CN101123349A - 基于主动频率偏移的孤岛效应检测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

基于主动频率偏移的孤岛效应检测方法及其装置，涉及分布式新能源并网供电的测控方法及装置，尤其涉及一种基于主动频率偏移的孤岛效应检测方法及其装置。主要是以25个周波为一个大循环，在前15个周波中斩波率cf＝0，同时检测频率的变化趋势，对于频率的变化趋势属于频率有上升趋势的情形，在后10个周波中向电网频率中加入斩波率为cf的频率扰动，斩波率cf初始值cf_max为正值，对于频率的变化趋势属于频率有下降趋势的情形，同样在后10个周波中向电网频率中加入斩波率为cf的频率扰动，斩波率cf的初始值cf_min为负值。本发明不仅提高了检测出孤岛运行的概率，同时缩短检测时间，降低注入电网电流谐波。

Description

基于主动频率偏移的孤岛效应检测方法及其装置

技术领域

本发明涉及分布式新能源并网供电的测控方法及装置，尤其涉及一种基于主动频率偏移的孤岛效应检测方法及其装置。

背景技术

以新能源组成的分布式发电***越来越受关注，其中尤以风力、太阳能并网发电为代表。这是因为：(1)电力需求量与日俱增，而煤、石油等不可再生能源日渐枯竭，寻求替代能源迫在眉睫；(2)传统集中式、大规模的燃料发电带来的环境污染已经严重影响了社会生产和生活，绿色新能源有助于缓解环境压力；(3)由于风力、光伏发电等新能源具有分布广、密度低等地域特点，就地取材式的小容量、多分布式的并网发电比独立发电更具优势。近几年涌现的这种分布式电源与传统大电网同时为配网用户供电的方式产生了明显的经济效应，应用前景光明。

由于新能源最初产生的电能不稳定，目前多采用通过电力电子技术转化为稳定的直流，再经由逆变器获得同步交流的并网方式。与传统供电方式相比，此类分布式并网发电***出现了反向输送电能，电能质量及电网的安全性成为十分重要和突出的问题。其中，最主要的话题就是孤岛现象的检测和防止。

当前电力***的设计与建设没有考虑分散发电***的存在，若配网中某条线路发生故障，会依靠最近的继电保护装置来清除。一旦此配网中存在并网分布式发电***，分布式电源会继续向与大电网断开的配网供电，在一些特殊情况下形成独立的小型发电***。这种现象就称为“孤岛效应”。孤岛运行会给电网、用户、人身安全带来极大危害：(1)原本由于断路器断开后不应带电的线路仍然继续供电，线路维修工人很可能不知情地接触到线路而引起人身伤害；(2)没有大电网的支撑，分布式电源的电能质量得不到保证，直接损害用户的设备；(3)重合闸的广泛使用导致重合时，电压、相位不一致引起的不同期合闸，引发更大的事故，妨碍电网重新供电。

图1为包含分布式发电的电网大致框图。原本开关S3后只接入负载的母线1经由并网变压器及两个并网开关将分布式发电***引入传统电网，输送反向电能。以开关S3和母线2之间发生故障为例，继电保护跳开开关S3，则分布式电源与负载形成孤岛运行，极有可能对此小型***内的设备及人身安全造成极大危害。因此，要在最短时间内检测到孤岛运行，发出跳开并网开关S1或者并网开关S2的跳闸信号，维持***的安全运行。

首先介绍并网逆变***，为后述反孤岛方案的引入提供良好的硬件基础与平台。

图2为包含孤岛检测与控制***的并网分布式发电***工作框图。整个***大致由五部分组成。框图1代表了由供电能源、直流稳定控制***、稳定直流电压输出、逆变器、变压器并网开关构成的功率变换主回路；框图2代表本地负载；框图3代表待接入的公用电网；框图4代表跳闸控制用继电器；框图5代表反孤岛运行检测及控制模块，是整个***控制核心；框图6代表将控制***发出的PWM信号转换为可驱动框图1中逆变桥中开关器件关断与导通信号的驱动模块；

在本文中，以光伏发电作为反孤岛算法的应用特例，便于说明。框图1代表了将光伏所发直流电逆变为交流，与框图3中的电网并联向负载RLC电路提供电能。框图5包含了各种控制电路，反孤岛运行装置也是其中重要的一部分。

框图5是整个***核心，包括：霍尔传感器53，用以实时采集公共节点处的电压值；AD转换模块52，用以将霍尔传感器53采集到的模拟信号转化为可供数字芯片DSP处理的数字信号；DSP控制模块51，是核心中的核心，一方面实时接收来自AD转换模块52转换得到的关于公共节点处电压数字信号，另一方面，对采集信号进行处理，最终向继电器发出合适的控制信号同时向开关驱动模块6发出用以控制逆变器中开关器件关断与导通的PWM信号。

传统电压、频率参数测量在孤岛被动检测法中的应用

图5是整个***的简化图，代表本地负载的RLC并联电路通过公共结点a，经由变压器与逆变后的光伏发电***连接，同时连接断路器与大电网并联运行。整个***正常工作时，大电网可以看作是容量无穷大、电压稳定的理想电压源。公共结点a处的电压钳位于电网电压正常值上，光伏阵列输出的功率以电流形式向电网输送。本地负载RLC并联电路可以从光伏发电***以及大电网获得充足的电能，即：

P_load＝P_inv+ΔP(1)

Q_load＝Q_inv+ΔQ(2)

式中P_load、Q_load代表负载正常运行时所需要的有功、无功功率；P_inv、Q_inv代表光伏发电***通过逆变器输出的有功、无功功率；ΔP、ΔQ代表电网向负载RLC并联电路“补充”所需电能(ΔP、ΔQ可正可负，即电网功率实际流向可与图5所示同相或反相)。同时，RLC并联电路两端的电压及其频率与负载有功无功有如下所示关系：

$P_{\mathrm{load}}=\frac{V_a^2}{R}---\left(3\right)$

$Q_{\mathrm{load}}=V_a^2(\frac{1}{\mathrm{\ωL}}-\mathrm{\ωC})---\left(4\right)$

式中V_a代表公共结点a处的电压值，ω代表结点a处电压的角频率。联立公式(1)(2)(3)(4)可得：

$P_{\mathrm{load}}=P_{\mathrm{inv}}+\mathrm{\ΔP}=\frac{V_a^2}{R}---\left(5\right)$

$Q_{\mathrm{load}}=Q_{\mathrm{inv}}+\mathrm{\ΔQ}=V_a^2(\frac{1}{\mathrm{\ωL}}-\mathrm{\ωC})---\left(6\right)$

从公式(5)(6)看出，若电网由于故障导致其中有断路器断开时(如图5中的开关2断开)，负载获得的电能P_load′、Q_load′完全由光伏发电***提供，如式(7)(8)所示：

$P_{\mathrm{load}}^{\′}=P_{\mathrm{inv}}=\frac{V_a^{\′2}}{R}---\left(7\right)$

$Q_{\mathrm{load}}^{\′}=Q_{\mathrm{inv}}=V_a^{\′2}(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^{\′}L}-{\mathrm{\ω}}^{\′}C)---\left(8\right)$

式中V_a′、ω′分别代表此时a点电压及其频率。在绝大多数情况下，光伏发电***输出功率P_inv、Q_inv与负荷正常工组所需功率的需求P_load、Q_load相差极大(即所谓的不匹配)，导致公共结点处电压V_a、频率ω出现波动直至V_a′、ω′以达到P′_load＝P_inv，Q′_load＝Q_inv。由于光伏发电***的运行控制在单位功率因数上(输入电网的电流与电网电压同步)，即Q′_load＝Q_inv＝0。由(8)推得：

arg{R^-1+(jωL)^-1+jωC}^-1＝0(9)

即RLC并联电路工作频率漂移至负荷谐振频率 ${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{res}}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}\·$ 无论是V_a′还是漂移至负荷谐振频率的ω′，这种明显的电压和频率的变化均可使用过/欠电压(OVR/UVR)和过/欠频率(OFR/UFR)的被动法检测出来。

受上述最基本的原理启发，反孤岛运行的根本原则就是检测公共结点a处电压或者频率是否在正常的范围以内。虽然这种直接检测电压、频率的传统的被动法有高速性，不会对电网产生影响，但是随着技术的发展，并网光伏发电***的容量不断扩大，极有可能出现逆变器输出功率与负载需求匹配时会完全失效的情况。同时，由于负载的投入和切除，电网本身有可能出现电压、频率抖动，这种变化有可能引起误跳闸的情况。因此，反孤岛运行的主动法受到了更多的关注。

传统的主动频率偏移法(AFD)

主动频率偏移法，即AFD方法(Active Frequency Drift Method)，通过改变注入电网的电流频率，使得在孤岛运行时，电网电压的频率会不断地上升或下降，偏离公式(9)的谐振频率，直至超出允许范围。

1、AFD方法简介

图6a、图6b显示了50Hz的电网电压正弦波为参考的注入电网的电流i_PV波形。T_Vutil是电网电压的周期；T_iPV是输出电流的正弦部分的周期。零输出时间t_z与电网电压的半周期

之比称为斩波率cf(chopping fraction)。并网电流在电网电压过零点时与其同步，但随后cf使得输出电流提前(或滞后)电压。在整个大电网没有发生故障，即没有断路器跳开时，并入电网端的电压在大电网的钳位作用下始终与电网同步。虽然注入电网的电流略有畸变，但是每次在电网电压过零点时恢复电流与电网电压的同步，同时控制输出电流的畸变率在允许范围内，不会对电网电压产生影响。一旦发生孤岛运行，电压由输出电流与负载阻抗共同决定，提前或滞后到达零点。如此反复，配网侧电压频率不断上升或下降，最后由OFR/UFR检测出来，切除光伏发电***的运行。

根据傅立叶分析，这种注入电网电流高次谐波可忽略，认为V_a是i_PV基波函数。零输出使得输入电网的电流中，基波分量对于i_PV有一个相移，即i_PV的基波分量比i_PV提前t_z/2。因此，***发生孤岛运行时，与i_PV基波分量同步的V_a会提前

。若V_a与i_PV同步，则***频率肯定满足：

arg{R^-1+(jωL)^-1+jωC}^-1＝0.5ωt_z＝0.5πcf(10)

即当***负载满足(10)式时，V_a与i_PV就没有相位差了，***频率保持不变，进入检测盲区。

2、AFD方法缺点

并网发电逆变***发生孤岛运行时，AFD方法理论检测盲区要比基本的电压、频率检测法的检测盲区(Non-Detection Zone)小很多。但此法的检测盲区仍然需要进一步缩小以满足电网日益严苛的条件。

传统的AFD检测法可以通过增大cf的取值(由于cf可正可负，本方法中提及“增大cf取值”均指cf的绝对值)来减少检测盲区。但是，cf取值过大，注入电网的电流畸变会严重影响电能质量；而cf取值过小，与传统电压频率检测法相比就不能凸显方法的优越性。因此合理地选择cf的取值大小是此法的关键。

应用AFD方法时，如果***负载不满足(10)式，理论上***频率总可以偏移到正常工作范围以外，这一异常运行状况得以检测出来。但是，检测孤岛效应是有时间规定的，尤其是目前高速重合闸的使用，如果反孤岛速度过慢，在重合闸再次合上以前仍没有断开并网发电逆变***，极有可能对电网产生剧烈震荡，造成事故。这种情况在AFD方法中很可能出现。以本地负载呈感性为例，电压相位有超前电流的趋势，在发生孤岛运行以后，若不施加AFD，电压的频率会不断上升。但一旦应用AFD法后，cf取固定不变的负值，抵消了这种负载性质引起的电压频率变化趋势，减缓了电压频率浮动，反而会延误跳闸时间。反之亦然。

上述缺点表明，AFD方法为孤岛检测提供了良好的思路，但仍需要进一步的改进。

发明内容

针对传统电压、频率检测的被动法在源-负载匹配时检测盲区较大的缺陷，本发明提供一种基于主动频率偏移的孤岛效应检测方法及其装置，本发明不仅提高了检测出孤岛运行的概率，同时缩短检测时间，降低注入电网电流谐波。

本发明采用如下技术方案：

步骤1：以25个周波为一个大循环，在前15个周波中斩波率cf＝0，同时检测频率的变化趋势，对于频率的变化趋势属于频率有上升趋势的情形，在后10个周波中向电网频率中加入斩波率为cf的频率扰动，斩波率cf的初始值cf_max为正值，对于频率的变化趋势属于频率有下降趋势的情形，同样在后10个周波中向电网频率中加入斩波率为cf的频率扰动，斩波率cf的初始值cf_min为负值，

上述频率变化趋势的检测方法为：在每个大循环中的前15个周波内，使用并网逆变***的锁相电路检测出周波的频率值，设电压周波的初始频率为工频50Hz，比较检测到的第一个周波频率值与初始频率值的大小，如果第一个周波频率值大于初始频率值，则记录为1次上升趋势，反之，则记录为1次下降趋势，此后，比较检测到的当前周波频率值与前一次周波频率值的大小，如果当前周波频率值大于前一次周波频率值，则记录为1次上升趋势，反之，则记录为1次下降趋势，最后，比较上述15个周波内的上升趋势与下降趋势的次数多少，如果上升趋势的次数大于下降趋势的次数，则判为该大循环的变化趋势属于电压频率有上升趋势的情形，反之，则判为该大循环的变化趋势属于电压频率有下降趋势的情形；

步骤2：对电网电压频率进行监视，该监视方法为：由锁相PLL电路获取电网电压过零时的电网电压频率值f，将过零时的电网电压频率值f≤49.5Hz或过零时的电网电压频率值f≥50.5Hz的情形作为电网电压频率异常现象，如果在连续的5个周波出现电网电压频率异常现象，则判定为出现孤岛效应，发出跳闸信号。

本发明包括控制模块(51)，控制模块(51)的电压数字输入信号由霍尔传感器53实时采集公共节点处的电压值，再由AD转换模块(52)将霍尔传感器53采集到的模拟信号转化为电压数字信号，控制模块(51)根据其计算的结果发送并网开关指令，其特征在于控制模块(51)包括电网电压、频率计算模块(511)及反孤岛运行检测与控制模块(512)，电网电压、频率计算模块(511)用以对采集到的公共节点处的电压数字信号进行处理，以获取公共节点处电压幅值、电压频率的信息，电网电压、反孤岛运行检测与控制模块(512)包括频率监视模块5123、频率变化趋势检测模块5121及斩波率施加模块5122，上述频率计算模块(511)将电压信号处理后所得到的公共节点处的电压频率信息传输至频率变化趋势检测模块5121和斩波率施加模块5122，所述的频率变化趋势检测模块5121用于通过频率检测来确定25个周波大循环的前15个周波中的频率变化趋势；所述的斩波率施加模块5122根据频率变化趋势检测模块5121作出的频率变化趋势属于上升趋势时，在后10个周波中向电网频率中加入斩波率为cf的频率扰动且斩波率cf初始值cf_max为正值，反之，在后10个周波中向电网频率中加入斩波率为cf的频率扰动且斩波率cf初始值cf_min为负值；所述的频率监视模块5123用于监控电网，在连续的5个周波出现过零时的电网电压频率值f≤49.5Hz或过零时的电网电压频率值f≥50.5Hz的情形时，判定为出现孤岛效应，发出跳闸信号。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本方案在传统的主动频率偏移法基础上，采用了先检测电网电压频率变化趋势，再施加合理的斩波率的改进方法，不仅大大减少了检测盲区，还加快了检测速度，最大可能减少注入电网的电流谐波，降低主动法对电网产生的影响。

(1)本发明所述孤岛效应检测方法通过改变注入电流频率，在发生孤岛运行时可有效地改变负载两端电压的频率，即使在源-负载匹配的情况下也能迫使电压频率偏移正常范围，检测出异常运行情况，发出跳闸信号，避免了在源-负载匹配的情况下传统的通过检测电压频率范围检测孤岛效应是否发生的方法因电压频率未发生变化而失效的缺点。

(2)本发明所述孤岛效应检测方法通过先检测电网电压频率变化趋势，再施加合理的斩波率的改进方法，克服了传统的主动频率变化率方法因可能存在于负载性质与斩波率cf性质之间的矛盾而导致检测时间延长的缺点，本发明所述改进后的主动频率偏移法可尽快在重合闸重合以前检测出孤岛运行并断开开关，确保***运行安全。

(3)主动频率偏移法不可避免地存在着对电网的干扰，本发明所述孤岛效应检测方法结合了国际标准，在符合我国国情的前提下取尽可能大的cf值，减少检测盲区，加快检测速度，同时减少了对电网注入的谐波，降低对电网的影响。

附图说明

图1所示为分布式并网发电***框图；

图2为包括本发明所述新型孤岛检测与控制***在内的分布式并网发电***框图；

图3为图2中DSP控制模块51内部详细结构图；

图4为图3中反孤岛运行于检测模块512内部详细结构图；

图5为图2所示***的简化图；

图6a为表示在电网电压频率为50Hz情况下采用主动频率偏移法施加正的斩波率时向电网所注入电流i_PV的波形。

图6b表示在电网电压频率为50Hz情况下采用主动频率偏移法施加负的斩波率时向电网所注入电流i_PV的波形。

图7本发明所述孤岛检测与控制方法的流程图；

图8所示为图7中斩波率施加5122模块详细流程图；

图9为图7中频率监视模块5123详细流程图；

图10所示为斩波率cf取值与谐波含量THD之间的关系曲线图。

具体实施方式

实施例1

步骤1：以25个周波为一个大循环，在前15个周波中斩波率cf＝0，同时检测频率的变化趋势，对于频率的变化趋势属于频率有上升趋势的情形，在后10个周波中向电网频率中加入斩波率为cf的频率扰动，斩波率cf初始值cf_max为正值，对于频率的变化趋势属于频率有下降趋势的情形，同样在后10个周波中向电网频率中加入斩波率为cf的频率扰动，斩波率cf的初始值c_fmin为负值，

上述频率变化趋势的检测方法为：在每个大循环中的前15个周波内，使用并网逆变***的锁相电路检测出周波的频率值，设电压周波的初始频率为工频50Hz，比较检测到的第一个周波频率值与初始频率值的大小，如果第一个周波频率值大于初始频率值，则记录为1次上升趋势，反之，则记录为1次下降趋势，此后，比较检测到的当前周波频率值与前一次周波频率值的大小，如果当前周波频率值大于前一次周波频率值，则记录为1次上升趋势，反之，则记录为1次下降趋势，最后，比较上述15个周波内的上升趋势与下降趋势的次数多少，如果上升趋势的次数大于下降趋势的次数，则判为该大循环的变化趋势属于电压频率有上升趋势的情形，反之，则判为该大循环的变化趋势属于电压频率有下降趋势的情形；

步骤2：对电网电压频率进行监视，该监视方法为：由锁相PLL电路获取电网电压过零时的电网电压频率值f，将过零时的电网电压频率值f≤49.5Hz或过零时的电网电压频率值f≥50.5Hz的情形作为电网电压频率异常现象，如果在连续的5个周波出现电网电压频率异常现象，则判定为出现孤岛效应，发出跳闸信号。

频率扰动的实现方法为：

步骤1：使用锁相PLL电路检测出电网电压的相位信号θ＝ωt，

步骤2：当电网电压处于正半周(0≤θ≤π)时，由电网电压相位信号θ计算出施加了cf

以后对应并网电流的相位θ′＝(1+cf)×θ，如果θ′＜π，同步并网电流信号的相位为

θ′；如果θ′≥π，同步并网电流信号的相位为0，

步骤3：当检测电网电压处于负半周(π≤θ≤2π)时，由电网电压相位信号θ计算出施加了cf以后对应并网电流的相位θ′＝(1+cf)×(θ-π)，如果θ′＜π，同步并网电流信号的相位为2π-θ′，如果θ′≥π，同步并网电流信号的相位为0。

实施例2

包括控制模块51，控制模块51的电压数字输入信号由霍尔传感器53实时采集公共节点处的电压值，再由AD转换模块52将霍尔传感器53采集到的模拟信号转化为电压数字信号，控制模块51根据其计算的结果发送并网开关指令，其特征在于控制模块51包括电网电压、频率计算模块511及反孤岛运行检测与控制模块512，电网电压、频率计算模块511用以对采集到的公共节点处的电压数字信号进行处理，以获取公共节点处电压幅值、电压频率的信息，电网电压、反孤岛运行检测与控制模块512包括频率监视模块5123、频率变化趋势检测模块5121及斩波率施加模块5122，上述频率计算模块511将电压信号处理后所得到的公共节点处的电压频率信息传输至频率变化趋势检测模块5121和斩波率施加模块5122，所述的频率变化趋势检测模块5121用于通过频率检测来确定25个周波大循环的前15个周波中的频率变化趋势；所述的斩波率施加模块5122根据频率变化趋势检测模块5121作出的频率变化趋势属于上升趋势时，在后10个周波中向电网频率中加入斩波率为cf的频率扰动且斩波率cf的初始值cf_max为正值，反之，在后10个周波中向电网频率中加入斩波率为cf的频率扰动且斩波率cf初始值cf_min为负值；所述的频率监视模块5123用于监控电网，在连续的5个周波出现过零时的电网电压频率值f≤49.5Hz或过零时的电网电压频率值f≥50.5Hz的情形时，判定为出现孤岛效应，发出跳闸信号。。控制模块51可以采用数字信号处理芯片DSP来实现，控制模块51中的电网电压、频率计算模块(511)用以对采集到的公共节点处的电压数字信号进行处理，以获取公共节点处电压幅值、电压频率的信息；控制模块51中的反孤岛运行检测与控制模块(512)包括频率监视模块5123、频率变化趋势检测模块5121及斩波率施加模块5122，所述的频率监视模块5123用以监测公共节点处的频率，判断是否在正常范围内，在连续的5个周波出现过零时的电网电压频率值f≤49.5Hz或过零时的电网电压频率值f≥50.5Hz的情形时，判定为出现孤岛效应，发出跳闸信号；所述的频率变化趋势检测模块5121用于通过频率检测来确定25个周波大循环的前15个周波中的频率变化趋势；所述的斩波率施加模块5122根据频率变化趋势检测模块5121作出的频率变化趋势判断施加相应的斩波率：属于上升趋势时，在后10个周波中向电网频率中加入斩波率为cf的频率扰动且斩波率cf的初始值cf_max为正值，反之，在后10个周波中向电网频率中加入斩波率为cf的频率扰动且斩波率cf初始值cf_min为负值。

下面参照附图，对本发明作出更为详细地说明：

1.1.孤岛检测方案

1.1.1.检测频率变化趋势以确定斩波率取值

本发明方案中***运行时，首先由霍尔传感器模块53对公共节点处的电压进行采样，采样得到的模拟信号经过AD转换模块52进行数字转换，DSP控制模块接收经过转换后的电压信号，并对该数字信号进行处理，如图2所示。其中，孤岛检测的中心内容为：为克服AFD方法不足，本检测方法先判断频率的变化趋势确定加强相同趋势的cf正负号，再由国家相关标准允许的注入电网电流THD最大值选取最强cf值，周期性地施加cf。具体流程如图7～图9所示，说明如下。

1、频率检测

频率检测主要是监视逆变器并网电压的频率存在上升还是下降的趋势。频率检测以电网电压的25个周波(电网正常运行时，一个周波基本维持在0.02s)为一个循环周期。前15个周波为电压频率变化趋势检测期，后10个周波为斩波率cf施加期。在前15个周波(电压频率变化趋势检测期)内，反孤岛***检测电网电压频率有上升还是下降趋势，在后10个周波(斩波率cf施加期)内停止检测。

在前15个检测周波(电压频率变化趋势检测期)内，反孤岛方案不会改变逆变器输出电流的波形，保证电流与负载两侧检测到的电网电压以相同相位同步输出。同时，在这期间电压频率变化趋势得以确定。从第16个周波开始，停止对频率变化的检测。通过判断前15个周波电压频率上升或下降趋势，反孤岛***在后10个周波(斩波率cf施加期)中对电流施加合适的cf值，使得在发生孤岛运行的情况下加强频率变化的趋势，以最快的速度检测出孤岛运行。

具体频率变化趋势检测步骤如下所述：

步骤1：计数器min与max，用以累计电网频率在这15个周波内上升和下降次数。max代表

电网电压频率较上一周波上升的次数，min累计电网电压频率较上一周波下降的次数。

无论电网电压处于正常运行状态，还是逆变器处于孤岛运行，电压频率总会有波动。

以这两个计数器就可以表达出在这一段时间中***频率大致的变化趋势。

步骤2：电压频率变化趋势检测期开始时(即在第1个周波始)，min与max计数器复位为零。

预设一个频率寄存器PreF，记录了上一个电压周波的频率(如果是程序刚开始，则设为工频50Hz)。

步骤3：在一个周波结束时，使用并网逆变***的锁相电路检测出这一周波的频率值，与上一周波的频率PreF相比较。如果频率增大或不变，默认其有上升趋势，max计数器加1；同理，如果频率减小，表示其有下降趋势，min计数器加1。将此周波的电压频率值代替PreF中原有值，为下一周期的频率比较记录数值。

步骤4：在前15个周波中，重复步骤3。

步骤5：在第16到25周波内，停止对频率上升还是下降的检测，保持前述得到的min与max计数器值不变。但是PreF的电压频率更新不能停止。

在15个周波(电压频率变化趋势检测期)结束以后，后10个周波(斩波率cf施加期)内就停止对max与min的数值更新。此时，对max与min计数器进行比较。若max＞＝min，在15个周波中，电压频率上升的情况占大多数，可认为电压频率有上升的趋势；若反之，max＜min，可认为电压频率有下降的趋势。

这一部分的流程如图7所示。

从图7的流程图可以看出，虚线框所示就是5121模块功能，在前15个周波(电压频率变化趋势检测期)内的工作情况与上述检测步骤相对应。需要指出的是，框图5122所表示的是下文所要阐述的斩波率的施加，工作在后10个周波(斩波率cf施加期)内，在这里一并绘出，使整个流程起来更加明确。同时，框图5123中的频率监视***功能主要用以时时观测电压频率是否超出的正常工作的范围，如果发现运行异常，就会认为出现了孤岛运行，发出跳闸信号，将并网逆变器从电网中断开。这一功能也会在下文中详细阐述。框图51211和511分别代表变量PreF的赋值和利用数字锁相处理技术获得电网频率，这两个功能在整个频率检测循环大周期中的每一个电网电压周波都要进行。

2、斩波率cf施加

斩波率cf的施加本质上就是AFD方法的应用。为了克服传统的AFD方法一直施加固定的cf的缺陷，本方案只在后10个周波斩波率cf施加期内加入合适的斩波率。电网正常工作时，电压频率也有可能产生上下的浮动。但是无论在前15个周波中max与min的大小如何，在后10个周波内并网电流施加的cf正负如何，都不会对电网电压有大的影响，这种阶段性地而非持续对并网电流产生的畸变大大减少了对电网的平均谐波注入。若发生了孤岛运行，并网逆变器所带负载性质(感性或容性)，会引起电压频率上升或下降，这种趋势会由max、min计数器很明显地检测到。若max＞＝min，电压频率有上升的趋势，可默认为孤岛运行所带负载呈感性，对并网电流施加正cf值(cf_max)，每个周波内注入电网的电流如图6a所示，提前到达零点，加强频率增长趋势，加快孤岛检测速度。若max＜min，电压频率有下降的趋势，可认为孤岛运行所带负载呈容性，对并网电流施加负cf值(cf_min)，每个周波内注入电网的电流如图6b所示，滞后到达零点，加强频率减缓趋势，加快频率偏移出正常范围的速度。

频率变化趋势的检测决定了施加cf的正负号，而cf_max与cf_min具体值的确定需要依靠并网电流总畸变率(THD)来限制。虽然cf绝对值越大检测盲区越小，但是一味地增加cf的强度会造成注入电网电流的畸变率急速上升，给电网造成的谐波污染不容忽视。IEEE Std929-2000规定，注入电网电流的THD不能大于5％，这意味着cf的取值有一定的限制。

图10显示出了cf取值与THD之间的关系。在本方案的前级并网逆变电路中，并网实际存在电流纹波，即使cf＝0，也会向电网注入THD在2％左右的谐波。cf_max4.9％，对应THD4.97％；cf_min取-4.81％，对应THD4.9％。不同的电路条件，合适的cf取值也略有差别，一般cf_max取4.5％，cfmin取-4.5％左右都可行。当然，也可以通过实验得到不同的并网逆变电路类似图10cf与THD之间的关系曲线，确定在THD不超过5％的前提下cf_max与cf_min的选择。

具体cf施加步骤如下所述：

步骤1：比较max与min的取值。如果max＞＝min，取cf＝cf_max＝4.9％；如果max＜min，取cf＝cf_min＝-4.81。

步骤2：检测电网电压处于正半周时，使用锁相PLL电路检测出电网电压的相位信号θ＝ωt(其中0≤θ≤π)。

步骤3：由电网电压相位信号θ计算出施加了cf以后对应并网电流的相位θ′＝(1+cf)×θ。如果θ′＜π，输出i＝sin(θ′)作为并网电流同步信号；如果θ′≥π，输出0。

步骤4：检测电网电压处于负半周时，使用锁相PLL电路检测出电网电压的相位信号θ＝ωt(其中π≤θ≤2π)。

步骤5：由电网电压相位信号θ计算出施加了cf以后对应并网电流的相位θ′＝(1+cf)×(θ-π)。如果θ′＜π，输出i＝-sin(θ′)作为并网电流同步信号；如果θ′≥π，输出0。

步骤1～5就是在10个周波的斩波率cf施加期内每一个周波内都要进行的操作。此时输出的电流信号是以电网电压相位为基准，幅值为1的参考电流。cf取cf_max时，输出电流如图6a所示；cf取cf_min时，输出电流如图6b所示。在此基础上，根据光伏发电前级MPPT***计算得到的并网电流幅值就得到了完整的PWM输出电流控制目标。这一控制目标通过PWM控制即可实现。

cf施加步骤的流程图如图8所示。

3、频率监视***

上述反孤岛运行控制通过周期性地向电网施加干扰，使得在发生孤岛运行以后电压频率以最快的速度偏移至正常范围以外。正如图7所示，在整个以25个周波为一个大循环中，每一个周波都存在频率监视***(图7中的框图5123)，这个功能主要检测电网电压的频率是否在正常范围值以内。

IEEE Std 929-2000规定并网发电逆变***需要达到的技术指标，其中包括电网质量的要求、对非正常运行的检测时间、孤岛效应的检测时间等。但这一国际标准针对的是60Hz***，为了适应中国电力***，根据国家电力标准《电能质量电力***频率允许偏差》，本文改进了检测要求：当***电压频率连续5个周波漂移出49.5～50.5Hz范围时，控制***发出跳闸信号，断开逆变器与电网之间断路器，逆变器停止向电网供电。由于目前重合闸工作性能的提高，其重合时间大大缩短，传统的2秒内检测出孤岛检测已经不能满足要求了。因此，本方法控制算法在发生孤岛效应后0.5秒内检测出这一非正常运行状态，这就是为什么选取25个周波作为大循环周期的原因了，并且既有足够长的时间来判断频率变化趋势(15个周波)，也有足够多的时间来施加cf_max与cf_min(10个周波)。

频率监视步骤如下：

步骤1：设定一个计数器FrequencyCounter，初值为零。这个计数器用来记录电网电压频率不正常维持的周期数。

步骤2：检测电网电压是否过零。如果检测到过零(即上升、下降沿)，则由锁相PLL电路获取电网电压频率值f。

步骤3：如果f≤49.5Hz或者f≥50.5Hz，则表示电网电压频率异常，FrequencyCounter计数器加1：如果电压频率f恢复至正常状态，则FrequencyCounter计数器清零。

步骤4：如果FrequencyCounter不满足10，重复步骤2、3。一旦FrequencyCounter满10，即认为电网连续5个周波非正常，发生了孤岛运行，发出跳闸信号，如图1所示。这是由于FrequencyCounter在SineWave的上升、下降沿均技术，因此FrequencyCounter达到10而非5启动跳闸。

频率监视***步骤的流程图如图9所示：

2.实现实例

装置上电后首先通过锁相技术(PLL)获取电网电压的相位信息以决定并网电流的同步相位，同时根据前级最大功率跟踪(MPPT)功能获取并网电流的幅值，由相位与幅值确定合适的输出电流后与电网实现同步并网。逆变***与电网并联正常运行时，从波形图中可以看出孤岛检测方法对电网的影响很小，即使在出现cf不为零的周期中，检测得到注入电网的谐波也在许可范围以内，若***长时间工作时，平均注入电网的谐波会更小。在***运行到5秒的时候，故意断开电网与逆变***的连接，制造孤岛运行。此时，逆变器上还连接了若干负载。由于孤岛检测方法不断改变输出电流的频率，导致由其决定的负载两端的电压频率也逐渐偏离正常值，通常在0.2秒内就可以检测出这种异常情况，检测装置及时发出逆变器停止工作信号，断开逆变器与负载之间的连接，有效地防止了孤岛运行。

Claims (3)

1.一种基于主动频率偏移的孤岛效应检测方法，其特征在于：

步骤1：以25个周波为一个大循环，在前15个周波中斩波率cf＝0，同时检测频率的变化趋势，对于频率的变化趋势属于频率有上升趋势的情形，在后10个周波中向电网频率中加入斩波率为cf的频率扰动，斩波率cf初始值cf_max为正值，对于频率的变化趋势属于频率有下降趋势的情形，同样在后10个周波中向电网频率中加入斩波率为cf的频率扰动，斩波率cf初始值cf_min为负值，

上述频率变化趋势的检测方法为：在每个大循环中的前15个周波内，使用并网逆变***的锁相电路检测出周波的频率值，设电压周波的初始频率为工频50Hz，比较检测到的第一个周波频率值与初始频率值的大小，如果第一个周波频率值大于初始频率值，则记录为1次上升趋势，反之，则记录为1次下降趋势，此后，比较检测到的当前周波频率值与前一次周波频率值的大小，如果当前周波频率值大于前一次周波频率值，则记录为1次上升趋势，反之，则记录为1次下降趋势，最后，比较上述15个周波内的上升趋势与下降趋势的次数多少，如果上升趋势的次数大于下降趋势的次数，则判为该大循环的变化趋势属于电压频率有上升趋势的情形，反之，则判为该大循环的变化趋势属于电压频率有下降趋势的情形；

步骤2：对电网电压频率进行监视，该监视方法为：由锁相PLL电路获取电网电压过零时的电网电压频率值f，将过零时的电网电压频率值f≤49.5Hz或过零时的电网电压频率值f≥50.5Hz的情形作为电网电压频率异常现象，如果在连续的5个周波出现电网电压频率异常现象，则判定为出现孤岛效应，发出跳闸信号。

2.根据权利要求1所述的基于主动频率偏移的孤岛效应检测方法，其特征在于频率扰动的实现方法为：

步骤1：使用锁相PLL电路检测出电网电压的相位信号θ＝ωt，

步骤2：当电网电压处于正半周(0≤θ≤π)时，由电网电压相位信号θ计算出施加了cf以后对应并网电流的相位θ′＝(1+cf)×θ，如果θ′＜π，同步并网电流信号的相位为θ′；如果θ′≥π，同步并网电流信号的相位为0，

步骤3：当检测电网电压处于负半周(π≤θ≤2π)时，由电网电压相位信号θ计算出施加了cf以后对应并网电流的相位θ′＝(1+cf)×(θ-π)，如果θ′＜π，同步并网电流信号的相位为2π-θ′，如果θ′≥π，同步并网电流信号的相位为0。

3.一种实现权利要求1所述基于主动频率偏移的孤岛效应检测方法的装置，包括控制模块(51)，控制模块(51)的电压数字输入信号由霍尔传感器53实时采集公共节点处的电压值，再由AD转换模块(52)将霍尔传感器53采集到的模拟信号转化为电压数字信号，控制模块(51)根据其计算的结果发送并网开关指令，其特征在于控制模块(51)包括电网电压、频率计算模块(511)及反孤岛运行检测与控制模块(512)，电网电压、频率计算模块(511)用以对采集到的公共节点处的电压数字信号进行处理，以获取公共节点处电压幅值、电压频率的信息，电网电压、反孤岛运行检测与控制模块(512)包括频率监视模块5123、频率变化趋势检测模块5121及斩波率施加模块5122，上述频率计算模块(511)将电压信号处理后所得到的公共节点处的电压频率信息传输至频率变化趋势检测模块5121和斩波率施加模块5122，所述的频率变化趋势检测模块5121用于通过频率检测来确定25个周波大循环的前15个周波中的频率变化趋势；所述的斩波率施加模块5122根据频率变化趋势检测模块5121作出的频率变化趋势属于上升趋势时，在后10个周波中向电网频率中加入斩波率为cf的频率扰动且斩波率cf初始值cf_max为正值，反之，在后10个周波中向电网频率中加入斩波率为cf的频率扰动且斩波率cf初始值cf_min为负值；所述的频率监视模块5123用于监控电网，在连续的5个周波出现过零时的电网电压频率值f≤49.5Hz或过零时的电网电压频率值f≥50.5Hz的情形时，判定为出现孤岛效应，发出跳闸信号。

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