作为系统中坐标变换的旋转角度。(3)根据相应的孤岛算法，加入相应的扰动，检测PCC电压、频率是否超过阀值，同时做出孤岛动作。(4)系统发生过压、过流等故障时，能及时检测到故障并做出相应的保护动作。

通过对控制器参数进行反复调试,最终达到理想检测效果。选择合适的反馈系数K，提高孤岛检测的速度和准确性。最终使系统得到较满意的检测效果。

所述DSP控制芯片单元采用的数字信号处理器是美国TI德州仪器公司的TMS320F2812芯片，其是定点32位的高速专用微处理器，将实时处理能力与控制器外设功能集于一身，计算速度快，工作频率最高可达150MHz，虽然为定点DSP，可以通过IQ-math库的调用进行浮点运算，提高了系统的精度。另外，强大的外设模块，如事件管理器EVA/EVB，16路AD转换通道，以及串行通信、总线通信模块等，其PWM信号的输出，中断触发对时序的控制，信号处理等功能对整个控制系统的闭环以及其他设计，提供了一个理想的解决方案。

所述采样调理电路(见图7)主要有两个运算放大器构成，第一个实现电压抬升的功能，由于采样的模拟信号均为正弦量，存在负偏压，而DSP的AD端口的电压范围为0～3.3V，不能有负电压，所以，采用运算放大器将采样的模拟量升高1.5V电压，保证采样电压信号不存在负值。第二个运算放大器主要实现滤波的功能，其是二阶巴特沃斯滤波器，滤除采样的高频谐波。最后输出侧的两个二极管分别接到3.3V和地，为防止采样信号电压过高烧坏DSP，然后输入到DSP的AD模块进行数据处理。

所述步骤(3)中引入100Hz的交流量作为电流扰动量，通过负序电压反馈不断增大电压不平衡度，得到加入扰动后的并网逆变器的参考电流。所使用的算法为：

扰动量公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{dn}\\ i_{qn}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{i}_{n}sin\left(4\mathrm{\π}ft\right)\\ i_n\cos \left(4\mathrm{\π}ft\right)\end{array}\right]$

式中，f为电网额定频率；i_n＝Ku_mn；u_mn为负序电压幅值；K为反馈系数。

加入扰动后的并网逆变器的参考电流公式为

$\left[\begin{array}{c}{i}_d^{*}\\ i_q^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{i_d^{*}}^{\′}+i_{n}sin\left(4\mathrm{\π}ft\right)\\ {i_q^{*}}^{\′}+i_{n}cos\left(4\mathrm{\π}ft\right)\end{array}\right]$

经坐标变换，得三相静止坐标系下的参考电流公式为

式中，i_m为正序电流幅值；

所述步骤(4)中通过检测PCC点的负序电压来判断孤岛是否发生。其原理如下：

当电网电压平衡时，u_mn＝0，对基准电流没有扰动，并网电流平衡；当电网故障后，由于电网电压或者局部负载的不平衡，使得公共耦合点的电压幅值不平衡，存在负序电压，基准电流此时加入扰动，并会不断加大PCC电压幅值的不平衡度，直到超出阀值，实现孤岛保护。

本发明的优越性：①采用负序电压正反馈法在三相电网电压幅值不平衡时，即使电压幅值未超出过欠压保护的阀值，而电压的不平衡度可能已超出了阀值，即可实现电网不平衡情况下的快速孤岛保护。②采用变系数可实现在不同的电流给定值时，均可实现无盲区快速检测孤岛。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种基于负序电压正反馈的孤岛检测系统工作原理中的三相相量的对称分量示意图。

图2是本发明所涉一种基于负序电压正反馈的孤岛检测系统中的锁相环控制框图。

图3是本发明所涉一种基于负序电压正反馈的孤岛检测方法中负序电压正反馈法的控制系统结构图。

图4是本发明所涉一种基于负序电压正反馈的孤岛检测系统的整体结果框图。

图5是本发明所涉一种基于负序电压正反馈的孤岛检测系统中DSP控制系统的结构示意图。

图6为本发明所涉一种基于负序电压正反馈的孤岛检测系统工作方法的程序流程图。

图7为本发明所涉一种基于负序电压正反馈的孤岛检测系统中采样调理电路的电路结构示意图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于负序电压正反馈的孤岛检测系统及方法(见图4、5)，其特征在于它包括DSP(DigitalSignalProcessing——数字信号处理器)控制芯片、采样调理电路、PWM(PulseWidthModulation——脉宽调制)隔离驱动电路、DA数模转换电路、电源单元、通信单元、扩展电路单元和电压电流保护电路单元；其中，所述DSP控制芯片和其他控制单元均呈双向连接。

所述DSP控制芯片单元采用的数字信号处理器是美国TI德州仪器公司的TMS320F2812芯片。

所述PWM隔离驱动电路采用TI公司的SN74LVCC3245，将PWM信号的3.3V电平转换为5V电平，然后将5V电平的PWM信号输入隔离驱动单元，再驱动IGBT。

一种基于负序电压正反馈的孤岛检测方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)光伏系统以三相三线制形式与电网连接，忽略零序分量。提取光伏系统的正、负序电压分量；

(2)将三相输入电压变换到dq坐标系下，作为锁相环的输入信号，得到光伏系统下单同步坐标系软件锁相环的控制模型；

(3)引入100Hz的交流量作为电流扰动量，通过负序电压反馈不断增大电压不平衡度，得到加入扰动后的并网逆变器的参考电流；

(4)通过检测PCC点的负序电压来判断孤岛是否发生；

所述步骤(1)中提取光伏系统的正、负序电压分量的算法为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{ap}\\ u_{bp}\\ u_{cp}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2\\ {\mathrm{\α}}^2& 1& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{2}{u}_a-\frac{1}{2\sqrt{3}j}\left(u_b-u_c\right)\\ -\left(u_{ap}+u_{cp}\right)\\ \frac{1}{2}{u}_c-\frac{1}{2\sqrt{3}j}\left(u_a-u_b\right)\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{u}_{an}\\ u_{bn}\\ u_{cn}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& {\mathrm{\α}}^2& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\α}& 1& {\mathrm{\α}}^2\\ {\mathrm{\α}}^2& \mathrm{\α}& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{2}{u}_a-\frac{1}{2\sqrt{3}j}\left(u_c-u_b\right)\\ -\left(u_{ap}+u_{cp}\right)\\ \frac{1}{2}{u}_c-\frac{1}{2\sqrt{3}j}\left(u_b-u_a\right)\end{array}\right]$

为实现上述正负序分量的分解运算，考虑到复变量中虚部(j)相对于实部的90°偏移，可以通过带90°滞后的滤波器和恒定比例增益来实现。

所述步骤(2)中将三相输入电压变换到dq坐标系下，作为锁相环的输入信号，得到光伏系统下单同步坐标系软件锁相环的控制模型，即：

将三相输入电压u_ga、u_gb、u_gc变换到同步旋转dq坐标系下，得到交流电压的直流分量u_d、u_q；将q轴分量额定值与u_q作差，得到偏差，经PI调节后，与额定角频率ω₀相加，得到实际角频率，最后经积分得到相位角θ，即电网电压的相位角，得到锁相环的控制模型。

所述步骤(3)中引入100Hz的交流量作为电流扰动量，通过负序电压反馈不断增大电压不平衡度，得到加入扰动后的并网逆变器的参考电流。

Claims (7)

1.一种基于负序电压正反馈的孤岛检测系统，其特征在于它包括DSP控制芯片、采样调理电路、PWM隔离驱动电路、DA数模转换电路、电源单元、通信单元、扩展电路单元和电压电流保护电路单元；其中，所述DSP控制芯片和其他控制单元均呈双向连接。

2.根据权利要求1所述一种基于负序电压正反馈的孤岛检测系统，其特征在于所述DSP控制芯片单元采用的数字信号处理器是美国TI德州仪器公司的TMS320F2812芯片。

3.根据权利要求1所述一种基于负序电压正反馈的孤岛检测系统，其特征在于所述PWM隔离驱动电路采用TI公司的SN74LVCC3245，将PWM信号的3.3V电平转换为5V电平，然后将5V电平的PWM信号输入隔离驱动单元，再驱动IGBT。

4.一种基于负序电压正反馈的孤岛检测方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)光伏系统以三相三线制形式与电网连接，忽略零序分量；提取光伏系统的正、负序电压分量；

(2)将三相输入电压变换到dq坐标系下，作为锁相环的输入信号，得到光伏系统下单同步坐标系软件锁相环的控制模型；

(3)引入100Hz的交流量作为电流扰动量，通过负序电压反馈不断增大电压不平衡度，得到加入扰动后的并网逆变器的参考电流；

(4)通过检测PCC点的负序电压来判断孤岛是否发生。

5.根据权利要求4所述一种基于负序电压正反馈的孤岛检测方法，其特征在于所述步骤(1)中提取光伏系统的正、负序电压分量的算法为：

为实现上述正负序分量的分解运算，考虑到复变量中虚部j相对于实部的90°偏移，可以通过带90°滞后的滤波器和恒定比例增益来实现。

6.根据权利要求4所述一种基于负序电压正反馈的孤岛检测方法，其特征在于所述步骤(2)中将三相输入电压变换到dq坐标系下，作为锁相环的输入信号，得到光伏系统下单同步坐标系软件锁相环的控制模型，即：

将三相输入电压u_ga、u_gb、u_gc变换到同步旋转dq坐标系下，得到交流电压的直流分量u_d、u_q；将q轴分量额定值与u_q作差，得到偏差，经PI调节后，与额定角频率ω₀相加，得到实际角频率，最后经积分得到相位角θ，即电网电压的相位角，得到锁相环的控制模型。

7.根据权利要求4所述一种基于负序电压正反馈的孤岛检测方法，其特征在于所述步骤(3)中引入100Hz的交流量作为电流扰动量，通过负序电压反馈不断增大电压不平衡度，得到加入扰动后的并网逆变器的参考电流。