CN110350585A - 光伏并网发电系统的孤岛检测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏并网发电系统的孤岛检测控制方法。该方法在光伏并网逆变器输出功率与负荷功率发生匹配，过/欠压、过/欠频检测失效时，引入双边无功功率扰动，使公共耦合点(并网点PCC处)频率超过允许范围，通过过/欠频检测完成孤岛检测；在光伏并网逆变器输出功率与负荷功率失配时，PCC处电压或频率发生波动，传统的被动检测法即可完成孤岛检测。双边无功扰动主动检测+被动检测方法，结合IGBT关断与开关分断的二级系统保护制策略，使检测在500ms内完成孤岛检测和保护响应，切断电网与光伏发电系统的连接，有效解决反孤岛控制在工程应用中盲区大、响应速度慢等瓶颈技术难题。

Description

光伏并网发电系统的孤岛检测控制方法

技术领域

本发明涉及一种光伏并网检测技术，特别涉及一种光伏并网发电系统的孤岛检测控制方法。

背景技术

目前，光伏并网发电系统作为一种分布式能源具有渗透率高、污染少、效率高等特点，但仍有许多问题亟待解决，其中最主要的就是孤岛检测问题。孤岛是由于输电线路跳闸、设备故障、操作失误、系统维护等原因，光伏并网发电系统脱离电网，由光伏阵列独立为负荷供电的状态。孤岛存在以下危害：对维修人员造成安全隐患，威胁生产线工人的安全；影响电网重合闸，进而导致设备损坏或线路重新跳闸；使得分布式电源输出电能质量下降，导致敏感设备故障。因此，研究一种高效可靠的孤岛检测技术十分必要。研究人员提出了多种孤岛检测的方法，主要可分为主动检测和被动检测两类。

被动检测技术主要有过/欠压和过/欠频检测法、频率变化率检测法、电压相位突变检测法、电压谐波检测法等。被动检测的优点在于成本低、实现简单、检测时间短、不影响配电网的电能质量；但其主要缺点是检测盲区较大，且需要设置合理的阈值，阈值过低将引起不必要的跳闸，阈值过高将导致孤岛检测失败。主动检测技术主要有主动移频法、改进的滑模频率偏移法、sandia频率偏移法、有功电流扰动法、无功功率扰动法等。主动检测法虽然减小了检测盲区，但是引入的扰动降低了系统的电能质量。

发明内容

本发明是针对目前光伏并网发电系统的孤岛检测存在检测盲区较大、检测方法复杂、系统电能质量欠佳的问题，提出了一种光伏并网发电系统的孤岛检测控制方法，当光伏发电系统输出功率与负荷消耗功率不匹配时，由过/欠压检测或过/欠频检测完成孤岛检测；当光伏发电系统输出功率与负荷消耗功率匹配时，引入无功功率扰动，由过/欠频检测完成孤岛检测。有效克服检测盲区大及系统电能质量欠佳的问题。

本发明的技术方案为：一种光伏并网发电系统的孤岛检测控制方法，具体包括如下步骤：

1)从并网状态到孤岛状态时刻，检测光伏逆变器输出的有功、无功功率P,Q以及负荷消耗的有功、无功功率P_L，Q_L，并将信号送扰动信号发生器；

2)在扰动信号发生器中计算失配的有功、无功功率δP、δQ，失配的有功、无功功率为δP、δQ，δP＝P-P_L，δQ＝Q-Q_L，并判断δP和δQ是否为零，若两者均为零，即光伏发电系统输出功率与负荷消耗功率发生匹配，此时产生无功功率扰动信号，无功功率扰动量开关闭合，引入双边无功功率扰动，无功功率扰动量△Q’为10％Q_ref，Q_ref为光伏逆变器输出的参考无功功率，添加扰动后执行步骤3)；

当δP和δQ中有一个不为零时，并网点PCC处电压幅值或频率将产生波动，进入步骤3)进行保护判断；

3)检测并网点PCC处电压幅值U_i或频率f_i，若超过国际标准规定的范围，进行过/欠压或过/欠频保护，断开光伏给负载供电回路。

本发明的有益效果在于：本发明光伏并网发电系统的孤岛检测控制方法，双边无功扰动主动检测+被动检测方法，结合IGBT关断与开关分断的二级系统保护制策略，使检测在500ms内完成孤岛检测和保护响应，切断电网与光伏发电系统的连接，有效解决反孤岛控制在工程应用中盲区大、响应速度慢等瓶颈技术难题，性能高于UL1741、DIN0126等技术要求；解决共直流母线直流母线电压波动或振荡，实现直流母线分布式接入系统高稳定性的运行控制。

附图说明

图1为本发明光伏并网发电系统的孤岛检测原理图；

图2为本发明孤岛检测主电路框图；

图3为本发明孤岛检测下的逆变器整体控制电路图；

图4为本发明光伏并网发电系统的孤岛检测控制流程图；

图5为本发明功率不匹配时孤岛检测波形图；

图6为本发明功率匹配时孤岛检测波形图。

具体实施方式

如图1所示光伏并网发电系统的孤岛检测原理图，图中S₁为电网侧开关，S₂为光伏侧开关；电阻R、电感L、电容C并联构成本地负载；P、Q为光伏逆变器输出的有功、无功功率；ΔP、ΔQ为电网侧流入并网点PCC的有功、无功功率。

当电网正常工作时，S₁、S₂均闭合，PCC处电压幅值为电网电压幅值U_g，频率为电网频率f_g，由功率平衡关系可得：

当系统孤岛运行时，S₁断开、S₂闭合，ΔP＝ΔQ＝0，光伏发电系统单独向负载供电，假设光伏发电系统输出的有功、无功功率不变，此时功率平衡关系为：

式中：U_i、f_i为孤岛状态下PCC处电压幅值和频率。

联合式(1)和式(2)可得：

式中，Q_C为电容提供的无功功率。

由式(3)可知，从并网状态到孤岛状态，当光伏发电系统输出功率与负荷消耗功率不匹配时，PCC处电压或频率产生波动，此时可根据过/欠压检测或过/欠频检测实现孤岛检测；当光伏发电系统输出功率与负荷消耗功率匹配时，PCC处电压幅值和频率保持不变，此时传统的被动检测法失效，进入孤岛检测盲区。

从检测盲区入手，解决光伏发电系统输出功率与负荷消耗功率匹配时的孤岛检测问题。IEEE929-2000规定：在负载品质因数Q_f＝2.5时，允许的频率f的范围为：59.3Hz≤f≤60.5Hz，允许的电压U的范围为：88％≤U/U_n≤110％(其中U_n为额定电压)，且在孤岛发生后的2秒内，应检测到孤岛状态并采取相应的保护措施。失配的有功、无功功率为δP、δQ，δP＝P-P_L，δQ＝Q-Q_L，P_L,Q_L分别为负荷消耗的有功、无功功率，检测盲区用有功、无功功率的失配度δP/P,δQ/Q表示为：

f_max和f_min分别为负载供电允许的最大频率和最小频率，U_max和U_min分别为负载供电允许的最大电压和最小电压值。

将国际标准规定的参数代入式(4)得：

由式(5)可知，无功功率失配度的检测盲区明显窄于有功功率失配度的检测盲区，即无功功率的失配度对孤岛检测更敏感。因此，针对被动检测法存在检测盲区的现象，在PCC处引入双边无功功率扰动，使频率超出国际标准允许的范围，从而达到孤岛检测的效果。

如图2、3所示孤岛检测主电路和逆变器整体控制电路图，图中Relay1为孤岛保护继电器常闭触头；Relay2为电网侧继电器常闭触头，为模拟孤岛状态，触发继电器线圈吸合，Relay2常闭触头断开。Signal1、Signal2信号分别为控制图3中KG和图2中Relay1开断的开关信号；P_L,Q_L分别为负荷消耗的有功、无功功率；P_ref,Q_ref分别为光伏逆变器输出的参考有功、无功功率；△Q’为引入的无功功率扰动量，无功功率扰动量△Q’为10％Q_ref，直接加到Q_ref进行扰动。如图4所示，检测控制实施的具体步骤为：

(1)孤岛时，检测光伏逆变器输出的有功、无功功率P,Q以及负荷消耗的有功、无功功率P_L，Q_L送扰动信号发生器。

(2)在扰动信号发生器中计算失配的有功、无功功率δP、δQ，并判断δP和δQ是否为零，若两者均为零，即光伏发电系统输出功率与负荷消耗功率发生匹配，此时产生无功功率扰动信号，即signal1＝1，开关KG闭合，引入双边无功功率扰动，加快检测速度；无功功率扰动量△Q’为10％Q_ref，确保系统跳出孤岛检测的检测盲区，添加扰动后执行步骤(3)。当δP和δQ中有一个不为零时，此时signal1＝0，开关KG断开，此时，PCC处电压幅值或频率将产生波动，进入步骤(3)进行保护判断。

(3)检测PCC处电压幅值U_i或频率f_i，若超过国际标准规定的范围，则signal2＝1，Relay1常闭触头断开，进行过/欠压或过/欠频保护，断开光伏给负载供电回路。

图5中波形①为PCC处相电流波形，波形②为PCC处线电压波形，波形③为电压波动时相应的跳变信号波形。波形③发生跳变时刻即为孤岛起始时刻t₁＝38.8ms；由于PCC处线电压幅值由380V上升至420V，超出国际标准规定的上限，系统实施过压保护，在t₂＝198ms时断开Relay1。故系统孤岛保护的时间为159.2ms，在国际标准规定的2s以内。

图6中波形①为PCC处线电压波形，波形②为PCC处相电流波形，波形③为Relay2两端的电压波形。系统正常并网运行时，光伏逆变器输出稳定的380V线电压和1.8A相电流，且Relay2两端的电压为零，当Relay2断开时，Relay2两端的电压发生跳变，这一跳变时刻即为孤岛发生时刻t₃＝116ms；由于光伏逆变器输出功率与负荷消耗功率发生匹配，此时引入双边无功功率扰动，其值为10％的参考无功功率；t₄＝306.8ms时通过过/欠频检测完成系统的孤岛检测，并将Relay1断开。故系统孤岛检测的时间为190.8ms，在国际标准规定的2s以内。

因此，该检测方法在完成孤岛检测的同时，大大缩短了孤岛检测时间。

Claims (1)

1.一种光伏并网发电系统的孤岛检测控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)从并网状态到孤岛状态时刻，检测光伏逆变器输出的有功、无功功率P,Q以及负荷消耗的有功、无功功率P_L，Q_L，并将信号送扰动信号发生器；

2)在扰动信号发生器中计算失配的有功、无功功率δP、δQ，失配的有功、无功功率为δP、δQ，δP＝P-P_L，δQ＝Q-Q_L，并判断δP和δQ是否为零，若两者均为零，即光伏发电系统输出功率与负荷消耗功率发生匹配，此时产生无功功率扰动信号，无功功率扰动量开关闭合，引入双边无功功率扰动，无功功率扰动量△Q’为10％Q_ref，Q_ref为光伏逆变器输出的参考无功功率，添加扰动后执行步骤3)；

当δP和δQ中有一个不为零时，并网点PCC处电压幅值或频率将产生波动，进入步骤3)进行保护判断；

3)检测并网点PCC处电压幅值U_i或频率f_i，若超过国际标准规定的范围，进行过/欠压或过/欠频保护，断开光伏给负载供电回路。