CN108490295B - 一种基于虚拟平均无功鉴相的主动孤岛检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单相并网逆变器的主动孤岛检测方法，包括：将并网点的电网电压输入到正交信号发生器获取正交信号，根据正交信号通过锁相环获取并网点的电网电压频率；基于电网电压频率，构建电网电压半周期的扰动脉冲信号；将电网电压输入到基于虚拟平均无功鉴相的锁相环结构中，并且将电网电压频率和扰动脉冲信号作为频率前馈项加到虚拟平均无功鉴相的锁相环中；实时监测电网电压频率，当电网电压频率超出设定的电网频率范围时，即检测到孤岛情况，立即关断逆变器脉冲。本发明还提供了一种单相并网逆变器的主动孤岛检测装置。本发明相比现有技术具有以下优点：可以避免检测电压电流的过零点，精简软件程序，实施简单，具有较大的实用价值。

Description

一种基于虚拟平均无功鉴相的主动孤岛检测方法和装置

技术领域

本发明属于逆变器控制技术领域，具体涉及一种基于虚拟平均无功鉴相的主动孤岛检测方法和装置。

背景技术

由于燃料电源的不断减少及其对环境危害的日益严重，基于太阳能、风能等清洁的可再生能源发电系统受到广泛关注和研究。由于可再生能源的分散特点和容量范围，一般构建为分布式发电(Distributed Generation，DG)系统。孤岛现象是分布式发电系统的一个基本问题。当主电网因故障、检修等原因断开时，DG系统继续向负载供电，形成孤立的电力系统即为孤岛。孤岛一旦产生将会危及电路维修人员安全，影响电网的自动重合闸，使电力孤岛区域电压不稳从而影响电能传输质量。因此，研究孤岛检测方法及保护措施将孤岛产生危害降到最小有重要的现实意义。

目前DG系统常用的主动孤岛检测法是正反馈检测法。这类方法有主动相位偏移法(APS)、主动频移法(AFD)、Sandia频移法(SFS)和滑模频移法(SMS)等。其特点是在控制信号中加入小扰动信号，使电压频率或电压幅值与正常值间产生小的偏差，并以小偏差为正反馈信。这些方法的缺点是需要检测电压和电流的过零点，实现起来较麻烦，而且降低并网电流质量。

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种单相并网逆变器的主动孤岛检测方法，该方法可以快速准确的检测逆变器孤岛状态，不用检测电网电压过零点，精简程序。在并网稳定工作时，对于并网电流质量影响小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何使主动孤岛检测程序精简，并且在并网稳定工作时，对于并网电流质量影响小。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种单相并网逆变器的主动孤岛检测方法，包括如下步骤：

S101：将并网点的电网电压u_g输入到正交信号发生器获取正交信号u_gα和u_gβ，根据正交信号u_gα和u_gβ通过锁相环获取并网点的电网电压频率ω_g；

S102：基于电网电压频率ω_g，构建电网电压的扰动脉冲信号ω_d；

S103：将电网电压u_g输入到基于虚拟平均无功鉴相的锁相环中，并且将电网电压频率ω_g和扰动脉冲信号ω_d作为频率前馈项加到虚拟平均无功鉴相的锁相环中；

S104：实时监测电网电压频率ω_g，当电网电压频率ω_g超出设定的电网频率范围时，即检测到孤岛情况，立即关断逆变器脉冲，当检测到电压频率ω_g没有超出允许范围时，则判断未产生孤岛。

作为进一步的技术方案，所述正交信号发生器为基于二阶广义积分器的正交信号发生器。

作为进一步的技术方案，在步骤S101中，正交信号u_gα和u_gβ通过如下表达式获取：

其中：ω_g为电网电压频率，s为拉普拉斯算子。

作为进一步的技术方案，在步骤S102中，每隔半个电网电压的周期时长构建一个扰动脉冲信号ω_d，即扰动脉冲信号周期T_d满足：

且在一个扰动脉冲信号周期T_d中，扰动脉冲信号ω_d满足以下条件：

即在一个扰动脉冲信号周期T_d中，在扰动持续时间t₁内，ω_d的取值为2πf_d，在扰动持续时间t₁结束后，ω_d的取值为0；

其中，t为实时构建扰动脉冲信号ω_d的当前时间，k为不等于0的正整数，T_g为电网电压周期，f_d为扰动频率，t₁为扰动持续时间。

作为进一步的技术方案，在步骤S103中，基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环包括依次连接的乘法器、低通滤波器、比例积分控制器、加法器和积分器，电网电压u_g作为乘法器的输入，积分器的输出作为单相锁相环的相位输入端，单相锁相环输出锁相环相角θ_g，三角函数计算器对相角θ_g进行三角函数计算得到反馈信号sin(θ_g)反馈到乘法器，作为乘法器的另一个输入，电网电压频率ω_g和扰动脉冲信号ω_d作为频率前馈项加到加法器上。

本发明还提供一种单相并网逆变器的主动孤岛检测装置，包括：

电网电压频率ω_g获取模块：用来将并网点的电网电压u_g输入到正交信号发生器获取正交信号u_gα和u_gβ，根据正交信号u_gα和u_gβ通过锁相环获取并网点的电网电压频率ω_g；

扰动脉冲信号ω_d构建模块：用于基于电网电压频率ω_g构建电网电压扰动脉冲信号ω_d；

锁相环输入单元：用于将电网电压u_g输入到基于虚拟平均无功鉴相的锁相环结构中，并且将电网电压频率ω_g和扰动脉冲信号ω_d作为频率前馈项加到虚拟平均无功鉴相的锁相环中；

控制模块：用于实时监测电网电压频率ω_g，当电网电压频率超出设定的电网频率范围时，即检测到孤岛情况，立即关断逆变器脉冲，当检测到输出电压频率没有超出允许范围时，则判断未产生孤岛。

作为进一步的技术方案，所述正交信号发生器为基于二阶广义积分器的正交信号发生器。

作为进一步的技术方案，电网电压频率ω_g获取模块中，正交信号u_gα和u_gβ通过如下表达式获取：

其中：ω_g为电网电压频率，s为拉普拉斯算子。

作为进一步的技术方案，扰动脉冲信号ω_d构建模块中，扰动脉冲信号周期T_d满足：

其中，k为不等于0的正整数，T_g为电网电压周期，且在一个扰动脉冲信号周期T_d中，扰动脉冲信号ω_d满足以下条件：

即在一个扰动脉冲信号周期T_d中，在扰动持续时间t₁内，ω_d的取值为2πf_d，在扰动持续时间t₁结束后，ω_d的取值为0；

其中，t为实时构建扰动脉冲信号ω_d的当前时间，k为不等于0的正整数，T_g为电网电压周期，f_d为扰动频率，t₁为扰动持续时间。

作为进一步的技术方案，锁相环输入单元中，基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环包括依次连接的乘法器、低通滤波器、比例积分控制器、加法器和积分器，并网点的电网电压u_g作为乘法器的输入，积分器的输出作为单相锁相环的相位输入端，单相锁相环输出锁相环相角θ_g，三角函数计算器对相角θ_g进行三角函数计算得到反馈信号sin(θ_g)反馈到乘法器，作为乘法器的另一个输入，电网电压频率ω_g和扰动脉冲信号ω_d作为频率前馈项加到加法器上。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明控制方法是在基于正交信号发生器的锁相环和基于虚拟平均无功鉴相锁相环的基础上，利用正交信号发生器锁相环的快速性和虚拟平均无功鉴相锁相环的稳态性性能，在此基础上加入周期的频率扰动信号实现主动孤岛检测技术，该方法具有孤岛检测快速和稳态电流质量影响小的特点。

本发明采用每半个电压周期的整数倍加入扰动脉冲信号的方法，可以加快孤岛检测速度，快速检测出是否存在孤岛，提高用电安全度和系统可靠性。

本发明可以避免检测电压电流的过零点，精简软件程序，实施简单，具有较大的实用价值。

附图说明

图1为本发明于实施例二中基于正交信号发生器的锁相环框图。

图2为现有技术中基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环控制结构。

图3为本发明于实施例二中基于虚拟平均无功鉴相的改进锁相环框图。

图4显示为本发明构建的扰动信号ω_d。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

本发明提供一种单相并网逆变器的主动孤岛检测方法，包括如下步骤：

S101：将并网点的电网电压u_g输入到基于二阶广义积分器(SOGI)的正交信号发生器(QSG)获取正交信号u_gα和u_gβ，根据正交信号u_gα和u_gβ通过锁相环(PLL)获取电网电压频率ω_g。

具体过程如图1所示，将电网电压u_g输入到基于二阶广义积分器(SOGI)的正交信号发生器(QSG)获取正交信号u_gα和u_gβ，根据正交信号u_gα和u_gβ通过锁相环(PLL)获取电网电压频率ω_g。

正交信号u_gα和u_gβ通过如下表达式获取。

其中：ω_g为电网电压频率，s为拉普拉斯算子。

S102：基于电网电压频率ω_g，构建电网电压半周期的扰动脉冲信号ω_d。

参见图4，在本具体实施方式中，电网电压频率ω_g为50HZ，周期T_g为0.02s，因此每隔半个周期T_g，即每隔0.01s就构建一个扰动脉冲信号ω_d，具体构建方法为：

其中，f_d为扰动频率，一般取0.5Hz-1Hz，t₁为每半个周期中扰动持续时间，T_g为电网电压周期，上述公式表示在半个周期T_g中，在扰动持续时间t₁内，ω_d的取值为2πf_d，在扰动持续时间t₁结束至扰动脉冲信号周期结束，ω_d的取值为0。

电网电压的周期T_g的取值并不仅仅限于本具体实施方式中的0.02s，其可根据实际情况而取不同的值。

S103：将电网电压u_g输入到基于虚拟平均无功鉴相的锁相环中，并且将电网电压频率ω_g和扰动脉冲信号ω_d作为频率前馈项加到虚拟平均无功鉴相的锁相环中。

图2是现有的基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环，包括依次连接的乘法器、低通滤波器(LPF)、比例积分控制器(PI)、加法器和积分器(1/s)，并网点的电网电压u_g作为乘法器的输入，积分器(1/s)的输出作为单相锁相环的相位输入端，单相锁相环输出锁相环相角θ_g，三角函数计算器对相角θ_g进行三角函数计算得到反馈信号sin(θ_g)反馈到乘法器，作为乘法器的另一个输入，电网电压频率ω_g和扰动脉冲信号ω_d作为频率前馈项加到加法器上。

本发明在该现有的锁相环控制结构上做进一步改进，即在比例积分控制器PI后加入扰动脉冲信号ω_d，如图3所示，当未发生孤岛时，电网正常工作，由于电网的平衡作用，扰动脉冲信号ω_d不足以改变并网逆变器的输出特性，并网点的电网电压频率ω_g和相位基本保持不变；当电网断电而导致并网逆变器产生孤岛现象时，此时并网逆变器断离电网而独自输出电压，由于失去了电网的平衡作用，加入的扰动脉冲信号ω_d即会对并网点的电网电压频率ω_g产生影响，由于扰动脉冲信号ω_d的反馈作用，并网点的电网电压频率ω_g就会迅速累积并且超出允许范围。

S104：实时监测电网电压频率ω_g，当电网电压频率ω_g超出设定的电网频率范围时，即检测到孤岛情况，立即关断逆变器脉冲。

本发明对逆变器公共并网点的电网电压频率ω_g进行实时监测，当监测到电网电压频率ω_g超出允许范围时，即判断产生了孤岛，此时立即触发控制器，控制将并网逆变器关断；当检测到电网电压频率ω_g没有超出允许范围时，则判断未产生孤岛。

具体实施例：

设定公共并网点输出电压的电网电压频率ω_g允许的频率范围为49HZ≤ω_g≤51HZ，假设构建的扰动脉冲信号ω_d为：

也即扰动频率f_d为0.5HZ；正常情况下，公共并网点的电网电压频率ω_g为50HZ，当产生孤岛时，经过3个反馈循环后，公共并网点的电网电压频率ω_g累积到51.5HZ，此时检测到电网电压频率ω_g超出了允许范围，即判断产生了孤岛。

本发明公开了一种单相并网逆变器采用基于虚拟平均无功鉴相的主动孤岛检测技术，该方法将基于正交信号发生器的单相锁相环得到的频率作为前馈项加入到虚拟平均无功鉴相器中，将基于正交信号发生器的单相锁相环的快速性与基于虚拟平均无功鉴相器的稳态性能相结合，得到快速稳定的电网频率和相位信息。在此基础上，根据电网频率构建电网电压半周期的脉冲扰动信号加入到虚拟平均无功鉴相器中，作为主动频率扰动的孤岛检测方法。该方法在稳态时由于后面的比例积分控制器(PI)的积分环节降低扰动对于定向角的影响，进而降低稳态时对电流质量的影响，而且该方法不需要检测电压和电流的过零点，精简程序的结构，具有实施简单，孤岛检测快速的优点，在实际的孤岛检测具有很高的实用价值。

实施例二

如图1、2、3所示，一种单相并网逆变器的主动孤岛检测装置，包括：

电网电压频率ω_g获取模块：包括相互连接的正交信号发生器和锁相环，并网点的电网电压u_g输入到正交信号发生器获取正交信号u_gα和u_gβ，根据正交信号u_gα和u_gβ通过锁相环获取并网点的电网电压频率ω_g，锁相环作为电网电压频率ω_g获取模块的输出端；

扰动脉冲信号ω_d构建模块：连接到电网电压频率ω_g获取模块的输出端，用于基于电网电压频率ω_g构建电网电压扰动脉冲信号ω_d；

基于虚拟平均无功鉴相的锁相环：连接到电网电压频率ω_g获取模块的输出端和扰动脉冲信号ω_d构建模块的输出端，电网电压u_g输入到基于虚拟平均无功鉴相的锁相环结构中，并且电网电压频率ω_g和扰动脉冲信号ω_d作为频率前馈项加到虚拟平均无功鉴相的锁相环中；

控制模块：输入端连接到电网电压频率ω_g获取模块的输出端，输出端连接到逆变器，用于实时监测电网电压频率ω_g，当电网电压频率超出设定的电网频率范围时，即检测到孤岛情况，立即关断逆变器脉冲，当检测到输出电压频率没有超出允许范围时，则判断未产生孤岛。

其中，所述正交信号发生器为基于二阶广义积分器的正交信号发生器。

电网电压频率ω_g获取模块中，正交信号u_gα和u_gβ通过如下表达式获取：

其中：ω_g为电网电压频率，s为拉普拉斯算子。

参见图4，扰动脉冲信号ω_d构建模块中，

扰动脉冲信号周期T_d满足：

其中，k为不等于0的正整数，T_g为电网电压周期，且在一个扰动脉冲信号周期T_d中，扰动脉冲信号ω_d满足以下条件：

其中，t为实时构建扰动脉冲信号ω_d的当前时间，k为不等于0的正整数，T_g为电网电压周期，f_d为扰动频率，t₁为扰动持续时间。

作为一个具体的例子，假设电网电压频率ω_g为50HZ，周期T_g为0.02s，每隔半个周期T_g，即每隔0.01s就构建一个扰动脉冲信号ω_d，具体构建方法为：

其中，f_d为扰动频率，一般取0.5Hz-1Hz，t₁为每半个周期中扰动持续时间，T_g为电网电压周期，上述公式表示在半个周期T_g中，在扰动持续时间t₁内，ω_d的取值为2πf_d，在扰动持续时间t₁结束至扰动脉冲信号周期结束，ω_d的取值为0。其中，电网电压的周期T_g的取值并不仅仅限于本具体实施方式中的0.02s，其可根据实际情况而取不同的值。

基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环包括依次连接的乘法器、低通滤波器、比例积分控制器、加法器和积分器，并网点的电网电压u_g作为乘法器的输入，积分器的输出作为单相锁相环的相位输入端，单相锁相环输出锁相环相角θ_g，三角函数计算器对相角θ_g进行三角函数计算得到反馈信号sin(θ_g)反馈到乘法器，作为乘法器的另一个输入，电网电压频率ω_g获取模块的输出端和扰动脉冲信号ω_d构建模块的输出端分别连接到加法器上。控制模块进行控制的一个具体例子如下：

设定公共并网点输出电压的电网电压频率ω_g允许的频率范围为49HZ≤ω_g≤51HZ，假设构建的扰动脉冲信号ω_d为：

也即扰动频率f_d为0.5HZ；正常情况下，公共并网点的电网电压频率ω_g为50HZ，当产生孤岛时，经过3个反馈循环后，公共并网点的电网电压频率ω_g累积到51.5HZ，此时检测到电网电压频率ω_g超出了允许范围，即判断产生了孤岛。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单相并网逆变器的主动孤岛检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101：将并网点的电网电压u_g输入到正交信号发生器获取正交信号u_gα和u_gβ，根据正交信号u_gα和u_gβ通过锁相环获取并网点的电网电压频率ω_g；

S102：基于电网电压频率ω_g，构建电网电压的扰动脉冲信号ω_d，每隔半个电网电压的周期时长构建一个扰动脉冲信号ω_d，即扰动脉冲信号周期T_d满足：

且在一个扰动脉冲信号周期T_d中，扰动脉冲信号ω_d满足以下条件：

其中，t为实时构建扰动脉冲信号ω_d的当前时间，k为不等于0的正整数，T_g为电网电压周期，f_d为扰动频率，t₁为扰动持续时间；

S103：将电网电压u_g输入到基于虚拟平均无功鉴相的锁相环中，并且将电网电压频率ω_g和扰动脉冲信号ω_d作为频率前馈项加到虚拟平均无功鉴相的锁相环中；

S104：实时监测电网电压频率ω_g，当电网电压频率ω_g超出设定的电网频率范围时，即检测到孤岛情况，立即关断逆变器脉冲，当检测到电压频率ω_g没有超出允许范围时，则判断未产生孤岛。

2.根据权利要求1所述的一种单相并网逆变器的主动孤岛检测方法，其特征在于，所述正交信号发生器为基于二阶广义积分器的正交信号发生器。

3.根据权利要求1所述的一种单相并网逆变器的主动孤岛检测方法，其特征在于，在步骤S101中，正交信号u_gα和u_gβ通过如下表达式获取：

其中，ω_g为电网电压频率，s为拉普拉斯算子。

4.根据权利要求1所述的一种单相并网逆变器的主动孤岛检测方法，其特征在于，在步骤S103中，基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环包括依次连接的乘法器、低通滤波器、比例积分控制器、加法器和积分器，电网电压u_g作为乘法器的输入，积分器的输出作为单相锁相环的相位输入端，单相锁相环输出锁相环相角θ_g，三角函数计算器对相角θ_g进行三角函数计算得到反馈信号sin(θ_g)反馈到乘法器，并作为乘法器的另一个输入，电网电压频率ω_g和扰动脉冲信号ω_d作为频率前馈项加到加法器的输入端。

5.一种单相并网逆变器的主动孤岛检测装置，其特征在于，包括：

电网电压频率ω_g获取模块：包括相互连接的正交信号发生器和锁相环，并网点的电网电压u_g输入到正交信号发生器获取正交信号u_gα和u_gβ，根据正交信号u_gα和u_gβ通过锁相环获取并网点的电网电压频率ω_g；

扰动脉冲信号ω_d构建模块：输入端连接到电网电压频率ω_g获取模块的输出端，用于基于电网电压频率ω_g构建电网电压扰动脉冲信号ω_d，扰动脉冲信号周期T_d满足：

其中，k为不等于0的正整数，T_g为电网电压周期，且在一个扰动脉冲信号周期T_d中，扰动脉冲信号ω_d满足以下条件：

其中，t为实时构建扰动脉冲信号ω_d的当前时间，k为不等于0的正整数，T_g为电网电压周期，f_d为扰动频率，t₁为扰动持续时间；

基于虚拟平均无功鉴相的锁相环：输入端连接到电网电压频率ω_g获取模块的输出端和扰动脉冲信号ω_d构建模块的输出端，电网电压u_g输入到基于虚拟平均无功鉴相的锁相环结构中，并且电网电压频率ω_g和扰动脉冲信号ω_d作为频率前馈项加到虚拟平均无功鉴相的锁相环中；

控制模块：输入端连接到电网电压频率ω_g获取模块的输出端，输出端连接到逆变器，用于实时监测电网电压频率ω_g，当电网电压频率超出设定的电网频率范围时，即检测到孤岛情况，立即关断逆变器脉冲，当检测到输出电压频率没有超出允许范围时，则判断未产生孤岛。

6.根据权利要求5所述的一种单相并网逆变器的主动孤岛检测装置，其特征在于，所述正交信号发生器为基于二阶广义积分器的正交信号发生器。

7.根据权利要求5所述的一种单相并网逆变器的主动孤岛检测装置，其特征在于，电网电压频率ω_g获取模块中，正交信号u_gα和u_gβ通过如下表达式获取：

其中：ω_g为电网电压频率，s为拉普拉斯算子。

8.根据权利要求5所述的一种单相并网逆变器的主动孤岛检测装置，其特征在于，基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环包括依次连接的乘法器、低通滤波器、比例积分控制器、加法器和积分器，并网点的电网电压u_g作为乘法器的输入，积分器的输出作为单相锁相环的相位输入端，单相锁相环输出锁相环相角θ_g，三角函数计算器对相角θ_g进行三角函数计算得到反馈信号sin(θ_g)反馈到乘法器，作为乘法器的另一个输入，电网电压频率ω_g获取模块的输出端和扰动脉冲信号ω_d构建模块的输出端分别连接到加法器的输入端。

Images