CN106124890A - 一种光伏并网发电系统的反孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

一种光伏并网发电系统的反孤岛检测方法，属于紧急保护电路领域。该光伏并网发电系统的反孤岛检测方法，既继承了主动频移法的优点，又提高了孤岛检测的速度和注入大电网的电能质量，应用此方法可以有效的检测出微网并入大电网的孤岛现象，而且对于新能源的并网反孤岛能力也有较好的效果，故此项目的研究具有推动微网和新能源并网技术的发展，且能有效提高孤岛的检测能力。

Description

一种光伏并网发电系统的反孤岛检测方法

技术领域

本发明属于紧急保护电路领域，特别涉及一种光伏并网发电系统的反孤岛检测方法。

背景技术

光伏并网系统在保证并网电流质量的同时，还应该确保电网的安全性。电网的安全性包括对人的安全性和对设备的安全性两部分。当电力公司因故障或检修等原因供电系统停止运行，由于光伏并网系统的存在，使电网停电区的部分线路仍然保持带电状态，在小范围内形成自给供电的孤岛。虽然孤岛的产生为部分负载提供电源继续工作，但是在孤岛状态下，电力公司不了解线路上电压和频率的实际情况，可能损坏设备或危及人身安全。为了避免事故发生，提高并网的安全性，需要进行孤岛检测，判断系统是否并网工作。

衡量一个系统反孤岛主要指标是检测时间，在光伏并网系统中孤岛检测时间越短越好，但是也要考虑并网电能质量。我国于2004年3月份，国家科技部能源研究所制定了光伏发电的反孤岛规定，光伏系统除了具有过/欠压、过/欠频被动孤岛保护检测外，还应该具有至少一种主动式孤岛保护检测，并且电网断电后必须在0.5～1秒内将光伏系统与电网脱离。现有的孤岛检测方法可以分为被动检测法、主动检测法和开关状态监测法三大类。其中，被动检测法不会对系统电能质量造成影响，但是当非计划孤岛发生时，若分布式电源(DG)的输出功率和负载消耗的电能相差不大，则公共耦合点(PCC)处电压、频率等在允许变化范围之内，该方法将无法检测孤岛，具有较大检测盲区，通常与主动检测法结合运用。主动检测法通过在逆变型DG的控制信号中引入扰动信号，并监测PCC处电压、频率等电气量的响应，来判断非计划孤岛是否发生，该方法减小了检测盲区，但同时也对电能质量造成了一定影响。另外，当主动检测法应用于多个DG时，若扰动信号产生的系统响应不同步，则会降低方法的有效性。开关状态监测法是通过检测配电网侧断路器的开断状态，并基于通讯技术将此信号发送给DG来判断微电网的运行模式，该方法不存在检测盲区，也不影响电能质量，但是实现较为复杂，经济性差。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种光伏并网发电系统的反孤岛检测方法，其既继承了主动频移法的优点，又提高了孤岛检测的速度和注入大电网的电能质量。

本发明所采用的技术方案是：一种光伏并网发电系统的反孤岛检测方法，一种光伏并网发电系统的反孤岛检测方法，其技术要点是，包括以下步骤：

步骤1：对当前光伏并网发电系统进行被动孤岛检测，若处于孤岛状态，则光伏逆变器 停止工作；若未处于孤岛状态，则获取公共端负载有功功率变化以及电压频率的变化趋势；

步骤2：若公共端负载电压频率变化趋势为增加，则采用有功功率正反馈的形式，加大频率偏移量；若公共端电压频率变化趋势为减小，则采取有功功率负反馈的形式，加大频率偏移量，在检测到的公共端电压频率的基础上添加偏移量作为光伏逆变器输出电流的给定频率；

步骤3：重复上述步骤1～步骤2。

步骤1所述的对当前光伏并网发电系统进行被动孤岛检测的步骤如下：

获取交流侧的电压、电流；

获取到当前光伏注入电网公共端处负载的有功功率值；

通过过零点检测计算出公共端负载的频率；

由所获得的公共端处负载频率和电压值判断是否超出设定的被动反孤岛检测的频率和电压阈值，若超出门槛值，则判定为孤岛状态。

若公共端负载电压频率变化趋势为增加，则采用有功功率正反馈的形式，加大频移步伐，具体为：

若f₀-f_k-1≥0，说明公共端负载频率下降，则采取有功功率正反馈的形式(注：有功功率正偏移)，加大频移的步伐，移频后的光伏逆变器输出的参考电流频率公式为：

$f_k=f_{k-1}+\frac{k_p\left|{\mathrm{\ΔP}}_{k-1}\right|}{P}{\mathrm{\Δf}}_C+k_f(f_0-f_{k-1})$

式中，f_k为移频后的光伏逆变器输出的参考电流频率；f_k-1为上一周期电网电压频率；k_p为功率增量反馈系数；k表示检测次数，ΔP_k-1为两个周期输出功率差；P为公共端负载的有功功率；Δf_C为两个周期的频率偏移量；k_f为频率增量正反馈系数；f₀为正常光伏并网时公共端负载频率(即：大电网的频率)；

参考电流公式为：i_ac(t)＝I_refsin2πf_kt

式中，i_ac(t)为参考电流，t为时间，

所述的公共端电压频率变化趋势为减小，采取有功功率负反馈的形式，加大频移的步伐，具体为：

若f₀-f_k-1＜0，说明公共点频率上升，则有功功率负偏移，依然以有功功率正反馈的形式，加大频移的步伐，移频后的参考电流频率公式为：

$f_k=f_{k-1}-\frac{k_p\left|{\mathrm{\ΔP}}_{k-1}\right|}{P}{\mathrm{\Δf}}_C+k_f(f_0-f_{k-1})$

式中，f_k为本周期参考电流频率；f_k-1为上一周期输出的电流频率；k_p为功率增量反馈系数；k表示检测次数，ΔP_k-1为两个周期输出功率差；P为公共端负载的有功功率；Δf_C为前后两个周期公共端负载频率偏移量；k_f为频率增量正反馈系数；f₀为正常光伏并网时公共端负载频率(即：大电网的频率)；

参考电流公式为：

i_ac(t)＝I_refsin2πf_kt

式中，i_ac(t)为参考电流，t为时间。

本发明的优点及有益效果是：该光伏并网发电系统的反孤岛检测方法，既继承了主动频移法的优点，又提高了孤岛检测的速度和注入大电网的电能质量，应用此方法可以有效的检测出微网并入大电网的孤岛现象，而且对于新能源的并网反孤岛能力也有较好的效果，故此项目的研究具有推动微网和新能源并网技术的发展，且能有效提高孤岛的检测能力。

附图说明

下面结合图1对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例中光伏并网发电系统的反孤岛检测方法的流程图；

图2为本发明实施例中光伏并网发电系统的被动孤岛检测的流程图；

图3为本发明现有技术的主动频移法原理图；

图4为本发明实施例中光伏并网发电系统的被动孤岛检测的流程图。

具体实施方式

使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1～图4和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例中采用的光伏并网发电系统的反孤岛检测方法其流程如图1所示。包括以下步骤：

步骤101，初始化变量，用以设定参考电流、公共端频率和有功功率等参考值。

步骤102，被动孤岛检测。

如图2所示，首先检测电网电压是否过零，若电网电压过零，则计算上一工频周期频率f_k-1，计算上一工频周期功率P_k-1，计算ΔP_k-1，计算f₀-f_k-1，进行被动孤岛检测，具体为：首先根据采样得到的交流电压和计算得到的系统频率判断是否超出设定的被动反孤岛检测的 频率和电压阈值，如果超出范围之外，直接判定为孤岛状态，结束本轮的孤岛检测。若未处于孤岛状态，则执行步骤103，否则，逆变器停止工作并与电网断开。

步骤103，采用反孤岛检测的方法对光伏并网发电系统进行检测。

传统的主动频移孤岛检测方法为主动式孤岛检测方法。如图3所示，通过每周期在光伏系统并网电流参考值加入一个死区时间，使并网电流与电网电压之间形成相位差t_z。在电网正常时，受到交流侧大电网钳制作用公共端处负载电压频率依然保持不变；当脱离电网形成孤岛时，公共端处负载电压频率会随着光伏系统并网参考电流频率的变化而变化，根据规定，当公共端处负载电压频率偏移达到某一阈值便可认为有孤岛发生。

根据图3得出公共端电压和基波电流的相角差Δφ(即：移频角)：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}=\frac{{\mathrm{wt}}_z}{2}=\frac{2{\mathrm{\πt}}_z}{2*T_{grid}}=\frac{\mathrm{\π}cf}{2}---\left(1\right)$

式中，w为角频率；cf为频移截断系数，cf＝2t_z/T_grid，其中，t_Z为电流截断时间；T_gird为公共端电压的周期。

由式(1)可知，如果cf取值过小，移频角Δφ较小，则达到预先设定的国标要求的过/欠频频率保护阈值的时间延长，不能实现检测方法的快速性；如果cf取值过大，移频角Δφ较大，则光伏注入大电网中的电流畸变变大，且谐波含量会增大，严重影响系统输出的电能质量。因此如何选取cf值是主动频移法的重要问题。为了减小主动频移孤岛检测盲区和加快响应时间，使用正反馈的偏移量，可以加速cf的偏移，缩短达到过/欠频频率保护阈值的时间，公式如下：

cf_k＝cf_k-1+k_fF(Δf) (2)

式中，cf_k为本周期的截断系数，cf_k-1为前一周期的截断系数；k_f为频率增量正反馈系数；F(Δf)为频率增量正反馈函数；Δf为频率差。

加入正反馈偏移量的主动频移方法加快了频率偏移速度，而且在频率增量正反馈函数为负值时，cf值减小，相应的检测盲区减小。目前常用的频率增量正反馈函数选择如下：

F(Δf)＝f₀-f_k-1 (3)

式中，f₀为正常光伏并网时公共端负载频率(即：大电网的频率)；f_k-1为上一周期公共端负载频率。

将式(3)代入式(2)可知，cf值与上一周期公共端负载频率和频率增量正反馈系数k_f有关。如果k_f取值较大，在断网时，cf值变化比较大，光伏注入大电网中的电流对大电网的输出波形 质量有很大影响，而且大电网中电流的谐波含量增大；如果k_f取值较小，在断网时，cf值变化比较小，孤岛检测的响应时间延长，可能会不能满足光伏并网技术的要求。通过实际观测，孤岛现象发生时不仅仅频率发生变化而且往往伴随着有功功率的变化。因此，为了缩短孤岛的检测时间，本实施例中的反孤岛检测的方法将有功功率的变化情况引入到偏移量中，输出电流频率的表达式为：

$f_k=f_{k-1}+sign(f_0-f_{k-1})\frac{k_p\left|{\mathrm{\ΔP}}_{k-1}\right|}{p}{\mathrm{\Δf}}_C+k_f(f_0-f_{k-1})---\left(4\right)$

式中，f_k为本周期参考电流频率；k_p为功率增量反馈系数，k_p＜1；ΔP_k-1为前后两个周期公共端负载有功功率差；P为光伏注入电网的有功功率；Δf_C为前后两个周期公共端负载频率偏移量。

从式(4)可知，f_k值不仅与前一次公共端处负载电压频率和系数k_f有关，而且还和输出有功功率相关。如果输出有功功率变化大，即△P_k-1差值较大，由于值较大，作用进一步加大了移频步长，故f_k值达到过/欠频频率保护阈值的时间缩短。如果△P_k-1差值较小，由于值较小，则参考电流频率以f_k＝f_k-1+k_f(f₀-f_k-1)形式偏移，本周期检测到的频率与上一周期所测频率基本保持不变。这避免非阻性负载时偏移量与负载相位一致，造成检测失败。基于有功功率变化的主动频移检测法不仅包含了有功功率的信息，而且还包含并网参考电流I_ref的变化，因此频率偏移量能更好的反映整个系统的变化情况。

本实施例利用公共端交流电压和电流的采样值计算光伏注入电网时公共端负载的电压频率以及有功功率值，通过至少两个周期后后计算出功率的差值ΔP_k-1和频率f_k的变化情况，将有功功率的变换情况代入若没有发生孤岛情况，一方面由于ΔP_k-1较小，则几乎为零；另一方面，受到交流侧大电网频率的钳位作用，公共端处负载的电压频率也不变，因此k_f(f₀-f_k-1)几乎不变，即f_k不变；如果发生孤岛情况，公共端负载的有功功率变化较大，则和k_f(f₀-f_k-1)都发生变化，此时光伏并网逆变器输出的参考电流的频率f_k也变化较大，这使得公共点电压和参考电流之间的频移角很快 超出过/欠频检测频率设定的阈值，从而检测出孤岛现象的发生。此种检测方法的优点在于未发生孤岛现象时候注入电网的电能质量较好，没有大的畸变出现，同时在出现孤岛现象时候会快速超出设定的阈值，达到检测孤岛的能力。

如图4所示，首先获取前后两个周期公共端负载电压频率变化趋势，若频率变化趋势为增加，即f₀-f_k-1≥0，则说明公共端负载电压频率下降，采取有功功率正反馈的形式，计算移频后光伏逆变器输出的参考电流频率，公式如下：

$f_k=f_{k-1}+\frac{k_p\left|{\mathrm{\ΔP}}_{k-1}\right|}{P}{\mathrm{\Δf}}_C+k_f(f_0-f_{k-1})$

如频率变化趋势为降低，则公共端负载电压频率上升，判断f₀-f_k-1≤0，如果小于则采取有功功率负反馈的形式，公式如下：

$f_k=f_{k-1}-\frac{k_p\left|{\mathrm{\ΔP}}_{k-1}\right|}{P}{\mathrm{\Δf}}_C+k_f(f_0-f_{k-1})$

此时光伏逆变器输出的参考电流，公式如下：

i_ac(t)＝I_refsin2πf_kt

重复执行步骤102～103。

上述孤岛检测方法检测速度快，检测时间短，能有效避免系统重合闸失败对光伏并网发电系统造成的危害，并且较大程度的提高了并入电网电流的电能质量。

Claims (4)

1.一种光伏并网发电系统的反孤岛检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对当前光伏并网发电系统进行被动孤岛检测，若处于孤岛状态，则光伏逆变器停止工作；若未处于孤岛状态，则获取公共端负载有功功率变化以及电压频率的变化趋势；

步骤2：若公共端负载电压频率变化趋势为增加，则采用有功功率正反馈的形式，加大频率偏移量；若公共端电压频率变化趋势为减小，则采取有功功率负反馈的形式，加大频率偏移量，在检测到的公共端电压频率的基础上添加偏移量作为光伏逆变器输出电流的给定频率；

步骤3：重复上述步骤1～步骤2。

2.如权利要求1所述的光伏并网发电系统的反孤岛检测方法，其特征在于，步骤1所述的对当前光伏并网发电系统进行被动孤岛检测的步骤如下：

获取交流侧的电压、电流；

获取到当前光伏注入电网公共端处负载的有功功率值；

通过过零点检测计算出公共端负载的频率；

由所获得的公共端处负载频率和电压值判断是否超出设定的被动反孤岛检测的频率和电压阈值，若超出门槛值，则判定为孤岛状态。

3.如权利要求1所述的光伏并网发电系统的反孤岛检测方法，其特征在于，步骤2所述的若公共端负载电压频率变化趋势为增加，则采用有功功率正反馈的形式，加大频移步伐，具体为：

若f₀-f_k-1≥0，说明公共端负载频率下降，则采取有功功率正反馈的形式，加大频移的步伐，移频后的光伏逆变器输出的参考电流频率公式为：

$f_k=f_{k-1}+\frac{k_p\left|{\mathrm{\ΔP}}_{k-1}\right|}{P}{\mathrm{\Δf}}_C+k_f(f_0-f_{k-1})$

式中，f_k为移频后的光伏逆变器输出的参考电流频率；f_k-1为上一周期电网电压频率；k表示检测次数，k_p为功率增量反馈系数；ΔP_k-1为两个周期输出功率差；P为公共端负载的有功功率；Δf_C为两个周期的频率偏移量；k_f为频率增量正反馈系数；f₀为正常光伏并网时公共端负载频率。

4.如权利要求1所述的光伏并网发电系统的反孤岛检测方法，其特征在于，步骤2所述的若公共端电压频率变化趋势为减小，则采取有功功率负反馈的形式，加大频移的步伐，具体为：

若f₀-f_k-1＜0，说明公共点频率上升，则采取有功功率负反馈的形式，加大频移的步伐，移频后光伏逆变器输出的参考电流频率公式为：

$f_k=f_{k-1}-\frac{k_p\left|M_{k-1}\right|}{P}{\mathrm{\Δf}}_C+k_f(f_0-f_{k-1})$

式中，f_k为移频后的光伏逆变器输出的参考电流频率；f_k-1为上一周期电网电压频率；k表示检测次数，k_p为功率增量反馈系数；ΔP_k-1为两个周期输出功率差；P为公共端负载的有功功率；Δf_C为两个周期的频率偏移量；k_f为频率增量正反馈系数；f₀为正常光伏并网时公共端负载频率。