CN110361617B - 一种消除多台逆变器并联稀释效应的方法及孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电气设备及电气工程领域一种消除多台逆变器并联稀释效应的方法及孤岛检测方法，利用锁相环，将其输出相位角过零点的时刻，作为多台并联逆变器在每个周期内扰动的起始位置，实现多台并联逆变器同步扰动，经过同步扰动后，使得公共点处的电压频率偏移的方向一致；且并联逆变器获取到的电压都来自同一条总线的公共点处，待锁相环收敛以后，获取到的扰动相位也相同，本发明在利用相位扰动的孤岛检测方法上加以改进，找到一种基于锁相环的可使多台逆变器同步扰动并且易于提取扰动量的孤岛检测法，完善了孤岛检测方法。

Description

一种消除多台逆变器并联稀释效应的方法及孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及一种多台并联的逆变器，特别涉及一种消除多台逆变器并联稀释效应的方法。

背景技术

随着分布式电源并网容量的增加，供电系统会因为大电网中断供电而造成一些严重的问题，其中，孤岛效应就是一个不容忽视的问题。当分布式发电系统处于孤岛运行状态时，若不能及时检测并切除，会严重威胁维护人员的人身安全，同时影响电能质量甚至损坏供电设备。因此，基于并网逆变器的分布式发电系统要求具备孤岛检测功能。

目前的孤岛检测技术分为本地被动法、本地主动法和远程法三类。被动式孤岛检测方法利用电网断电时逆变器输出端电压、频率、相位或谐波的变化进行孤岛效应检测，常用方法有过/欠压和过/欠频率检测法、电压谐波检测法、电压相位突变检测法等。但当分布式电源与负载功率接近时，被动式检测法将失去孤岛效应检测能力，存在较大的检测盲区(NDZ)。主动式检测法通过控制逆变器，使其输出功率、频率或相位存在一定的扰动，一旦电网出现故障，逆变器输出的扰动将快速累积并超出允许范围，从而检测出孤岛。主动式孤岛检测方法主要有主动移频法(AFD)、Sandia频移法(SFS)、滑模频率漂移法(SMS)、无功功率变化法等。主动法弥补了被动法的缺陷，但依然存在很多缺点。

例如AFD法中的畸变的电流降低了并网逆变器输出电能的质量，并且不连续的电流波形还可能导致射频干扰，且多台逆变器并网运行时，不同逆变器的频率偏移方向可能不一致，存在稀释效应导致孤岛检测失效，另外当本地负载呈容性时，因负载电压滞后于负载电流，对公共点电压的频率具有向下偏移的作用，与AFD法向上偏移电压频率的作用相互抵消，存在较大的NDZ；比起AFD来说，由于正反馈的作用，SFS法将导致逆变器输出在电网跳闸后出现更大的频率误差，得到比AFD更小的NDZ，且在多逆变器并联运行条件下，各逆变器间的影响比AFD法小，但缺点和AFD法一样，负载的性质对频率的偏移有影响，可能会减缓甚至抵消频率的变化，降低了孤岛检测的性能；SMS法检测效率很高，NDZ很小，检测效率不受多逆变器并联的影响，但是由于SMS法需要修正逆变器输出电流的相位，会影响输出电能质量。因此，各种主动式检测法都存在各自的优势与不足，仍需要加以改进。

然而随着并网发电系统规模的增大，多机并联运行时孤岛检测性能，成为一个关注热点。某些扰动方法虽然在单机并网条件下可有效检测出孤岛，但在多机并联情况下，逆变器之间的相互影响导致所进行的扰动不能同步进行，各个扰动量可能会因为相互抵消而产生稀释效应，使得检测效果不明显。因此，多机并联时孤岛检测的稀释效应，是值得研究的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种消除多台逆变器并联稀释效应的方法及孤岛检测方法，在利用相位扰动的孤岛检测方法上加以改进，找到一种基于锁相环的可使多台逆变器同步扰动并且易于提取扰动量的孤岛检测法，完善了孤岛检测方法。

本发明的目的是这样实现的：一种消除多台逆变器并联稀释效应的方法，其特征在于，利用锁相环，将其输出相位角过零点的时刻，作为多台并联逆变器在每个周期内扰动的起始位置，实现多台并联逆变器同步扰动，经过同步扰动后，使得公共点处的电压频率偏移的方向一致；且并联逆变器获取到的电压都来自同一条总线的公共点处，待锁相环收敛以后，获取到的扰动相位也相同，解决有关多台逆变器并联运行而产生的稀释效应问题

作为本发明的进一步限定，所述同步扰动的构建方法为：通过对无功电流I_q进行周期性的正弦扰动，控制无功电流I_q和有功电流I_d的比值，使电流与电压保持固定相位差，其次，固定一个正弦信号周期内的扰动时间和扰动步长，一个周期内的总扰动点数用M表示，M由n个小扰动周期组成，扰动步长为，M、n和N应满足如下关系：

M＝N*n(n、N为整数N)

其中，M取小于

的附近的整数，且为N整数倍，T_s为采样周期频率，公共点处电压频率变化范围f₁～f₂。

作为本发明的进一步限定，对无功电流I_q进行周期性的正弦扰动具体方法如下：

在第一阶段的扰动周期内以频率f₁'的正弦信号扰动无功电流I_q，扰动时间为一个周期，对应扰动点数为2N，在第二阶段的扰动周期内以频率为2f₁'的正弦信号扰动无功电流I_q，扰动时间为二个周期，对应扰动点数也为2N，N为频率为2f₁'的周期信号的每个周期的采样点数。

一种可消除逆变器并联稀释效应的相位扰动孤岛检测方法，所述孤岛检测方法为：对无功电流I_q进行周期性的正弦扰动过程中为提取较小的第一阶段的频率为f₁'的脉动信号，第二阶段的频率为2f₁'的脉动信号，生成频率为f₁'的标准正弦信号和余弦信号，分别与Δf作运算得

提取第一阶段f₁'正弦扰动幅值

同样，在第二阶段扰动周期2N内，扰动采样点数M范围为(2N,4N)，生成一个频率为f₁'的标准正弦信号和余弦信号，分别与Δf做运算得到

提取第二阶段f₁'正弦扰动幅值

即使在扰动的第一阶段刚好存在一个干扰信号的频率为f₁'，造成提取第一阶段f₁'正弦扰动幅值amp_Δf11增大，但由于第二阶段对无功电流进行正弦扰动的频率为2f₁'，用频率为f₁'的标准正弦信号和余弦信号提到的amp_Δf21较小；同理，提取到第一阶段和第二阶段2f₁'正弦扰动幅值分别为amp_Δf12和amp_Δf22，通过比较提取到的四个幅值amp_Δf11、amp_Δf21、amp_Δf12、amp_Δf22大小，如果在一个扰动周期内同时满足amp_Δf11＞amp_Δf21且amp_Δf12＜amp_Δf22，则说明发生孤岛。

本发明通过对主动式孤岛检测法原理、优缺点的全面分析，从一个新的角度研究一种可消除并联逆变器稀释效应的相位扰动孤岛检测方法；本发明基于锁相环，对无功电流I_q进行周期性正弦扰动，控制无功电流I_q和有功电流I_d的比值，使得电压电流存在恒定相位差，公共点处的电压频率f发生偏移；固定一个正弦信号周期内的扰动时间和扰动步长，且每个周期扰动的第一次，都是从锁相环输出相位角过零点这个时刻开始，在扰动第一阶段和第二阶段分别用不同频率的正弦信号对无功电流进行扰动，并提取这两个阶段不同频率的正弦信号幅值来进行判断是否存在孤岛。此方法利用锁相环解决有关多台逆变器并联运行而产生的稀释效应问题，易于提取扰动量，最后通过提取的四个幅值量大小，简单直观的判断是否存在孤岛效应，达到预期的效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)通过对无功电流I_q进行周期性正弦扰动，控制无功电流I_q和有功电流I_d的比值，I_q和I_d比值恒定，电压电流的相位差就恒定，从而使得公共点处的电压频率f发生偏移；

(2)基于锁相环，将其输出相位角过零点的时刻，作为多台并联逆变器在每个周期内扰动的起始位置，实现多台并联逆变器同步扰动；

(3)在扰动第一阶段和第二阶段分别用不同频率的正弦信号对无功电流进行扰动，并提取这两个阶段不同频率的正弦信号幅值来进行判断是否存在孤岛，减少了误判。

附图说明

图1为同步正弦扰动的输出频率波形图。

图2为公共点处电压频率和每个周期内采样点数变化的波形图。

图3为本发明具体实施方式的同步正弦相位扰动图。

图4为本发明具体实施方式的放大后的同步正弦相位扰动图。

图5为本发明具体实施方式的同步正弦相位扰动后的频率变化曲线图。

图6为本发明具体实施方式提取到的前后两个阶段不同频率的正弦信号幅值变化图；

图7为本发明具体实施方式提取到的前后两个阶段不同频率的正弦信号幅值变化图(负载为阻性)。

具体实施方式

下面结合具体实施例以及原理对本发明加以详细说明。

在没有与大电网脱离的情况下，并网运行时逆变器一般采用单位功率因数的控制方式，即电流与电压保持同相位；在孤岛发生时，将此时的总负载可看作RLC并联，而RLC负载上的电压和电流相位差由RLC负载的阻抗角φ_load决定；当RLC参数一定时，阻抗角由频率决定，即：

当φ_load不为0时，电流和电压的是不会同相位的，因此，逆变器会调整控制电压以希望达到功率因数为1，而此时功率因数由φ_load决定，而逆变器控制电压不能改变功率因数，实际控制的结果是输出频率发生变化；逆变器会不断地改变逆变器输出电流的频率，直至输出电流的角频率为RLC负载的谐振频率时，才能稳定下来，即

若阻抗为感性，电压频率将向上偏移，若阻抗为容性，电压频率将向下偏移，如果负载近似成阻性，电压频率几乎不发生改变，电流和电压的相位差也几乎保持不变；此时，如果谐振频率接近电网频率，且不采取扰动措施的话，孤岛检测就容易失败；如果通过扰动方式控制逆变器输出电压和电流的相位差，由阻抗角公式可知，逆变器输出频率将在谐振频率附近变化，根据此频率的变化就可以检测孤岛是否发生；要改变电流与电压的相位差，需要控制无功电流I_q和有功电流I_d的比值，便可实现并网电流相位的偏移，并网电流超前电网电压的相位差为θ＝arctan(I_q/I_d)，I_q和I_d比值恒定，电压电流的相位差就恒定，公共点处的电压频率f就会发生偏移，其关系可以表示为：

其中f₀为负载的谐振频率，Q_f为RLC并联负载的品质因数。

通常逆变器要求保持功率因数为1，无功电流I_q的设定值I_qset＝0，当采用正弦相位扰动时，I_q的设定值可以表示为

k_d为扰动幅值系数，ω_d为扰动角频率，

为扰动初相位；若有多台并网逆变器并联运行以后，不同逆变器的扰动初相位

可能不同，会导致扰动不同步，各个扰动量可能会使得频率偏移方向不一致，其作用会相互抵消而产生稀释效应。

为了解决多台逆变器并联运行产生的稀释效应问题，要求不同的逆变器的扰动

应该相同，通过锁相环可以获取到相同的扰动相位，因为每一台逆变器都是从公共点处获取到的相同的电压，锁相环收敛以后扰动相位是相等的，即虽然每个并联的逆变器之间无联系，但是他们之间算出来的正弦和余弦值是相同的，基于锁相环可以解决有关多台逆变器并联运行而产生的稀释效应问题，同步正弦扰动的输出频率波形图如图1所示。

从图1中可以看出，锁相环稳定后公共点电压频率f为电网额定频率f_g，0.2s大电网断开以后，I_q进行正弦扰动，引起f在谐振频率附近周期性变化，当f达到频率异常的阈值时，判断孤岛已经产生；这种方法虽然解决了多台逆变器并联运行产生的稀释效应问题，但因为交流信号非同步采样引起的频率误差会干扰扰动频率信号，可能导致误判；为提取频率扰动信号，首先需要计算没有扰动时的频率信号，即一个周期内的频率的平均值f_avg；设采样周期频率为T_s，不发生孤岛，频率为f_g，此时采样点数n₁＝T_s/f_g为整数，虽然可以保证选择的T_s是f_g的整数倍，却不能保证是f₀的整数倍，此时处在f₀处的周期采样点数T_s/f₀就不为整数，小数点的存在，会造成周期内的采样点数的偏差，比如前一个周期的采样点数为n₂，采样频率为T_s/n₂，后一个周期的采样点数为(n₂+1)，采样频率为T_s/(n₂+1)，虽然谐振频率还是f₀，但是T_s/n₂≠T_s/(n₂+1)≠f₀，这都是由于T_s/f₀不是整数倍引起的，而事实上f₀在变，T_s更无法做到既是f_g的整数倍，又是f₀的整数倍。虽然由于以上的原因导致的频率误差很微小，但是由相位的扰动引起的频率偏差也很微小，这样以来就无法判断偏差是相位扰动带来的还是由于谐振频率的变化引起的，给扰动量的提取带来麻烦；图2为在孤岛发生以后(f₀不是50Hz)，不对逆变器的无功电流施加扰动的情况下，公共点处电压频率和每个周期内采样点数变化的波形图。

为解决以上问题，需要在一个正弦信号周期内固定扰动时间，在扰动时间内固定n个小扰动周期，每个小周期的扰动步长为N，在固定的扰动步长内对无功电流I_q进行n次规律性正弦扰动，见图3及图4，I_q的设定值可以表示I_qset＝k_dI_dset sin2πf't，k_d是可以调节电流幅值大小的系数，电流幅值大小I_dset，扰动的频率为f'，扰动时间为t。按照以上方法，首先要确定一个周期内的总扰动点数M，假设采样周期频率为T_s，公共点处电压频率变化范围f₁～f₂，M取小于

的附近的整数，且为N整数倍，M＝N*n(n、N为整数)，AB段为总扰动时间，AC为正弦信号周期，不管在AC内扰动几次，都要保证AB＜AC，且每个周期扰动的第一次，都是从锁相环输出相位角过零点这个时刻开始，只要锁相环稳定了，所有的逆变器都是从同一时刻开始扰动，A点就是同步的位置，这样做的目的是为了避免多台并网逆变器并联运行以后，扰动的时刻不同导致频率偏移方向不一致，其作用会相互抵消而产生稀释效应，而每次扰动都从A点开始，使得所有并联的逆变器可以同步扰动，避免了以上问题的存在。因为锁相环都是从公共点处获取到的电压，并联逆变器测得的电压也是公共点处电压，通过这样的方法容易提取扰动量。此时，公共点处的电压频率在扰动后变为f，算出扰动时间段内频率平均值得到直流分量f_avg，得到Δf＝f-f_avg。由于在一个固定的扰动周期内对无功电流进行扰动的是频率为f'的正弦信号，从Δf的波形图可以看出扰动信号频率大致波形为正弦信号，因此，可通过在一个周期内扰动信号的正弦量的基础上提取的基波幅值来判断是否存在孤岛，但如果噪声中含有与此扰动频率相同的正弦信号，就会使得提取的幅值偏大，易造成误判，为了避免以上情况出现，在扰动第一阶段和第二阶段分别用不同频率的正弦信号对无功电流进行扰动，提取这两个阶段不同频率的正弦信号幅值来进行判断是否存在孤岛，这样可以减少误判，提高可靠性。具体做法如下：

在第一阶段的扰动周期内以频率f₁'的正弦信号扰动无功电流I_q，扰动时间为一个周期，对应扰动点数为2N，在第二阶段的扰动周期内以频率为2f₁'的正弦信号扰动无功电流I_q，扰动时间为二个周期，对应扰动点数也为2N，N为频率为2f₁'的周期信号的每个周期的采样点数。因此，在扰动周期的第一阶段主要包含频率为f₁'的正弦分量和噪声，在第二阶段主要包含频率为2f₁'的正弦分量和噪声。为了得到第一阶段f₁'正弦信号扰动幅值，在第一阶段扰动周期2N内(扰动采样点数M范围为(0,2N))，生成频率为f₁'的标准正弦信号和余弦信号，分别与Δf作运算得

提取第一阶段f₁'正弦扰动幅值

同样，在第二阶段扰动周期2N内(扰动采样点数M范围为(2N,4N))，生成一个频率为f₁'的标准正弦信号和余弦信号，分别与Δf做运算得到

提取第二阶段f₁'正弦扰动幅值

即使在扰动的第一阶段刚好存在一个干扰信号的频率为f₁'，造成amp_Δf11增大，但由于第二阶段对无功电流进行正弦扰动的频率为2f₁'，用频率为f₁'的标准正弦信号和余弦信号提取到的amp_Δf21仍然较小。同理，为了得到第二阶段2f₁'正弦信号扰动幅值，在第一阶段和第二阶段扰动周期2N内，分别生成频率为2f₁'的标准正弦信号和余弦信号，与Δf做运算，提取到第一阶段和第二阶段2f₁'正弦扰动幅值分别为

和

通过比较以上提取到四个幅值大小，如果在一个扰动周期内同时满足amp_Δf11＞amp_Δf21且amp_Δf12＜amp_Δf22，则说明发生孤岛，如图6所示。

在高品质因数或电阻性负载时，相位扰动引起的频率变化小，但依然可以通过以上规律来判断是否发生孤岛，如图7所示。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种可消除逆变器并联稀释效应的相位扰动孤岛检测方法，消除逆变器并联稀释效应的方法为：利用锁相环，将其输出相位角过零点的时刻，作为多台并联逆变器在每个周期内扰动的起始位置，实现多台并联逆变器同步扰动，经过同步扰动后，使得公共点处的电压频率偏移的方向一致；且并联逆变器获取到的电压都来自同一条总线的公共点处，待锁相环收敛以后，获取到的扰动相位也相同，解决有关多台逆变器并联运行而产生的稀释效应问题；

所述同步扰动的构建方法为：通过对无功电流I_q进行周期性的正弦扰动，控制无功电流I_q和有功电流I_d的比值，使电流与电压保持固定相位差，其次，扰动过程由两阶段组成，第一阶段扰动频率为f₁'，第二阶段扰动频率为2f₁'，一个周期内的总扰动点数用M表示，M由n个小扰动周期组成，设频率为2f₁'的周期信号的每个周期的采样点数为N，M、n和N应满足如下关系：

M＝N*n，n、N为整数；

其中，M取小于

的最大的整数，T_s为采样周期频率，公共点处电压频率变化范围f₁～f₂；

对无功电流I_q进行周期性的正弦扰动具体方法如下：

在第一阶段的扰动周期内以频率f₁'的正弦信号扰动无功电流I_q，扰动时间为一个周期，对应扰动点数为2N，在第二阶段的扰动周期内以频率为2f₁'的正弦信号扰动无功电流I_q，扰动时间为二个周期，对应扰动点数也为2N；

其特征在于，所述孤岛检测方法为：对无功电流I_q进行周期性的正弦扰动过程中为提取较小的第一阶段的频率为f₁'的脉动信号，第二阶段的频率为2f₁'的脉动信号，生成频率为f₁'的标准正弦信号和余弦信号，分别与Δf作运算得

其中，Δf＝f-f_avg，f为公共点处的电压频率在扰动后的频率，f_avg为根据扰动时间段内频率平均值算出得到的直流分量，提取第一阶段f₁'正弦扰动幅值

同样，在第二阶段扰动周期2N内，扰动采样点数M范围为(2N,4N)，生成一个频率为f₁'的标准正弦信号和余弦信号，分别与Δf做运算得到

提取第二阶段f₁'正弦扰动幅值

即使在扰动的第一阶段刚好存在一个干扰信号的频率为f₁'，造成提取第一阶段f₁'正弦扰动幅值amp_Δf11增大，但由于第二阶段对无功电流进行正弦扰动的频率为2f₁'，用频率为f₁'的标准正弦信号和余弦信号提到的amp_Δf21较小；同理，提取到第一阶段和第二阶段2f₁'正弦扰动幅值分别为amp_Δf12和amp_Δf22，通过比较提取到的四个幅值amp_Δf11、amp_Δf21、amp_Δf12、amp_Δf22大小，如果在一个扰动周期内同时满足amp_Δf11＞amp_Δf21且amp_Δf12＜amp_Δf22，则说明发生孤岛。

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