CN106058911B - 电网连接的发电系统和相关直交转换装置中孤岛的检测法 - Google Patents
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Abstract
公开了电网连接的发电系统和相关直交转换装置中孤岛的检测法。本发明涉及到用于检测电网连接的能量转换系统和相关DC/AC转换器装置的孤岛状况的方法，其适合于从功率质量的维持方面来说优化性能，为工厂的所有逆变器提供同步扰动，在公用设施所请求的时间和安全标准内提供关闭能力，并提供对电网频率波动的抗扰性。
Description
发明领域
本发明涉及功率转换和产生系统，特别是，本发明涉及用于检测在适合于直接连接到电网的功率转换和产生系统中的孤岛的方法。
现有技术
本发明涉及用于检测在电网连接模式中操作的DC/AC转换器和相关DC/AC转换器装置的孤岛的方法。
电网连接的功率转换和产生系统适合于产生用于直接输送到电网的电功率，特别是转换由诸如光伏板和风力涡轮机的可再生源产生的电功率。这样的功率转换和产生系统通常包括适合于将DC输入电压转换成AC输出电压的逆变器装置，其中AC输出电压以如电网规范所需的振幅和频率为特征。所述逆变器通常适合于直接连接到电网且一般包括作为DC-AC转换器工作的半导体H桥电路。
电网连接的发电单元需要符合安全标准和规章，以保证安全地连接到公共电网。特别是，电网连接的系统需要免受孤岛——即使来自电气公用设施的电网功率不再存在，发电系统也继续给位置供电的条件。孤岛可能对可能没有意识到电路仍然通电的公用设施工人是危险的，且它可妨碍设备的自动重新连接。由于此原因，发电单元必须适合于检测孤岛状况并立即停止发电。发电单元因此需要设置有在电源电压缺少的情况下强制DC/AC转换器的输出从AC电源断开的抗孤岛能力。
如果发电单元的逆变器设置有检测孤岛的装置并经由适当的自动开关电路连接到电网，则可达到这个要求，防止到子电网或到独立电网的无意连接并因此防止孤岛状况发生。
现今存在可用来检测孤岛并避免对于电网连接的功率系统应用在孤岛模式中的不安全操作的各种方法，所述方法通常分成被动和主动方法。
被动方法监控诸如电压和频率的参数、电网电压变化率或电网频率变化率，并如果检测到的工作条件不同于标称条件，则防止功率从逆变器供应到电网。现有技术被动方法的例子基于电压相位突变、频率变化率、电压变化率、电流谐波的检测和分析。
主动方法通常将干扰引入到所连接的电路，并接着监控响应，以确定是否仍然连接公用设施电网；一些主动方法基于在逆变器和公用设施之间的通信并适合于在紧急情况出现时使逆变器停止将功率供应到电网。
现有技术主动方法的例子基于对阻抗、频率偏移、频率漂移、有功功率和/或无功功率的变化、频率突变、Sandia频率偏移、Sandia电压偏移的检测和分析。
逆变器制造商通常偏爱主动方法，因为与被动方法比较有较低的NDZ(非检测区)和较快的检测时间。
用于在逆变器操作期间检测孤岛状况的现有技术方法通常被涉及下列项的缺点影响：对当电网被连接时的频率变化的抗扰性、系统的稳定性、功率质量的维持、当在工厂中有多个逆变器时的扰动同步。
详细地，在此描述了用于基于无功功率的周期性注入来检测孤岛状况的最常见的现有技术方法之一的操作。该方法基于试图通过以一时间间隔注入无功功率来使在公共耦合点(PCC)处的电压VPCC的频率偏移的思想。
当电网公用设施被连接时，频率将不偏移，因为在系统中的无功功率使得：
Q负载＝Qinv+ΔQ
因此，当Qinv改变时，ΔQ相应地改变，以便满足由负载要求的无功功率Q负载。
当电网被断开时，ΔQ不再可用于平衡负载请求，因此：
Q负载＝Qinv
因此，当Qinv改变时维持平衡条件的唯一方式是频率改变，因为：
因此，每当逆变器响应于无功功率的注入而检测到频率偏移时，检测到孤岛状况。
上述方法以几个缺点为特征，即当电网被连接时对频率变化的抗扰性的缺乏、在多个所连接的逆变器之间的同步和在系统中引入的高度的扰动。
用于在逆变器操作期间检测孤岛状况的其它现有技术方法利用正反馈控制回路，以便开始在测试信号中的频率漂移。这些方法通常显示稳定性问题，例如当弱公用设施连接到逆变器时，然后在功率输出中的可能的不稳定性可引起在系统中的瞬变现象，且检测孤岛的正反馈控制回路可放大并增加那个不稳定性。
发明内容
因此，本发明的目的是引入用于在电网连接的逆变器中的孤岛状况的可靠检测和管理的新方法，以克服现有技术方法的缺点。
特别是，本发明的目的是引入用于关于同一工厂的多个电网连接的逆变器的孤岛状况的可靠检测和管理的新方法、相关的新AC/DC转换器和包括所述AC/DC转换器的新发电系统。
根据本发明的方法还适合于从功率质量的维持方面来说优化性能；为工厂的所有逆变器提供同步扰动；在由公用设施请求的时间和安全标准内提供逆变器关闭能力；提供对电网频率波动的抗扰性。
在下文的一个或更多实施方式中可实现本申请的各方面：
1)一种用于检测包括DC/AC转换器的电网连接的能量转换系统的孤岛状况的方法，所述DC/AC转换器包括用于追踪电网的电网频率的装置，所述方法包括：
a)测量在所述DC/AC转换器和所述电网之间的公共耦合点处的AC电压的频率；
b)产生用于追踪所述电网频率的所述装置的参考信号的扰动(Δω0)，以便使所述DC/AC转换器的AC输出电压的频率偏移；
c)给用于追踪所述电网频率的所述装置提供包括所述扰动(Δω0,Δω0+Δω)的参考信号；
d)测量在所述公共耦合点处的AC电压的频率的变化；
e)如果在所述公共耦合点处的AC电压的频率的变化小于第一预定阈值，则重复从步骤b)开始的前述步骤；如果在所述公共耦合点处的AC电压的频率的变化大于所述第一预定阈值，则：
f)如果在所述公共耦合点处的AC电压的频率大于第二预定阈值，则改变所述DC/AC转换器的操作，以便避免孤岛；
g)如果在所述公共耦合点处的AC电压的频率小于所述第二预定阈值，则对用于追踪所述电网频率的所述装置的参考信号计算新的额外项(Δω)并产生包括所述额外项(Δω)的扰动(Δω0+Δω)，并接着重复从步骤c)开始的前述步骤。
2)如1)所述的方法，其特征在于，所述扰动(Δω0)交替地被选择为在某个数量n的包括从b)到e)的步骤的子循环期间为正、而在某个数量m的包括从b)到e)的步骤的子循环期间为负，n和m是整数，直到频率漂移在步骤e)被检测到为止，然后常数项Δω0的符号保持不变并等于在检测到所述频率漂移时所述常数项Δω0采用的符号。
3)如1)到2)中的任一项所述的方法，其特征在于，通过对AC电压零交叉的检测来执行前面的步骤a)和d)的测量在所述DC/AC转换器和所述电网之间的所述公共耦合点处的AC电压的频率和频率的变化。
4)如1)到3)中的任一项所述的方法，其特征在于，在步骤d)测量的在所述公共耦合点处的AC电压的频率的变化被计算为在所述AC电压的频率的实际值和先前的采样值的短移动平均值之间的差异，所述短移动平均值基于所述AC电压的频率的小于10个的一定数量的采样值来计算。
5)如1)到4)中的任一项所述的方法，其特征在于，所述额外项(Δω)是这样的，Δω＝kΔFL，其中：ΔFL＝FN–FAVGL，FN是在时间N采样的频率样本，FAVGL是所述频率样本FN的长移动平均值，所述长移动平均值基于大于50个的一定数量的所述频率样本FN来计算，且k是常数值。
6)如1)到4)中的任一项所述的方法，其特征在于，所述额外项(Δω)是这样的，Δω＝kΔFL，其中：ΔFL＝FN–FAVGL，FN是在时间N采样的频率样本，FAVGL是所述频率样本FN的长移动平均值，所述长移动平均值基于大于50个的一定数量的所述频率样本FN计算，且k是自适应值k＝f(ΔFL)。
7)如5)和6)中的任一项所述的方法，其特征在于，k在包括第一值(k1)和第二值(k2)的组中被选择，所述第一值(k1)被首先采用，所述第二值(k2)接着被采用且大于所述第一值(k1)，以便更快地进行对所述孤岛状况的检测。
8)一种电网可连接的DC/AC转换器设备，其包括：输入DC/DC转换器、级联DC/AC逆变器和控制模块，所述控制模块包括适合于追踪电网的电网频率的模块和抗孤岛模块，所述抗孤岛模块包括：
用于测量在所述DC/AC转换器和所述电网之间的公共耦合点处的AC电压的频率和频率变化的装置；
用于产生用于追踪所述电网频率的所述模块的参考信号的扰动(Δω0，Δω0+Δω)以便使所述DC/AC转换器的AC输出电压的频率偏移的装置；
给用于追踪所述电网频率的所述模块提供包括所述扰动(Δω0,Δω0+Δω)的所述参考信号的装置；
用于当在所述公共耦合点处的AC电压的频率大于预定阈值时改变所述DC/AC转换器的操作以便避免孤岛的装置，其特征在于，所述扰动(Δω0,Δω0+Δω)包括适合于在孤岛的情况下触发所述AC电压的所述频率的漂移的常数项(Δω0)和如果所述AC电压的所述频率的漂移已被触发时的可选的额外可变项(Δω)。
9)如8)所述的设备，其特征在于，用于产生扰动(Δω0)的所述装置适合于产生交替地在某个数量n的AC电压周期期间为正、而在某个数量m的AC电压周期期间为负的扰动(Δω0)，n和m是整数，直到频率漂移由用于测量在所述DC/AC转换器和所述电网之间的所述公共耦合点处的AC电压的频率和频率变化的所述装置检测到为止，然后所述常数项(Δω0)的符号保持不变并等于在检测到所述频率漂移时所述常数项(Δω0)采用的符号。
10)如8)到9)中的任一项所述的设备，其特征在于，用于测量在所述DC/AC转换器和所述电网之间的所述公共耦合点处的AC电压的频率和频率变化的所述装置适合于通过对AC电压零交叉的检测来测量所述频率和所述频率变化。
11)如8)到10)中的任一项所述的设备，其特征在于，用于测量在所述公共耦合点处的AC电压的频率和频率变化的所述装置适合于将所述频率变化计算为在所述AC电压的频率的实际值和先前的采样值的短移动平均值之间的差异，所述短移动平均值基于所述AC电压的频率的小于10个的一定数量的采样值来计算。
12)如8)到11)中的任一项所述的设备，其特征在于，所述额外可变项(Δω)是这样的，Δω＝kΔFL，其中：ΔFL＝FN–FAVGL，FN是在时间N采样的频率样本，FAVGL是所述频率样本FN的长移动平均值，所述长移动平均值基于大于50个的一定数量的所述频率样本FN来计算，且k是常数值。
13)如8)到11)中的任一项所述的设备，其特征在于，所述额外可变项(Δω)是这样的，Δω＝kΔFL，其中：ΔFL＝FN–FAVGL，FN是在时间N处采样的频率样本，FAVGL是所述频率样本FN的长移动平均值，所述长移动平均值基于大于50个的一定数量的所述频率样本FN来计算，且k是自适应值k＝f(ΔFL)。
14)如12)到13)中的任一项所述的设备，其特征在于，k在包括第一值(k1)和第二值(k2)的组中被选择，所述第一值(k1)被首先采用，所述第二值(k2)接着被采用且大于所述第一值(k1)，以便更快地进行对孤岛状况的检测。
15)一种适合于产生AC功率并将其输送到AC电网的功率转换和产生系统，包括：
用于产生DC功率的发电单元；以及
根据8)到14)中的任一项所述的设备。
附图说明
参考附随的图中的图在非限制性实施方式的以下描述中，本发明的另外的特征和优点将明显，附图是概略的并示出适合于根据在实践中的不同电路解决方案而制造的功能块。
详细地：
图1示出根据本发明的具有设置有抗孤岛模块的控制器的电网连接的DC/AC转换器的方框图；
图2示出根据本发明的抗孤岛模块的方框图；
图3示出与在正常操作中的PLL输出有关并在扰动被施加到PLL之后的波形；
图4示出根据本发明的用于检测在电网连接的发电系统中的孤岛的方法的流程图。
本发明的详细描述
图1示出包括诸如光伏发电机或风力发电机的能量产生系统10和DC/AC转换器的电网连接的单相或多相逆变器的通用方框图。
DC/AC转换器通常包括输入DC/DC转换器11、级联DC/AC逆变器12和控制模块14，控制模块14包括例如电流控制器22、电压控制器23和PWM调制器24。
输入DC/DC转换器11适合于将所述能量产生系统10的输出直流电压升高到预定电压水平。在能量产生系统10是光伏发电机的情况下，所述输入DC/DC转换器11可进一步适合于追踪来自光伏发电机的最大功率点。在这种情况下，DC/DC转换器11用于从根据隔离和温度而改变的光伏发电机的输出执行最大功率点追踪(MPPT)，并提取最大功率以将它存储在DC链端部处的电容器组15——所述DC/DC转换器的输出中。
DC链端电压的控制由所述控制模块14执行。当从DC/DC转换器11提取光伏发电机的最大功率时，DC链端电压升高且DC/AC逆变器将存储在DC链端部中的能量注入到电网16内。
DC/AC逆变器适合于将来自DC/DC转换器11的直流电压转换成交流电压以向电网16供应逆变器电流。
因此，DC/AC转换器将来自能量产生系统10的电压转变成与电网相位同步的交流(AC)电压并将它供应给电网16。
控制模块14通常包括适合于控制电网电流的内部电流回路和适合于控制dc链电压的外部电压回路。
一般地说，电流回路可适合于将有功电流ID和无功电流IQ调节到值ID_ref和IQ_ref，电压回路适合于调节在系统内的功率流平衡。
所述控制模块14包括适合于追踪电网频率的块，例如，锁相环(PLL)17。
在设置有抗孤岛功能的逆变器中，所述控制模块14还包括抗孤岛模块18。
基于频偏的抗孤岛方法适合于修改PLL或适合于追踪电网相位或电网频率的通用块的追踪信号的波形。
假设适合于追踪电网相位或电网频率的块是PLL 17，附图3示出PLL追踪信号的波形。当将一些扰动添加到PLL追踪信号时，由逆变器注入到电网内的电流的波形变形，使得新信号零交叉点将在实际电网信号的零交叉点之前或之后，而波形的周期保持不被所述扰动改变。
在附图3中，变形的波形示出相对于在公共耦合点处拾取的实际电网频率(PCC电压)更高的频率，相同的考虑因素将在PLL追踪信号的所选择的扰动例如迫使频率低于标称频率的情况下适用。变形的波形结束每个半周期，且在开始下一半周期之前在时间tz期间保持在零振幅处。
变形的波形也可具有比PCC电压频率更低的频率。在这后一情况下，当PCC波形为零时，变形的波形也为零。
相同的考虑因素在适合于代替PLL使用追踪电网相位或电网频率的通用块的情况下适用。
当公用设施电网被连接时，公用设施电网对抗在电网电压频率中的任何变化。如果逆变器试图改变它的输出电流的频率，则公用设施电网继续向PLL提供固相和频率参考，从而使在电网电压的频率处的操作点稳定且在PLL控制回路内不出现正反馈。
相反，在孤岛状况期间，在PCC处的AC电压VPCC的频率将由于由逆变器注入的扰动而改变。逆变器输出电压接着遵循所注入的变形电流波形并在不同于标称半周期TPCC/2的时间(TPCC/2-tz)上与零振幅轴交叉。这也适用于下一半周期，且电压VPCC的零交叉点相应地偏移。然后，PLL输出信号的频率也偏移，以便保持与电网电压频率同步，且因此下一扰动被施加在具有改变的频率的PLL信号上，从而产生正反馈。结果是，PCC AC电压VPCC经历频率漂移，其检测可用于确定正在进行的孤岛状况。
参考附图1和2，根据本发明的抗孤岛模块18包括三个子模块：
信号注入器模块19，其与所述PLL 17相关，包括用于产生对所述PLL 17的参考信号的扰动的、适合于使所述DC/AC转换器的AC输出电压的频率偏移的装置19a和用于为所述PLL 17提供包括所述扰动的所述参考信号以便修改PLL输出波形使得在孤岛状况期间在PCC处的电压的频率相对于标称值偏移的装置19b；
频率提取器模块20，其与所述信号注入器模块19相关，并包括用于测量在所述DC/AC转换器和电网之间的公共耦合点处的AC电压的频率和频率变化的装置；
孤岛检测器模块21，其与所述信号注入器模块19相关，并包括用于在公共耦合点处的AC电压的频率大于预定阈值时产生警报信号并改变所述DC/AC转换器的操作以便避免孤岛的装置。
更详细地，所述信号注入器模块19将扰动施加到PLL追踪信号，其反过来影响电流回路控制信号。所述扰动使PLL波形的零交叉点在实际电网信号的零交叉点之前或之后，好像频率高于或低于在PCC处的实际电网信号频率一样。然后当波形到达零时，它在相继的半周期开始之前在时间tz期间保持在零处。
参考附图1，所述频率提取器模块20在PCC处的AC电压上操作频率测量，得到频率样本FN。在本发明的一个示例性实施方式中，可通过AC电压零交叉检测和接下来的在两个连续零交叉之间的时间间隔的测量来实现所述频率测量。通过AC电压零交叉的检测来测量在所述DC/AC转换器和电网之间的公共耦合点处的AC电压的频率向属于同一工厂并共用同一电网的所有AC/DC转换器提供自动同步。
为了使测量更准确并评估在PCC处的AC电压的频率的趋势，所述频率提取器模块20进一步分别计算小数量的频率样本FN(例如小于10个样本的数量)的短移动平均值和大数量的频率样本FN(例如大于50个样本的数量)的长移动平均值。
小数量的最后的频率样本FN的短移动平均值适合于从频率测量FN滤除噪声、EMI以及总体上说，滤除测量的不准确性。大数量的最后的样本的长移动平均值适合于感测频率测量的实际趋势，以便加速孤岛状况的检测和所检测的警报的管理。
所述频率提取器模块20向所述信号注入器模块19提供所计算的值。
如先前解释的，所述信号注入器模块19适合于将扰动施加到PLL追踪信号，其反过来影响电流回路控制信号。有利地，所述信号注入器模块19可将参考信号施加到PLL或通用电网电压相位追踪器或电网电压频率追踪器，这增加了预定质量。因此，由所述信号注入器模块19馈送到PLL的参考信号驱动所述控制模块14的电流控制回路，使得逆变器12产生输出频率ω0+Δω0，其中ω0是标称电网频率。
在正常的操作期间，当DC/AC转换器连接到电网且电网电压存在时，电网对抗在电网电压频率中的任何变化。当所述控制模块14驱动逆变器以尝试并修改它的输出电流的频率时，电网继续向PLL提供固定相位和频率参考，从而使操作点稳定在电网电压的频率处且在所述抗孤岛模块18内不出现正反馈。
相反，在孤岛状况期间，当DC/AC转换器连接到电网但电网电压不存在时，在PCC处的AC电压VPCC的频率将由于由所述信号注入器模块19注入到PLL追踪信号的扰动而改变。因此，正反馈在逆变器电流控制回路内建立：PLL和频率提取器模块20检测到高于ω0的PCC电压频率，且所述信号注入器模块19继续将扰动施加到PLL追踪信号，直到频率达到预定阈值为止，指示正在进行的紧急情况，且DC/AC转换器相应地被切断，从而避免孤岛。
优选地，基于在节点PCC处的电压的频率的过去和当前值来计算由所述信号注入器模块19施加到PLL追踪信号的扰动，在节点PCC处的电压的频率的所述过去和当前值由所述频率提取器模块20提供。
在节点PCC处的电压的频率的所述过去和当前值之间的差异大于预定阈值的情况下，接着，由所述信号注入器模块19施加的下一扰动增加了额外项Δω到Δω0+Δω，使得在孤岛的情况下，逆变器工作频率快速增长，直到达到预定警报阈值且系统被关闭并变得安全为止。
更详细地，在本发明的优选实施方式中，所述频率提取器模块20通过对在PCC处的AC电压的周期——即在两个连续零交叉之间的时间间隔——的测量来周期性地测量在PCC处的AC电压的频率，并计算频率样本FN的长移动平均值和频率样本FN的短移动平均值，并最终向所述信号注入器模块19提供所测量和计算的值。
所述信号注入器模块19适合于将扰动施加到PLL追踪信号，其反过来影响电流回路控制信号。
所施加的扰动总是包括常数项Δω0，并可包括额外的可变项Δω。常数项Δω0目的在于在丧失干线电源的紧急情况出现的情况下触发频率漂移。
根据本发明，所述常数项Δω0被选择为尽可能地小，以便对THD和对所述DC/AC转换器输出的cosφ有可忽略的影响，同时足以触发所述DC/AC转换器的频率的漂移。此外，所述常数项Δω0可被选择为正的(适合于引起频率增加)或负的(适合于引起频率减小)。
基于由所述频率提取器模块20执行的频率测量的趋势来计算额外的可变项Δω，且它目的在于加速正在进行的孤岛状况的发现和接下来的逆变器关闭。
在本发明的优选实施方式中，所述信号注入器模块19如下地计算额外的可变项Δω：
Δω＝kΔFL
其中k可以是常数值或自适应值k＝f(ΔFL)，且
ΔFL＝FN–FAVGL，
FN是在时间N处或在步骤N处执行的频率测量结果，且FAVGL是最后大数量的频率测量FN的移动平均值，所述大数量例如大于50。
如果以下条件的至少一个为真，则所述信号注入器模块19将所述额外的可变项Δω施加到对PLL追踪信号的扰动：
1)ΔFL>T1且FAVGS<FMAX(在所施加的扰动为正的情况下，因此强迫正频率漂移)；
2)ΔFL<-T1且FAVGS>FMIN(在所施加的扰动为负的情况下，因此强迫负频率漂移)；
其中，FAVGS是最后小数量的频率测量FN的移动平均值，所述小数量例如等于8，FMAX是PCC电压频率的最大可接受的值，以及FMIN是PCC电压频率的最小可接受的值。
如果上述条件1)和2)中没有一个为真，则不将所述额外的可变项Δω施加到对PLL追踪信号的扰动。
如果上述条件1)和2)中的一个或多个由于错误的测量或由于掉电而被验证为真的，则Δω只在有限的时间期间被施加到对PLL追踪信号的扰动而不达到触发逆变器关闭的警报阈值。在这种情况下，在错误的测量或掉电条件不再存在时，信号注入器模块19以在预定时间间隔中或在预定数量的周期中将所述额外的可变项Δω的减小到零的方式操作。
可能减小所述额外的可变项Δω的过程的一个例子如下，其中根据下列公式而减小Δω：
Δω(步骤n)＝0.99*Δω(步骤n-1)，某个时间常数例如等于几秒。
此外，如果FAVGS>FMAX或FAVGS<FMIN，则所述信号注入器模块19甚至在正在进行的孤岛状况的情况下也不再增加所述额外的可变项Δω。
在本发明的优选实施方式中，为了加速孤岛状况的检测以符合涉及该问题的安全规范，所述常数值k，例如Δω＝kΔFL，可具有两个不同的值：第一值k1在频率漂移在开始阶段中时被施加，第二值k2>k1被施加以加速频率漂移，以便使孤岛状况的检测足够快。
更详细地，所述信号注入器模块19检查项ΔFL＝FN–FAVGL。
如果ΔFL大于第一阈值T1(ΔFL>T1或ΔFL<-T1)，则k＝k1。
如果ΔFL>T1(或ΔFL<-T1)不变地在预定时间间隔内且ΔFL>T2(或ΔFL<-T2)，则k＝k2。
对ΔFL的值的上述检查是确认ΔFL是否真地在增加，且在AC电压的振幅的检测到的零交叉中没有读取错误或抖动。
在本发明的另一优选实施方式中，所述常数项Δω0交替地被选择为在某个数量n的周期期间为正而在某个数量m的周期期间为负，n和m是整数，直到频率漂移被检测到为止，然后所述常数项Δω0的符号保持不变并等于当频率漂移开始时所述常数项Δω0有的符号。
在多个DC/AC转换器属于同一工厂并共用同一电网的情况下，它们可具有不同的负载或不同的操作点和输入功率。因此，所述DC/AC转换器可对同一扰动Δω0做出不同的反应，可能抵消应在PCC处的AC电压的频率上检测到的总效应。在这发生的情况下，正在进行的孤岛状况可能不被正确地检测到。
将上述符号变化施加到所述常数项Δω0，可能避免上面所述的不希望有的抵消效应的可能性。有利地，周期的所述数量n和m可被选择为不同的整数，且它们可进一步被选择为不同的质数。
所述孤岛检测模块21与所述频率提取器模块20相关，并且它适合于检测正在进行的孤岛状况并在检测到孤岛的情况下用信号通知警报条件。在PCC电压的频率被检测为漂移的情况下，所述孤岛检测器模块21改变逆变器12的操作，从而保证转换器的安全。
在本发明的优选实施方式中，所述孤岛检测模块21对照预定警报阈值FT检查PCC电压实际频率，并如果检测到的频率大于(或小于)所述阈值FT，用信号通知由于孤岛而引起的紧急情况。
在本发明的另一优选实施方式中，所述孤岛检测器模块21对照预定警报阈值FT检查PCC电压频率，并如果检测到的频率对于预定数量的连续测量大于(或小于)所述阈值，则用信号通知由于孤岛而引起的紧急情况。
此外，所述孤岛检测器模块21适合于根据所适用的安全规范用信号通知由于在预定的时间间隔内的孤岛而引起的紧急情况。
根据上面的描述并参考附图4，本发明的抗孤岛模块18执行用于检测在电网连接的发电系统中的孤岛的方法，其中，采用了以下步骤：
a)测量(40)在所述DC/AC转换器和电网之间的公共耦合点处的AC电压的频率；
b)产生(41)用于追踪电网频率的所述装置的参考信号的扰动(Δω0)，以便使所述DC/AC转换器的AC输出电压的频率偏移；
c)给用于追踪电网频率的所述装置提供(42)包括所述扰动(Δω0,Δω0+Δω)的参考信号；
d)测量(43)在公共耦合点处的AC电压的频率中的变化；
e)如果(44)在公共耦合点处的AC电压的频率中的变化小于第一预定阈值，则重复从步骤b)开始的前述步骤；如果(44)在公共耦合点处的AC电压的频率中的变化大于第一预定阈值，则：
f)如果(45)在公共耦合点处的AC电压的频率大于第二预定阈值，则改变(47)所述DC/AC转换器的操作，以便避免孤岛；
g)如果(45)在公共耦合点处的AC电压的频率小于第二预定阈值，则对用于追踪电网频率的所述装置的参考信号计算(46)新的额外项(Δω)并产生包括额外项(Δω)的扰动(Δω0+Δω)，并接着从步骤c)重复。
优选地，通过AC电压零交叉的检测来执行前述步骤a)和d)的对在所述DC/AC转换器和电网之间的公共耦合点处的AC电压的频率的所述测量。
根据本发明的用于检测在电网连接的发电系统中的孤岛的装置和方法相对于现有技术引入几个优点：
从自动同步方面来说，通过AC电压零交叉的检测来测量在所述DC/AC转换器和电网之间的公共耦合点处的AC电压的频率为被提供到安装在同一工厂中的所有转换器的扰动提供自动同步，因为在工厂中的所有逆变器共用同一电网。这样，电网电压的零交叉时间代表根据本发明的装置和方法的固有的同步事件。
从对电网频率变化的抗扰性方面来说，本方法和装置适合于在开始频率漂移并对照包括最大和最小频率阈值的阈值检查PCC频率之后来检测孤岛，从而，如果与施加周期性扰动并接着测量在PCC频率中的变化的其它现有技术方法比较，实现对电网频率变化的较大抗扰性。
从稳定性和功率质量方面来说，本方法和装置适合于向PLL或在转换器的控制模块内的等效设备施加固定扰动，该固定扰动很小，使得功率质量不被危害。固定扰动保持非常小，因为它只用来触发正反馈的频率漂移。而且，本发明在弱公用设施电网被连接的情况下提供安全性和稳定性。事实上，多亏根据本发明的对照起始频率阈值检查PCC频率并检查在同一方向上的频率漂移的连续周期的数量的扰动控制，在转换器的功率输出处的不稳定性将不在转换器中引起不希望有的瞬变现象。
在控制模块14包括μ控制器或DSP的情况下，所述信号注入器模块19、所述频率提取器模块20、所述孤岛检测器模块21和根据本发明的方法可在所述μ控制器或DSP的固件内实现。
Claims (25)
1.一种用于检测包括DC/AC转换器的电网连接的能量转换系统的孤岛状况的方法，所述DC/AC转换器包括用于追踪电网的电网频率的装置，所述方法包括：
a)测量在所述DC/AC转换器和所述电网之间的公共耦合点处的AC电压的频率；
b)产生用于追踪所述电网频率的所述装置的参考信号的扰动，以便使所述DC/AC转换器的AC输出电压的频率偏移，该扰动包括常数项Δω0；
c)给用于追踪所述电网频率的所述装置提供包括扰动的参考信号，该扰动包括所述常数项Δω0或同时包括所述常数项Δω0和额外项Δω；
d)测量在所述公共耦合点处的AC电压的频率的变化；
e)如果在所述公共耦合点处的AC电压的频率的变化小于第一预定阈值，则重复从步骤b)开始的前述步骤；如果在所述公共耦合点处的AC电压的频率的变化大于所述第一预定阈值，则：
f)如果在所述公共耦合点处的AC电压的频率大于第二预定阈值，则改变所述DC/AC转换器的操作，以便避免孤岛；
g)如果在所述公共耦合点处的AC电压的频率小于所述第二预定阈值，则对用于追踪所述电网频率的所述装置的参考信号计算新的额外项Δω并产生同时包括所述常数项Δω0和该新的额外项Δω的扰动，并接着重复从步骤c)开始的前述步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述常数项Δω0交替地被选择为在某个数量n的包括从b)到e)的步骤的子循环期间为正、而在某个数量m的包括从b)到e)的步骤的子循环期间为负，n和m是整数，直到频率漂移在步骤e)被检测到为止，然后所述常数项Δω0的符号保持不变并等于在检测到所述频率漂移时所述常数项Δω0采用的符号。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过对AC电压零交叉的检测来执行前面的步骤a)和d)的测量在所述DC/AC转换器和所述电网之间的所述公共耦合点处的AC电压的频率和频率的变化。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过对AC电压零交叉的检测来执行前面的步骤a)和d)的测量在所述DC/AC转换器和所述电网之间的所述公共耦合点处的AC电压的频率和频率的变化。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤d)测量的在所述公共耦合点处的AC电压的频率的变化被计算为在所述AC电压的频率的实际值和先前的采样值的短移动平均值之间的差异，所述短移动平均值基于所述AC电压的频率的小于10个的一定数量的采样值来计算。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤d)测量的在所述公共耦合点处的AC电压的频率的变化被计算为在所述AC电压的频率的实际值和先前的采样值的短移动平均值之间的差异，所述短移动平均值基于所述AC电压的频率的小于10个的一定数量的采样值来计算。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤d)测量的在所述公共耦合点处的AC电压的频率的变化被计算为在所述AC电压的频率的实际值和先前的采样值的短移动平均值之间的差异，所述短移动平均值基于所述AC电压的频率的小于10个的一定数量的采样值来计算。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤d)测量的在所述公共耦合点处的AC电压的频率的变化被计算为在所述AC电压的频率的实际值和先前的采样值的短移动平均值之间的差异，所述短移动平均值基于所述AC电压的频率的小于10个的一定数量的采样值来计算。
9.如权利要求1到8中的任一项所述的方法，其特征在于，所述额外项Δω是这样的，Δω＝kΔFL，其中：ΔFL＝FN–FAVGL，FN是在时间N采样的频率样本，FAVGL是所述频率样本FN的长移动平均值，所述长移动平均值基于大于50个的一定数量的所述频率样本FN来计算，且k是常数值。
10.如权利要求1到8中的任一项所述的方法，其特征在于，所述额外项Δω是这样的，Δω＝kΔFL，其中：ΔFL＝FN–FAVGL，FN是在时间N采样的频率样本，FAVGL是所述频率样本FN的长移动平均值，所述长移动平均值基于大于50个的一定数量的所述频率样本FN计算，且k是自适应值k＝f(ΔFL)。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，k在包括第一值k1和第二值k2的组中被选择，所述第一值k1被首先采用，所述第二值k2接着被采用且大于所述第一值k1，以便更快地进行对所述孤岛状况的检测。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，k在包括第一值k1和第二值k2的组中被选择，所述第一值k1被首先采用，所述第二值k2接着被采用且大于所述第一值k1，以便更快地进行对所述孤岛状况的检测。
13.一种电网可连接的DC/AC转换器设备，其包括：输入DC/DC转换器(11)、级联DC/AC逆变器(12)和控制模块(14)，所述控制模块(14)包括适合于追踪电网的电网频率的模块和抗孤岛模块(18)，所述抗孤岛模块(18)包括：
用于测量在所述DC/AC转换器和所述电网之间的公共耦合点处的AC电压的频率和频率变化的装置；
用于产生用于追踪所述电网频率的所述模块的参考信号的扰动以便使所述DC/AC转换器的AC输出电压的频率偏移的装置，所述扰动包括常数项Δω0或同时包括所述常数项Δω0和额外可变项Δω；
给用于追踪所述电网频率的所述模块提供包括所述扰动的所述参考信号的装置；
用于当在所述公共耦合点处的AC电压的频率大于预定阈值时改变所述DC/AC转换器的操作以便避免孤岛的装置，其特征在于，所述扰动包括适合于在孤岛的情况下触发所述AC电压的所述频率的漂移的所述常数项Δω0和如果所述AC电压的所述频率的漂移已被触发时的可选的额外可变项Δω。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，用于产生扰动的所述装置适合于产生包括以下常数项Δω0的扰动，该常数项Δω0交替地在某个数量n的AC电压周期期间为正、而在某个数量m的AC电压周期期间为负，n和m是整数，直到频率漂移由用于测量在所述DC/AC转换器和所述电网之间的所述公共耦合点处的AC电压的频率和频率变化的所述装置检测到为止，然后所述常数项Δω0的符号保持不变并等于在检测到所述频率漂移时所述常数项Δω0采用的符号。
15.如权利要求13所述的设备，其特征在于，用于测量在所述DC/AC转换器和所述电网之间的所述公共耦合点处的AC电压的频率和频率变化的所述装置适合于通过对AC电压零交叉的检测来测量所述频率和所述频率变化。
16.如权利要求14所述的设备，其特征在于，用于测量在所述DC/AC转换器和所述电网之间的所述公共耦合点处的AC电压的频率和频率变化的所述装置适合于通过对AC电压零交叉的检测来测量所述频率和所述频率变化。
17.如权利要求13所述的设备，其特征在于，用于测量在所述公共耦合点处的AC电压的频率和频率变化的所述装置适合于将所述频率变化计算为在所述AC电压的频率的实际值和先前的采样值的短移动平均值之间的差异，所述短移动平均值基于所述AC电压的频率的小于10个的一定数量的采样值来计算。
18.如权利要求14所述的设备，其特征在于，用于测量在所述公共耦合点处的AC电压的频率和频率变化的所述装置适合于将所述频率变化计算为在所述AC电压的频率的实际值和先前的采样值的短移动平均值之间的差异，所述短移动平均值基于所述AC电压的频率的小于10个的一定数量的采样值来计算。
19.如权利要求15所述的设备，其特征在于，用于测量在所述公共耦合点处的AC电压的频率和频率变化的所述装置适合于将所述频率变化计算为在所述AC电压的频率的实际值和先前的采样值的短移动平均值之间的差异，所述短移动平均值基于所述AC电压的频率的小于10个的一定数量的采样值来计算。
20.如权利要求16所述的设备，其特征在于，用于测量在所述公共耦合点处的AC电压的频率和频率变化的所述装置适合于将所述频率变化计算为在所述AC电压的频率的实际值和先前的采样值的短移动平均值之间的差异，所述短移动平均值基于所述AC电压的频率的小于10个的一定数量的采样值来计算。
21.如权利要求13到20中的任一项所述的设备，其特征在于，所述额外可变项Δω是这样的，Δω＝kΔFL，其中：ΔFL＝FN–FAVGL，FN是在时间N采样的频率样本，FAVGL是所述频率样本FN的长移动平均值，所述长移动平均值基于大于50个的一定数量的所述频率样本FN来计算，且k是常数值。
22.如权利要求13到20中的任一项所述的设备，其特征在于，所述额外可变项Δω是这样的，Δω＝kΔFL，其中：ΔFL＝FN–FAVGL，FN是在时间N处采样的频率样本，FAVGL是所述频率样本FN的长移动平均值，所述长移动平均值基于大于50个的一定数量的所述频率样本FN来计算，且k是自适应值k＝f(ΔFL)。
23.如权利要求21所述的设备，其特征在于，k在包括第一值k1和第二值k2的组中被选择，所述第一值k1被首先采用，所述第二值k2接着被采用且大于所述第一值k1，以便更快地进行对孤岛状况的检测。
24.如权利要求22所述的设备，其特征在于，k在包括第一值k1和第二值k2的组中被选择，所述第一值k1被首先采用，所述第二值k2接着被采用且大于所述第一值k1，以便更快地进行对孤岛状况的检测。
25.一种适合于产生AC功率并将其输送到AC电网的功率转换和产生系统，包括：
用于产生DC功率的发电单元；以及
根据权利要求13到24中的任一项所述的设备。
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