CN106877395A - 一种综合频率和相位信息的光伏并网逆变器孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综合频率和相位信息的光伏并网逆变器孤岛检测方法，能够同时利用上一周期的频率及相位信息以实现主动频移检测；其主要原理为：在端电压的第k个过零点，首先测量上一个周期的电网电压频率，然后根据该频率给一个主动频率扰动f[k]＝f[k‑1]±Δf，同时相位角也根据逆变器上一个周期的频率f[k‑1]而改变；孤岛检测硬件将电网电压的频率和相位，经上述主动偏移后作为并网逆变器的给定频率，且在电压过零时使并网电流复位，则当并网时，孤岛检测硬件每次检测到的系统频率不变；脱网时，每次检测到的系统频率会很快达到保护的上、下限使保护动作，从而实现反孤岛功能；本发明的方法能够显著减小负荷与光伏发电功率接近及负荷小于光伏发电情况下的非检测区域。

Description

一种综合频率和相位信息的光伏并网逆变器孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及电力系统故障检测技术领域，具体涉及一种综合频率和相位信息的光伏并网逆变器孤岛检测方法。

背景技术

光伏并网发电系统的孤岛效应是指与光伏发电系统连接的电网线路因故障、事故或停电检修与其跳脱时，光伏并网发电系统继续向所带负载供电，从而形成了一个供电公司无法掌握的自给供电孤岛，孤岛效应会对配电网系统和用户造成严重的危害。因此，研究孤岛效应的检测方法和保护措施，将孤岛效应的危害降至最低，具有很重要的意义。

孤岛现象的检测方法根据技术特点，可以分为三大类：被动检测方法、主动检测方法和基于开关状态监测的方法(包括电力公司层面的检测方法、和基于通讯的检测方法)。

被动式检测方法是指通过检测并网逆变器输出是否偏离并网标准规定的范围(如频率、电压或相位)，判断孤岛效应是否发生。

主动检测法主要有有源频率偏移AFD(Active Frequency Drift)法、带正反馈的有源频率偏移AFDPF(Active Frequency Drift with Positive Feedback)、滑模频率偏移SMS(Slip Mode Frequency Shift)输出功率扰动检测等。

主动检测法的原理是引入一些功率扰动量，而这些扰动量会使系统输出电能质量下降。被动检测法主要有过/欠电压、高/低频检测、相位突变检测、电压谐波检测等。被动式检测方法具有原理简单、容易实现、对电力系统无谐波影响等优点，但是，由于光伏电源的功率与局部电网负载的功率在基本平衡的状态下而导致并网逆变器的输出电压和频率变化很小，所以采用被动式孤岛检测方法时，会出现较大的检测盲区。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种综合频率和相位信息的光伏并网逆变器孤岛检测方法，即改进主动频率偏移法IAFD，该方法同时兼具主动频移法AFD和相位偏移法APS两类方法的优势，能够减小光伏并网逆变器的检测盲区NDZ。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种综合频率和相位信息的光伏并网逆变器孤岛检测方法，其特征在于：结合了主动频率偏移法中的主动频率扰动，和相位偏移法中的主动相位扰动，得到改进的主动频率偏移法，能够减小负荷与光伏发电功率接近及负荷小于光伏发电情况下的非检测区域；

主动频率偏移法是通过周期性地改变并网电流频率来实现反孤岛效应功能的；具体实现思想是：孤岛检测硬件系统逐周期检测出电网电压的频率后，将它稍微增大或减小固定值以作为并网逆变器的给定频率，并且在电网电压每次过零时使并网电流复位，则当并网时，已将系统每次检测到的电网电压频率不变；而脱网时，并网逆变器交流电流将单独作用于负载上，由于并网逆变器频率的逐周期改变，这样，孤岛检测硬件系统每次检测到的负载电压频率就会逐渐增大或减小，很快就会达到给定频率保护的上、下限值使系统保护动作，从而使系统具有反孤岛效应功能；若逐周期改变固定频率Δf来修改逆变器的并网给定频率，即逆变器输出电流的频率每周期都给一个固定的扰动：

其中：I_o[k]为第k周期的电流瞬时值，I_m为电流峰值，f[k-1]为第(k-1)周期逆变器的频率，Δf为逐周期改变的固定频率，为第(k-1)周期的相位；

主动频率偏移法的频率控制逻辑为，当每个周期结束即电压过零点时刻，重新给定逆变器频率的参考值：

其中：为第(k+1)周期逆变器的频率参考值，f_load[k]为第k周期逆变器的输出频率值，f_grid[k]为第k周期硬件系统检测到的电网侧频率值，Δf为逐周期改变的固定频率，ε为较小的频率偏差阈值；

所述改进的主动频率偏移法包括以下步骤：

步骤一：在端电压的第k个过零点，首先测量上一个周期的电压频率，然后频率根据上一个周期的电压频率给一个根据式(2)的扰动f[k]＝f[k-1]±Δf，同时起始的相位角度也根据逆变器上一个周期的频率f[k-1]而改变，即综合了主动频移法和相位偏移法两种方法的扰动：

其中：为改进方法下第k个周期的相位，为第k个周期检测到的电压信号的起始相位；

这样，就得到了改进主动频率偏移法方法的主动频率相位扰动；

步骤二：孤岛检测硬件系统逐周期检测出电网电压的频率和相位，根据公式(1)‐(4)将之做相应的主动频率及相位偏移之后，作为并网逆变器的给定参考频率；

步骤三：在电网电压每次过零时使并网电流复位，则当并网时，已将系统每次检测到的电网电压频率不变；而脱网时，并网逆变器交流电流将单独作用于负载上，由于并网逆变器频率的逐周期改变，这样，孤岛检测硬件系统每次检测到的负载电压频率就会逐渐增大或减小，很快就会达到给定频率保护的上、下限值使系统保护动作，从而使系统具有检测孤岛效应的功能。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

本发明提出的一种综合频率和相位信息的光伏并网逆变器孤岛检测新方法同时兼具有AFD和APS两类方法的优势，能够减小光伏并网逆变器的检测盲区NDZ，新方法孤岛检测的成功率几乎达到100％。基于Matlab/Simulink建立了IAFD的孤岛检测与保护仿真模型，仿真结果验证了所提出的IAFD方法能够在负荷功率与光伏出力接近或者小于光伏出力情况下，仍然能够有效地检测出孤岛运行的状态，基本消除了NDZ检测盲区，适用于大规模光伏接入局部电网的系统级检测应用。

附图说明

图1为分布式光伏发电系统连接当地RLC负载及并网示意图。

图2为100kW光伏发电系统并网Simulink仿真模型。

图3为光伏发电系统VSC逆变器主控制器仿真电路。

图4为光伏发电系统逆变器主动频移法防孤岛控制仿真电路。

图5为改进主动频移法光伏防孤岛保护相位偏移检测波形图。

图6为改进主动频移法光伏防孤岛保护频率检测波形图。

图7为改进主动频移法光伏防孤岛保护系统侧及本地负荷侧电压波形图。

图8为改进主动频移法光伏防孤岛保护系统侧及本地负荷侧电流波形图。

图9为传统主动频移法光伏防孤岛保护相位偏移检测波形图。

图10为传统主动频移法光伏防孤岛保护频率偏移检测波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种综合频率和相位信息的光伏并网逆变器孤岛检测新方法，其步骤是：结合了主动频移法AFD中的主动频率扰动，和相位偏移法APS中的主动相位扰动，形成的一种新改进主动频率偏移法IAFD，能够减小负荷与光伏发电功率接近及负荷小于光伏发电情况下的非检测区域NDZ。

主动频率偏移法AFD是通过周期性地改变并网电流频率来实现反孤岛效应功能的。具体实现思想是：孤岛检测硬件系统逐周期检测出电网电压的频率后将它稍微增大或减小固定值以作为并网逆变器的给定频率，并且在电网电压每次过零时使并网电流复位，则当并网时，已将系统每次检测到的电网电压频率不变；而脱网时，并网逆变器交流电流将单独作用于负载上，由于并网逆变器频率的逐周期改变，这样，孤岛检测硬件系统每次检测到的负载电压频率就会逐渐增大或减小，很快就会达到给定频率保护的上、下限值使系统保护动作，从而使系统具有反孤岛效应功能。以逐周期改变固定频率Δf来修改逆变器的并网给定频率为例，即逆变器输出电流的频率每周期都给一个固定的扰动：

其中：I_o[k]为第k周期的电流瞬时值，I_m为电流峰值，f[k-1]为第(k-1)周期逆变器的频率，Δf为逐周期改变的固定频率，为第(k-1)周期的相位。

AFD的频率控制逻辑为，当每个周期结束即电压过零点时刻，重新给定逆变器频率的参考值：

其中：为第(k+1)周期逆变器的频率参考值，f_load[k]为第k周期逆变器的输出频率值，f_grid[k]为第k周期硬件系统检测到的电网侧频率值，Δf为逐周期改变的固定频率，ε为较小的频率偏差阈值。

改进的主动频率偏移法IAFD主要原理为：在端电压的第k个过零点，首先测量上一个周期的电压频率，然后频率根据上一个周期的频率给一个根据式(2)的扰动f[k]＝f[k-1]±Δf，同时起始的相位角度也根据逆变器上一个周期的频率f[k-1]而改变，即综合了AFD和APS两种方法的扰动：

其中：为改进方法下第k个周期的相位，为第k个周期检测到的电压信号的起始相位。

这样，就得到了IAFD方法的主动频率相位扰动，孤岛检测硬件系统逐周期检测出电网电压的频率和相位，将之做相应的偏移之后，作为并网逆变器的给定频率，并且在电网电压每次过零时使并网电流复位，则当并网时，已将系统每次检测到的电网电压频率不变；而脱网时，并网逆变器交流电流将单独作用于负载上，由于并网逆变器频率的逐周期改变，这样，硬件系统每次检测到的负载电压频率就会逐渐增大或减小，很快就会达到给定频率保护的上、下限值使系统保护动作，从而使系统具有反孤岛效应功能。

典型的孤岛检测及防孤岛保护仿真验证电路如图1所示。本实施方式中采用的是100kW的光伏阵列，通过DC‐DC升压变换器和三相三电平电压源换流器(VSC)连接到25kV外部电网。直流变换器的最大功率点跟踪(MPPT)通过Simulink建立“电导增量法+积分调节器”技术实现。

详细模型包含以下组成部分：

1)PV阵列在1000W/m²的光照强度下输送最大100kW。光伏阵列使用330个SunPower模块(SPR‐305E‐WHT‐D)。该阵列包括并联连接的66个串联的5个串联模块(66*5*305.2W＝100.7kW)。单个PV模块的制造规格为：串联电池数：96，开路电压：Voc＝64.2V，短路电流：Isc＝5.96A，最大功率点电压和电流：Vmp＝54.7V，Imp＝5.58A，PV阵列块菜单允许绘制一个模块和整个阵列的I‐V和P‐V特性。光伏阵列块有两个输入，允许通过改变光照强度(输入1，W/m²)和温度(输入2，℃)，光照强度和温度分布由连接到光伏阵列输入的信号生成器块定义。

2)DC‐DC升压变换器，将电压从PV自然电压(最大功率时为273V DC)提高到500VDC。开关占空比通过使用“电导增量法+积分调节器”技术的MPPT控制器进行优化。该MPPT系统自动改变占空比，以便产生所需的电压以追踪最大功率。

3)三相三电平VSC换流器，VSC将500V DC链路电压转换为260V AC(60Hz)，并保持单位功率因数。VSC控制系统使用两个控制回路：将DC链路电压调节到+/‐250V的外部控制回路和调节I_d和I_q并网电流(有功和无功电流分量)的内部控制回路。I_d电流参考是DC电压外部控制器的输出，I_q电流参考设置为零，以保持单位功率因数。电流控制器的V_d和V_q电压输出被转换为由PWM发生器使用的三个调制信号U_{abc_ref}。控制系统对电压和电流控制器以及PLL同步单元使用100微秒的采样时间。Boost和VSC换流器的脉冲发生器使用1微秒的快速采样时间，以获得适当的PWM波形分辨率。

4)VSC连接的10kVAr电容器组，用以滤除谐波。

5)100kVA 260V/25kV三相变压器。

6)外部公用电网(25kV配电馈线+120kV等效输电系统)。

图2为建立的并网逆变系统功率输出仿真模型，图3、图4为详细的主动频移法VSC控制器子系统模块，通过在逆变器交流侧与电网侧设置三相短路故障和理想开关来仿真光伏系统的防孤岛保护功能。

图5至图8为100kW光伏+10kVAr滤波器，和外部电网一起为150kW+20kVAr负荷供电的运行方式，通过主动频移法光伏防孤岛保护仿真得到的相位偏移、频率偏移，及网侧、负荷侧三相电压电流结果。由图可知，并网电流和电网电压同频同相，由于锁相缘故，并网电流比电网电压滞后一个基波周期。采用改进的主动频率偏移法IAFD建立的孤岛效应仿真模型中，每个基波周期并网电流频率偏移0.3Hz，0.05s发生三相永久短路故障，断路器在0.1s处将电网断开。电网断电后3个周期以内，负载电压的频率早已超出系统的频率保护下限值49.5Hz，完全满足表1中规定的要求。

表1 IEEE Std.2000.929和ULl74规定的孤岛发生时逆变器与电网断开的时间限制

注：1)Vnorm指电网电压幅值的额定值，对于我国单相市电为交流220V(有效值)；2)fnorm指电网电压频率的额定值，对于我国的单相市电为50Hz。

在局部电网内部拥有100kW光伏+10kVAr滤波器情况下，改变局部电网中负荷有功和无功功率的数值，来验证本发明所述改进主动频移法IAFD的有效性，与传统AFD方法的对比结果如表2所示。

表2不同负荷功率下孤岛发生时逆变器孤岛效应检测结果(Y/N分别代表能成功检测与不能检测)

从表2中可以看出，改进的主动频移法IAFD在各种负荷功率下均能够有效检测出孤岛运行状态，而传统主动频移法AFD在负荷较大和较小时候检测效果尚可，但在35kW至55kW有功范围内出现了一段的不可检测区域NDZ，验证了本发明IAFD方法的优越性。其中当本地负荷为有功55kW无功20kVAr的运行情况下，传统AFD方法的相位和频率检测将不能够有效发现光伏发电系统的孤岛运行状态，负荷三相电压相位与频率结果分别如图9和图10所示。

从图9和图10中可以看出，当本地负荷为有功55kW无功20kVAr的运行情况下，传统AFD方法的检测出的负荷侧三相电压的相位与电网侧三相电压的相位基本重叠，而两信号的频率绝对误差也都在59.85～60.15Hz区间内，属于电网正常运行的范围内，主动频率偏移法并没有检测出光伏发电系统的孤岛运行状态，出现了算法不可识别的场景。而在同样大小的负荷下，本发明所提出的IAFD方法可以有效检测出系统的孤岛运行状态，检测盲区NDZ的面积几乎为0，即检测正确率几乎达到100％，能适用于大电网的运行需求。

综上，本发明提出的一种综合频率和相位信息的光伏并网逆变器孤岛检测新方法同时兼具有AFD和APS两类方法的优势，能够减小光伏并网逆变器的检测盲区NDZ，新方法孤岛检测的成功率几乎达到100％。基于Matlab/Simulink建立了IAFD的孤岛检测与保护仿真模型，仿真结果验证了所提出的IAFD方法能够在负荷功率与光伏出力接近或者小于光伏出力情况下，仍然能够有效地检测出孤岛运行的状态，基本消除了NDZ检测盲区，适用于大规模光伏接入局部电网的系统级检测应用。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种综合频率和相位信息的光伏并网逆变器孤岛检测方法，其特征在于：结合了主动频率偏移法中的主动频率扰动，和相位偏移法中的主动相位扰动，得到改进的主动频率偏移法，能够减小负荷与光伏发电功率接近及负荷小于光伏发电情况下的非检测区域；

主动频率偏移法是通过周期性地改变并网电流频率来实现反孤岛效应功能的；具体实现思想是：孤岛检测硬件系统逐周期检测出电网电压的频率后，将它稍微增大或减小固定值以作为并网逆变器的给定频率，并且在电网电压每次过零时使并网电流复位，则当并网时，已将系统每次检测到的电网电压频率不变；而脱网时，并网逆变器交流电流将单独作用于负载上，由于并网逆变器频率的逐周期改变，这样，孤岛检测硬件系统每次检测到的负载电压频率就会逐渐增大或减小，很快就会达到给定频率保护的上、下限值使系统保护动作，从而使系统具有反孤岛效应功能；若逐周期改变固定频率Δf来修改逆变器的并网给定频率，即逆变器输出电流的频率每周期都给一个固定的扰动：

其中：I_o[k]为第k周期的电流瞬时值，I_m为电流峰值，f[k-1]为第(k-1)周期逆变器的频率，Δf为逐周期改变的固定频率，为第(k-1)周期的相位；

主动频率偏移法的频率控制逻辑为，当每个周期结束即电压过零点时刻，重新给定逆变器频率的参考值：

$f_{load}^{ref}\[k+1\]=\left\{\begin{array}{ccc}{f}_{load}\[k\]& if& \left|f_{load}\[k\]-f_{grid}\[k\]\right|\≤\mathrm{\ϵ}\\ (f_{load}\[k\]\±\mathrm{\Δ}f)& if& \left|f_{load}\[k\]-f_{grid}\[k\]\right|>\mathrm{\ϵ}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：为第(k+1)周期逆变器的频率参考值，f_load[k]为第k周期逆变器的输出频率值，f_grid[k]为第k周期硬件系统检测到的电网侧频率值，Δf为逐周期改变的固定频率，ε为较小的频率偏差阈值；

所述改进的主动频率偏移法包括以下步骤：

步骤一：在端电压的第k个过零点，首先测量上一个周期的电压频率，然后频率根据上一个周期的电压频率给一个根据式(2)的扰动f[k]＝f[k-1]±Δf，同时起始的相位角度也根据逆变器上一个周期的频率f[k-1]而改变，即综合了主动频移法和相位偏移法两种方法的扰动：

其中：为改进方法下第k个周期的相位，为第k个周期检测到的电压信号的起始相位；

这样，就得到了改进主动频率偏移法方法的主动频率相位扰动；

步骤二：孤岛检测硬件系统逐周期检测出电网电压的频率和相位，根据公式(1)-(4)将之做相应的主动频率及相位偏移之后，作为并网逆变器的给定参考频率；

步骤三：在电网电压每次过零时使并网电流复位，则当并网时，已将系统每次检测到的电网电压频率不变；而脱网时，并网逆变器交流电流将单独作用于负载上，由于并网逆变器频率的逐周期改变，这样，孤岛检测硬件系统每次检测到的负载电压频率就会逐渐增大或减小，很快就会达到给定频率保护的上、下限值使系统保护动作，从而使系统具有检测孤岛效应的功能。