CN106199235A - 一种基于基频与开关频率次阻抗的孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于基频与开关频率次阻抗的孤岛检测方法，属于并网逆变器在电力系统应用中的保护与控制领域。本发明针对光伏并网逆变器，提出利用并网逆变器输出电流中的基波以及开关频率次谐波成分，通过傅里叶级数中三角函数的关系取代傅里叶变换，只需在时域内将采样得到的公共连接点PCC处的电压与并网电流信号送至DSP处理芯片进行软件运算，即可由阻抗的变化快速有效的判断孤岛发生。本发明有益之处在于，突破传统被动孤岛检测法弊端，且不需外加扰动信号，从而避免主动孤岛检测法中的扰动影响，无需在频域内计算阻抗，快速的运算及动作保证了系统运行的稳定性及可靠性，具有良好的工程借鉴价值。

Description

一种基于基频与开关频率次阻抗的孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及一种光伏并网逆变器的孤岛检测方法，属于并网逆变器在电力系统应用中的保护与控制领域。

背景技术

分布式发电并网系统因其设计灵活、电能利用形式来源多样而受到人们越来越多的关注，但也由此带来了孤岛的问题。目前，孤岛检测主要有基于本地电气量特征(包括频率、电压、谐波、阻抗等)的本地检测方法和基于通信技术的远程检测两种方法，基于通信技术的远程检测多用于电力公司对分布式发电系统及配电网电能传输运行的监测与维护，也称电网端检测法。现如今，国内外各类并网标准亦对各独立的并网逆变器提出了诸多并网要求与指标。

并网逆变器多采用本地检测方法，包括了被动式孤岛检测与主动式孤岛检测。被动式孤岛检测法通过检测并网系统中与电网接口处的电压幅值、频率、相位等异常来检测孤岛效应，此类方法简单，无需添加外部硬件，但检测实时性差，存在十分明显的检测盲区；而主动式检测法利用主动式的频率偏移、功率扰动等方法改进了被动式检测法，盲区有效减小，精确度得到提高，但主动检测法引入了外部的扰动量，增加了检测复杂性的同时带来了并网质量的下降。

目前较新的LCL型滤波结构并网逆变器相对传统L型以及LC型滤波结构并网逆变器来说，其谐波抑制效果有了明显的改善，对于LCL型三阶滤波结构的谐振尖峰问题也有了较好的解决，其开关频率次的谐波能够符合相关入网规范要求，但仍然无法完全消除，无论L型、LC型、LCL型，其开关频率次谐波特征都可作为LCL型逆变器具有的特征存在，同时，并网电流中以基波为主，采用基波电流来检测基频阻抗是一种较好的方法，不需要外加谐波，但单一的基频阻抗检测存在盲区，需与其他检测配合使用。

本发明基于以上分析，结合现今研究，为了改善现有孤岛检测方法的不足，在控制系统中加入针对基波与开关频率特征的阻抗检测算法，突破了被动孤岛检测法的弊端，同时不需外加扰动信号，避免主动检测法中的扰动影响。快速的运算及动作保证了系统运行的 稳定性及可靠性，具有良好的工程借鉴价值。

发明内容

针对现有的并网逆变器孤岛检测方法，被动式孤岛检测方法检测实时性差，存在十分明显的检测盲区；主动式孤岛检测方法引入了外部的扰动量，增加了检测复杂性的同时带来了并网质量的下降等问题，结合LCL型并网逆变器的特点，本发明提出一种基频与开关频率次阻抗的孤岛检测方法。

为实现上述目的，本发明具体技术方案如下：

本发明提供的一种基于基频与开关频率次阻抗的孤岛检测方法，包括如下步骤：

步骤一：建立基于基频与开关频率次阻抗的孤岛检测装置，包括并网逆变器，并网逆变器、低压电网、本地负载的公共连接点PCC，低压电网与公共连接点PCC的接触开关，电网端等效阻抗Z_grid，负载端等效阻抗Z_load，低压电网，DSP TMS320F2808核心控制芯片；

步骤二：设备开机自检，检查外部的并网环境及直流侧电压是否都一切正常，若并网条件不正常，则系统进入循环等待；若并网条件正常，则系统进行正常的并网工作；

步骤三：采样公共连接点PCC处电压V_PCC与电流I_inv信号，若此时已发现PCC处电压与电流信号超出限值，则由被动孤岛检测法，判定出电网故障，直接由DSP TMS320F2808核心控制芯片发出切除设备指令，系统无需再进行孤岛计算；

步骤四：若公共连接点PCC处电压V_PCC与电流I_inv数据并未超出限值，显示在正常范围，此时被动孤岛检测法失效，系统将进一步利用傅里叶级数的三角函数关系，由以上两个采样参数V_PCC和I_inv进行快速孤岛计算，获得基波频率和开关频率下的阻抗值；

步骤五：判断基波频率处阻抗变化率、开关频率次阻抗变化率是否超出限值，只要基波频率处阻抗变化率或开关频率次阻抗变化率中有一个超出限值，则判定孤岛发生，DSPTMS320F2808核心控制芯片立刻输出并网逆变器继电器跳变动作信号S_relay给并网逆变器(1)，关断其内部的继电器，从公共连接点PCC处切除设备；若快速阻抗计算数据显示正常，则电网没有发生故障，并网逆变器继续正常工作。

进一步，步骤一中，所述的并网逆变器与低压电网并联，同时两者中间并接负载端等效阻抗Z_load，所述并网逆变器、低压电网、本地负载的公共连接点为PCC，在PCC和低压电网之间设置接触开关，用以切换并网模式与孤岛模式；DSP TMS320F2808核心控制芯片采样所述公共连接点PCC处的电压V_PCC与逆变器输出电流I_inv并进行相关运算，输出SPWM信号驱动各桥臂开关管导通与关断。

进一步，步骤四中，获得阻抗值的具体步骤为：记Sinωf1t与Cosωf1t为根据系统基波频率由内部给定的正余弦数据点，Sinωswt与Cosωswt为根据系统开关频率由内部给定的正余弦数据点，将采样获得的公共连接点PCC处的电压值V_PCC以及并网逆变器的输出电流I_inv分别与Sinωf1t、Cosωf1t、Sinωswt和Cosωswt相乘，并在单位周期内求积分，利用傅里叶级数中三角函数的正交特性，通过对基波频率次电压电流值正余弦数据求平方和，对开关频率次的电压电流值正余弦数据求平方和，求出单位周期有效值并相除，最终得到基波频率和开关频率下的阻抗值。

进一步，本发明所述孤岛检测方法可以分别检测单机与多机工作模式下并网逆变器工作状态，其中单机工作模式包括单机带阻性负载、单机带阻感性负载和单机带阻容性负载情况；多机工作模式包括多台并网逆变器工作在相同开关频率状态、多台并网逆变器工作在不同开关频率状态，以及多台逆变器或者负载的切入与切出状态。

本发明的有益效果是：在控制系统中加入针对基波与开关频率特征的阻抗检测算法，突破了传统孤岛检测法的弊端，直接利用并网逆变器输出电流中的基波以及开关频率次谐波成分，完全不需外部注入扰动，有效提高电能质量；避免了在频域内计算阻抗，简化了运算过程，保护动作快，快速的运算及动作保证了系统运行的稳定性及可靠性；同时可以分别检测单级与多机模式下的并网逆变器工作状态，具有良好的工程借鉴价值。

附图说明

图1为本发明的并网逆变器工作与测试结构框图；

图2为本发明的并网逆变器并网电流的FFT分析例图；

图3为本发明的并网逆变器新型阻抗检测算法实现图；

图4为本发明的并网逆变器工作及孤岛检测流程图。

图中：1-以LCL型滤波结构为例的并网逆变器；2-并网逆变器、电网、本地负载的公共连接点(PCC)；3-电网与公共连接点(PCC)的接触开关；4-电网端等效阻抗；5-负载端等效阻抗；6-低压电网；7-DSP TMS320F2808核心控制芯片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的系统实验平台进行进一步描述。

图1所示为本发明的并网逆变器工作与测试结构框图，包括并网逆变器1，并网逆变器、低压电网、本地负载的公共连接点PCC2，低压电网与公共连接点PCC的接触开关3，电网端等效阻抗4，负载端等效阻抗5，低压电网6，DSP TMS320F2808核心控制芯片7。

将电网端等效阻抗4等效为Z_grid，负载端等效阻抗5等效为Z_load，系统采样所述公共连接点PCC 2处的电压V_PCC与逆变器输出电流I_inv，将信号送至DSP TMS320F2808核心控制芯片7进行并网控制的相关运算，输出SPWM驱动信号驱动各桥臂开关管导通与关断，同时由以上两个参数进行快速孤岛计算，判断基波频率处阻抗变化率以及开关频率次阻抗变化率是否超出阈值，若二者有一个变化超出阈值，则判定孤岛发生，立刻输出S_relay信号给并网逆变器1，关断其内部的继电器，从共连接点PCC 2处切除设备。

通常情况下的分布式并网系统中，电网(主网)系统的容量非常大，内部等效阻抗非常小，可视为一个很大的电压源，而分布式并网系统容量有限，且网络等值阻抗较大；

当正常工作时，系统处于并网运行状态，公共连接点PCC2处阻抗Z_PCC相当于分布式并网系统与主网系统并联，阻抗值低，此时的公共连接点处阻抗表达式为：

$Z_{PCC|Connecting}=\frac{Z_{load}{Z}_{grid}}{Z_{load}+Z_{grid}}---\left(1\right)$

其中，Z_{PCC|Connecting}为系统并网时公共连接点PCC 2处等效阻抗，Z_load为本地负载处阻抗，Z_grid为电网阻抗；

在当孤岛发生后，主网脱离分布式发电系统，测得的Z_PCC即为负载阻抗值，此时孤岛下的阻抗表达式为：

Z_{PCC|Islanding}＝Z_load (2)

其中，Z_{PCC|Islanding}为孤岛时公共连接点PCC处等效阻抗，Z_load为负载处阻抗。

通常情况下负载阻抗值远大于断网前阻抗，但不论哪种频率下的阻抗检测都存在一定孤岛盲区，导致检测失效。传统的阻抗检测法需要外部注入特征次的谐波，来引起公共点电压的变化，若所选频率过低，则稍加扰动即会对电能质量产生明显干扰；若选取频率过高，则很可能无法保证规范要求。

附图2为本发明的并网逆变器并网电流的FFT分析例图，由图2分析可知，不论L型、LC型、LCL型并网逆变器的输出电流，都会在开关频率处存在一定量的谐波，这类谐波量符合并网规范要求，但相比除基波以外的其他频率仍然比例较高，如图2即为一种开关频率为20KHz(400次基波频率)的并网逆变器输出逆变电流波形，因而不需要额外向系统注入特征频率的扰动，就可以利用这种具有突出区别的特征来用于孤岛效应的检测。

本发明直接利用并网逆变器输出电流中的基波以及开关频率次谐波成分，就可以完全不需外部注入扰动，阻抗检测法可以简化很多。

定义h次谐波下公共连接点处阻抗为：

Z_{PCC(h)|Islanding}＝Z_load(h) (3)

利用基波信号检测基波频率下阻抗值，即令h＝f1，则基波频率阻抗可表示为Z_PCC(f1)；利用开关频率检测h次频率下公共连接点处阻抗，即令h＝sw，则开关频率处阻抗即为Z_PCC(sw)。

同时，传统的阻抗测量法为了获取所需的阻抗值，需要进行快速傅里叶变换(FFT)。

$Z\left(f\right)=\frac{F\left(U\right(t\left)\right)}{F\left(I\right(t\left)\right)}---\left(4\right)$

虽然这种方法可以将各次频率阻抗全部计算出来，但需要大量的采样时间变换到频域内进行计算，运算过程复杂，造成保护动作时间迟缓，影响保护效果。

本发明的新方法是利用傅里叶级数中三角函数之间的关系，结合开关频率处谐波含量，快速有效实现阻抗计算。

如图3所示为本发明的并网逆变器新型阻抗检测算法实现图，Sinωf1t与Cosωf1t为根据系统基波频率由内部给定的正余弦数据点，Sinωswt与Cosωswt为根据系统开关频率由内部给定的正余弦数据点，将采样获得的PCC处电压值VPCC以及逆变器输出电流Iinv分别与Sinωf1t、Cosωf1t、Sinωswt、Cosωswt相乘，并在单位周期内求积分，利用傅里叶级数中三角函数的正交特性，通过对基波频率次电压电流值正余弦数据求平方和，对开关频率次的电压电流值正余弦数据求平方和，求出单位周期有效值并相除，最终得到两种频率下的阻抗值。

由三角函数在任意单周期内的特性：

${\∫}_t^{t+T}\sin kx\cos nxdx=0,(k,n=1,2,3...)$

${\∫}_t^{t+T}\cos kx\cos nxdx=0,(k,n=1,2,3...,k\≠n)---\left(5\right)$

${\∫}_t^{t+T}\sin kx\sin nxdx=0,(k,n=1,2,3...,k\≠n)$

式中，t为任意时刻点，T为基波频率下周期值，k，n为任意次谐波次数。

因此，可以进一步写出开关频率处阻抗表达式：

$\begin{array}{c}{Z}_{PCC\left(fl\right)}\left(t\right)=\frac{V_{fl}\left(t\right)}{I_{fl}\left(t\right)}=\\ \frac{\sqrt{{\left(\underset{t_0}{\overset{t_0+T}{\∫}}v\right({\mathrm{\ω}}_h\mathrm{\τ})\·\sin ({\mathrm{\ω}}_1\mathrm{\τ}\left)d\mathrm{\τ}\right)}^2+{\left(\underset{t_0}{\overset{t_0+T}{\∫}}v\right({\mathrm{\ω}}_h\mathrm{\τ})\·\cos ({\mathrm{\ω}}_1\mathrm{\τ}\left)d\mathrm{\τ}\right)}^2}}{\sqrt{{\left(\underset{t_0}{\overset{t_0+T}{\∫}}i\right({\mathrm{\ω}}_h\mathrm{\τ})\·\sin ({\mathrm{\ω}}_1\mathrm{\τ}\left)d\mathrm{\τ}\right)}^2+{\left(\underset{t_0}{\overset{t_0+T}{\∫}}i\right({\mathrm{\ω}}_h\mathrm{\τ})\·\cos ({\mathrm{\ω}}_1\mathrm{\τ}\left)d\mathrm{\τ}\right)}^2}}\\ Z_{PCC\left(sw\right)}\left(t\right)=\frac{V_{sw}\left(t\right)}{I_{sw}\left(t\right)}=\\ \frac{\sqrt{{\left(\underset{t_0}{\overset{t_0+T}{\∫}}v\right({\mathrm{\ω}}_h\mathrm{\τ})\·\sin ({\mathrm{\ω}}_{sw}\mathrm{\τ}\left)d\mathrm{\τ}\right)}^2+{\left(\underset{t_0}{\overset{t_0+T}{\∫}}v\right({\mathrm{\ω}}_h\mathrm{\τ})\·\cos ({\mathrm{\ω}}_{sw}\mathrm{\τ}\left)d\mathrm{\τ}\right)}^2}}{\sqrt{{\left(\underset{t_0}{\overset{t_0+T}{\∫}}i\right({\mathrm{\ω}}_h\mathrm{\τ})\·\sin ({\mathrm{\ω}}_{sw}\mathrm{\τ}\left)d\mathrm{\τ}\right)}^2+{\left(\underset{t_0}{\overset{t_0+T}{\∫}}i\right({\mathrm{\ω}}_h\mathrm{\τ})\·\cos ({\mathrm{\ω}}_{sw}\mathrm{\τ}\left)d\mathrm{\τ}\right)}^2}}\end{array}---\left(6\right)$

式中，Z_PCC(f1)(t)为时域内公共连接点基波频率处阻抗的计算值，Z_PCC(sw)(t)为时域内公共连接点开关频率处阻抗的计算值，V_f1(t)为基波频率处电压的有效值，I_f1(t)为基波频率处电流的有效值，V_sw(t)为开关频率处电压的有效值，I_sw(t)为开关频率处电流的有效值。

只要通过时域内，将采样获得的电压电流信号与根据实际并网逆变器基波及开关频率所生成的正余弦参考值进行计算，即可直接获得基波与开关频率处的阻抗值，并求出新的周期下阻抗变化率。根据并网逆变器实际参数设置合适的动作限值，当所计算得出的阻抗变化率超出安全范围后，控制系统输出动作信号，控制继电器动作，切除并网设备，保护相关用电设备及人员安全。

如图4所示，为本发明并网逆变器工作及孤岛检测流程图，首先系统待机自检测，检查外部的并网环境及直流侧电压是否都一切正常，待检测完毕后系统先进行正常的并网工作，此时采样PCC处电压与电流数据，若此时已发现其电压、电流信号已超出正常参数范围，则由被动孤岛检测法，判定出电网故障，直接由DSP发出切除设备指令，系统无需再进行孤岛计算；若PCC处电压与电流数据并未超出阈值，显示在正常范围，此时被动孤岛检测法失效，系统进一步将检测到的数据送至DSP进行快速阻抗计算，判定其两种特征阻抗及变化率是否超出阈值，若其中有任意一个超出阈值，则可判定电网故障，DSP发出指令，让继电器动作切除设备，若快速阻抗计算数据显示正常，则可知电网没有发生故障，并网设备继续正常工作。

为了验证所述方法的理论正确性与各种情况下的检测效果，分别测试单机与多机工作模式下并网逆变器工作状态，其中单机工作包括单机带阻性负载、单机带阻感性负载、单 机带阻容性负载等情况；多机工作包括多台并网逆变器工作在相同开关频率状态、多台并网逆变器工作在不同开关频率状态，以及多台逆变器或者负载的切入与切出状态。

Claims (4)

1.一种基于基频与开关频率次阻抗的孤岛检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立基于基频与开关频率次阻抗的孤岛检测装置，包括并网逆变器(1)，并网逆变器、低压电网、本地负载的公共连接点PCC(2)，低压电网与公共连接点PCC的接触开关(3)，电网端等效阻抗Z_grid(4)，负载端等效阻抗Z_load(5)，低压电网(6)，DSP TMS320F2808核心控制芯片(7)；

步骤二：设备开机自检，检查外部的并网环境及直流侧电压是否都一切正常，若并网条件不正常，则系统进入循环等待；若并网条件正常，则系统进行正常的并网工作；

步骤三：采样公共连接点PCC(2)处电压V_PCC与电流I_inv信号，若此时已发现PCC(2)处电压与电流信号超出限值，则由被动孤岛检测法，判定出电网故障，直接由DSP TMS320F2808核心控制芯片(7)发出切除设备指令，系统无需再进行孤岛计算；

步骤四：若公共连接点PCC(2)处电压V_PCC与电流I_inv数据并未超出限值，显示在正常范围，此时被动孤岛检测法失效，系统将进一步利用傅里叶级数的三角函数关系，由以上两个采样参数V_PCC和I_inv进行快速孤岛计算，获得基波频率和开关频率下的阻抗值；

步骤五：判断基波频率处阻抗变化率、开关频率次阻抗变化率是否超出限值，只要基波频率处阻抗变化率或开关频率次阻抗变化率中有一个超出限值，则判定孤岛发生，DSPTMS320F2808核心控制芯片(7)立刻输出并网逆变器继电器跳变动作信号S_relay给并网逆变器(1)，关断其内部的继电器，从公共连接点PCC(2)处切除设备；若快速阻抗计算数据显示正常，则电网没有发生故障，并网逆变器(1)继续正常工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于基频与开关频率次阻抗的孤岛检测方法，其特征在于，步骤一中，所述的并网逆变器(1)与低压电网(6)并联，同时两者中间并接负载端等效阻抗Z_load(5)，所述并网逆变器、低压电网、本地负载的公共连接点为PCC(2)，在PCC和低压电网之间设置接触开关(3)，用以切换并网模式与孤岛模式；DSP TMS320F2808核心控制芯片(7)采样所述公共连接点PCC(2)处的电压V_PCC与逆变器输出电流I_inv并进行相关运算，输出SPWM信号驱动各桥臂开关管导通与关断。

3.根据权利要求1所述的一种基于基频与开关频率次阻抗的孤岛检测方法，其特征在于，步骤四中，获得阻抗值的具体步骤为：记Sinωf1t与Cosωf1t为根据系统基波频率由内部给定的正余弦数据点，Sinωswt与Cosωswt为根据系统开关频率由内部给定的正余弦数据点，将采样获得的公共连接点PCC(2)处的电压值V_PCC以及并网逆变器(1)的输出电流I_inv分别与Sinωf1t、Cosωf1t、Sinωswt和Cosωswt相乘，并在单位周期内求积分，利用傅里叶级数中三角函数的正交特性，通过对基波频率次电压电流值正余弦数据求平方和，对开关频率次的电压电流值正余弦数据求平方和，求出单位周期有效值并相除，最终得到基波频率和开关频率下的阻抗值。

4.根据权利要求1所述的一种基于基频与开关频率次阻抗的孤岛检测方法，其特征在于：所述方法可以分别检测单机与多机工作模式下并网逆变器工作状态，其中单机工作模式包括单机带阻性负载、单机带阻感性负载和单机带阻容性负载情况；多机工作模式包括多台并网逆变器工作在相同开关频率状态、多台并网逆变器工作在不同开关频率状态，以及多台逆变器或者负载的切入与切出状态。