CN101257209B - 光伏并网发电***的孤岛运行检测方法 - Google Patents

Abstract

一种光伏并网发电***的孤岛运行检测方法，包括：控制装置实时检测并网点的电压的频率，判断并网点电压的频率是否达到频率保护的阈值，若达到，输出启动防孤岛保护信号；否则，通过双重正反馈主动频率偏移法计算并网电流指令的频率信号，并输出该频率信号；所述双重正反馈主动频率偏移方法是，将获得的并网点的电压的频率相对于平均频率的偏移作为第一正反馈，并将频率偏移的变化趋势作为第二正反馈，调节第一正反馈的反馈放大系数。其实现了孤岛快速检测，仿真和实验结果，孤岛检测时间分别缩短为0.10s、0.13s，并网电流的谐波畸变率THD分别为2.06％、2.97％，在孤岛检测速度和降低对电网的干扰方面，都明显优于传统方法。

Description

光伏并网发电***的孤岛运行检测方法

技术领域

本发明属于光伏发电和光伏并网发电技术领域，具体是一种光伏并网发电***的孤岛运行检测方法。

背景技术

能源已经成为国际社会共同关注的重大问题，太阳能等新能源由于其可再生和清洁等特点越来越受到重视，而光伏并网发电又是大规模利用太阳能的一种重要形式。光伏并网发电***(以下简称为PV***)通过并网逆变器将太阳能电池发出的直流电转换成波形良好的交流电，直接向电网供电，不需要诸如蓄电池之类的储能装置，***的建设和维护成本低、转换效率和可靠性高。

随着PV***的不断增加，对其应对各种异常状况的保护措施的要求也越来越高，其中需要考虑一种特殊的非正常运行情况即孤岛运行现象。孤岛运行现象是指PV***在电气上与大电网断开后，仍然继续为此时与之相连的局部区域负荷供电的情况。在图1所示的光伏并网发电***中，当开关S闭合时，***并网运行；当开关S断开时，***孤岛运行。如果发生孤岛后不能及时地将其检测出、并停止该PV***的运行，可能会造成如下危害：

·威胁维修供电线路人员的安全。

·造成电网保护电路不能正常工作，影响电网的重合闸。

·供电线路恢复时，由于PV***在负载上产生的电压幅值和相位很可能与电网不一致，造成环流而损坏相关的电气设施。

·单相PV***继续供电，从而造成电网中三相负载缺相供电。

因此，要求PV***能及时地检测出是否发生孤岛运行现象，并在发生孤岛时停止供电，电网公司及并网标准均要求相关的并网发电控制器产品拥有防孤岛的功能，IEEE Std.929-2000提出了一个标准的测试过程。

防孤岛运行的重点和难点在于对孤岛的检测，可在以下几个方面对孤岛检测方法的性能进行比较：

1.并网运行时的稳定性，没有误动作；

2.检测速度，标准要求在孤岛发生后的2秒内检测出孤岛并关闭并网发电***；

3.软件和硬件成本；

4.对多台并联PV***的适用性；

5.对***的干扰，尽量减小并网电流的谐波畸变率(THD)。

孤岛检测技术常可分成被动式和主动式两类。被动式检测技术一般是监测电网状态，如电压、频率，作为判断电网是否故障的依据。常用的被动式检测方法有过电压、欠电压、过频及欠频，一旦并网点的电压、频率超出正常范围，判断电网发生故障，保护电路将停止PV***的运行。被动式检测的优点是不需要外加扰动，因此不会影响电能质量。但其缺点是当控制器的输出功率与负载功率保持平衡时，电网切断后***电压和频率并不出现明显变化，无法检测出孤岛运行现象。

主动检测法则是由并网逆变器定时向电网注入干扰信号，检测***受扰动后的响应，判断电网是否已被切断。常用的主动检测法有电网阻抗检测法和主动频率偏移法(Active Frequency Drift：AFD)。

电网阻抗检测法通过向并网电流中注入扰动，检测对应的电压响应来计算电网阻抗，当电网阻抗发生突变时，判断出现孤岛运行现象。其缺点是在多台并联PV***中不够可靠，因为各PV***的输出扰动难以同步。

AFD法通过控制软件实现，其并网电流指令i^* _grid的频率f_i以式f_i(i)＝f_PCC(i-1)±Δf₀确定，在实时检测获得的并网点电压v_PCC的频率f_PCC上加入一个恒定的偏移量Δf₀，作为并网电流指令i^* _grid的频率f_i，形成对***频率的扰动。

参照图2，正常并网运行时，v_PCC被电网电压钳位，f_PCC等于电网频率，不会累积偏移；在发生孤岛的情况下，v_PCC没有了电网电压的支撑，其频率会受到并网电流的影响，从而输出电流的频率扰动Δf₀的效应会逐渐累积，在一段时间后f_PCC会达到频率保护的阈值，即可判断***出现孤岛运行现象。此方法的优点在于对多台并联PV***的检测效果好，缺点是给并网电流引入较大的谐波。仿真结果表明，在保证通过IEEE929测试的前提下，AFD法会使并网电流的THD增加约3％。

为了解决AFD法存在的对***扰动大的问题，学者们提出了主动频率偏移正反馈法(Active Frequency Drift with Positive Feedback：AFDPF)，通过正反馈改变频率偏移量，加速并网电流频率的偏移。线性AFDPF法的频率偏移量算法如下式：Δf(i)＝Δf₀+k×[f_PCC(i-1)-f_grid0]，其流程图见图3。

其中，i表示第i个控制周期，k为反馈放大系数，f_grid0为电网频率。线性AFDPF法的算法比较简单，THD的增量为0.5％左右(仿真结果)。但由于电网频率并不总是常数，将其设为f_grid0会带来额外干扰。另外，频率双向偏移，在多台并联PV***中的检测效果有待进一步验证。

平方AFDPF法的频率偏移量算法如下式：

Δf(i)＝Δf₀+k×[f_PCC(i-1)-f_grid0]²

其流程图见图4，由于频率单向偏移，能适用于多台并联PV***，仿真结果引入THD的增量约为0.4％。

发明内容

鉴于现有光伏并网发电***中孤岛运行状态检测技术存在的上述欠缺，本发明提供一种光伏并网发电***的孤岛运行检测方法，采用双重正反馈方式来进一步加速并网电流的频率的偏移速度，实现***中孤岛运行状态的快速检测，降低对电网的干扰。

本发明的光伏并网发电***的孤岛运行检测方法是这样实现的。它包括以下步骤：

控制装置实时检测并网点的电压的频率，判断并网点的电压的频率是否达到频率保护的阈值，若达到，输出启动防孤岛保护信号；

若并网点的电压的频率没有达到频率保护的阈值，通过双重正反馈主动频率偏移方法计算并网电流指令的频率信号，并输出该频率信号；所述双重正反馈主动频率偏移方法是，将获得的并网点的电压的频率相对于平均频率的偏移作为第一正反馈，并将频率偏移的变化趋势作为第二正反馈，调节第一正反馈的反馈放大系数，当频率偏移减小时，令该反馈放大系数为一设定常数，当频率偏移增大时，使该反馈放大系数增大，以进一步加速并网电流频率的偏移速度。

在实际***中，本发明可以选择以频率f的倒数-周期时间T(T＝1/f)作为调节变量，当并网点的电压过零时，控制装置计算并网点电压的周期T(i-1)，并判断并网点的电压的频率是否达到频率保护的阈值，若达到，输出启动防孤岛保护信号；

若并网点的电压的频率没有达到频率保护的阈值，按下式①确定并网电流指令i^* _grid在第i个周期的周期时间T_i(i)，并输出相应的并网电流指令的频率信号，

T_i(i)＝T(i-1)+[K(i)]^m|T(i-1)-

(i)|ⁿ.....................①

其中，T(i-1)表示通过DPLL或过零检测获得的并网点的电压V_PCC在第i-1个周期的周期时间，K(i)为反馈放大系数，

(i)表示在第i个周期之前的N个周期的平均周期时间；

指数m＝1～3，指数n＝1～3，

平均周期

(i)按下式②计算，

$\stackrel{\‾}{T}\left(i\right)=\frac{1}{N}\underset{j=i-N}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}T\left(j\right)...$ ②

频率偏移趋势变量dT按下式③计算，

dT＝|T(i-1)-T(i)|-|

(i-2)-

(i-1)|..................③

反馈放大系数K(i)根据式③频率偏移趋势变量dT来选择，当dT≤0时，令K(i)＝K₀，当dT＞0时，表示频率偏移增大，增大反馈放大系数，使K(i)＝K(i-1)+K₀，进一步加快频率偏移速度。

根据式①，i^* _grid的周期时间的偏差为ΔT(i)＝[K(i)]^m|T(i-1)-

(i)|ⁿ，在正常并网运行状态，K(i)和|T(i-1)-

(i)|都很小，所以对电能质量的影响不大。一旦发生孤岛运行现象，两者都会通过正反馈增大，Ti迅速增至欠频保护阈值，关停PV***。

上述指数m、n取值按照电网的频率稳定性来选取，若电网频率很稳定，如电网频率偏差小于正负0.1Hz，n可大于m；若电网频率偏差大于等于正负0.1Hz，n可小于m。

上述反馈放大系数K(i)的设定常数K_o为0.1～1，反馈放大系数K(i)的初始值为K_o。

本发明采用双重正反馈主动频率偏移方法(Active Frequency Drift withDouble Positive Feedback：AFDDPF)来检测光伏并网发电***中的孤岛运行状态，其将并网点的电压的频率相对于平均频率的偏移作为第一正反馈，调节并网电流的频率；并将频率偏移的变化趋势作为第二正反馈，调节第一正反馈的放大系数，进一步加速并网电流频率的偏移速度，实现孤岛运行的快速检测。

仿真和实验结果，孤岛检测时间缩短，检测时间分别为0.10s、0.13s，并网电流的谐波畸变率THD分别为2.06％、2.97％，本发明无论是在孤岛检测速度，还是在降低对电网的干扰方面，都明显优于传统方法。

附图说明

图1为光伏并网发电***的基本结构图；

图2为传统的主动频率偏移法流程图；

图3为传统的线性正反馈主动频率偏移法流程图；

图4为传统的平方正反馈主动频率偏移法流程图；

图5为本发明孤岛运行检测方法的流程图；

图6实现本发明孤岛运行检测方法的一实施例***结构示意图；

图7a-d为孤岛发生后并网点电压、并网电流及并网点电压频率的仿真波形；

图8a-d为孤岛发生后并网点电压、并网电流及并网点电压频率的实验波形。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的进一步说明。

本发明的方法适用于数字式并网逆变控制***，逆变器并网端口的电压过零检测硬件电路等加上相应的软件程序即能容易地实现。其核心技术是采用双重正反馈主动频率偏移方式(AFDDPF)来实现孤岛运行状态的快速检测。

图6为实现本发明方法的一实施例***结构示意图。***采用常规的单级+工频变压器结构的并网逆变器，控制装置采用HD64F7047芯片，HD64F7047芯片承担所有任务，包括孤岛检测、并网电流指令生成、输出电流波形调制等等。为了保证实验的可重复性，用直流稳压电源代替太阳能电池V_dc。

***主要参数如下：

额定功率：    P_rated＝1.5kW

直流母线电压：V_dc＝240V

并网电抗器：  L_grid＝6mH

变压器变比：  N＝1∶2

开关频率：    f＝15kHz

电网电压：    V_grid＝220V_rms

电网频率：    f_grid＝50Hz

反馈常数：    K₀＝0.5

指数：        m＝1，n＝2

局部区域负载满足IEEE Std.929-2000的要求。并联于变压器次级的电感L和电容C的谐振频率与电网频率f_grid(50Hz)相符，L为48.9mH，C为207F。有功功率由电阻R决定，R取40Ω。无功功率与有功功率的比值2.5。频率保护的上、下阈值分别为50.5Hz和49.5Hz。

其电压检测电路对并网点交流电压进行采样；过零检测电路检测电压检测电路的输出信号的过零点，生成相对应的同步信号；

孤岛检测程序根据此同步信号计算并网点电压的频率，判断是否发生孤岛现象，如果是，关闭驱动输出；否则，计算并网电流指令的频率；

并网电流指令生成程序根据上述同步信号和并网电流指令的频率，确定并网电流指令的瞬时值；

电流检测电路对实际并网电流进行采样；直流电压电路对直流母线电压进行采样；并网电流波形控制程序根据并网电流偏差、直流电压瞬时值及交流电压瞬时值确定PWM信号，获取与指令一致的正弦波形；驱动电路将PWM信号隔离和放大，驱动IGBT，向并网电流中注入扰动信号。

上述并网电流指令生成、并网电流波形控制等可采用常规方式实现，而孤岛运行状态的检测采用了本发明双重正反馈主动频率偏移方式。

参照流程图5，HD64F7047芯片首先运行并网点电压过零判断程序，当并网点的电压v_PCC过零时，计算并网点电压的周期T(i-1)，并判断并网点的电压频率f_PCC是否达到频率保护的阈值？若达到，输出启动防孤岛保护信号；

否则，按式

计算平均周期

(i)，

按式dT＝|T(i-1)-

(i)|-|T(i-2)-

(i-1)|计算周期偏移趋势dT；

根据dT值判断频率偏移的变化趋势，当dT≤0时，则令K(i)＝K₀，当dT＞0频率偏移增大时，增大反馈放大系数，使K(i)＝K(i-1)+K₀，进一步加快频率偏移速度；

进而，按式T_i(i)＝T(i-1)+[K(i)]^m|T(i-1)-

(i)|ⁿ确定并网电流指令i^* _grid的周期，并输出相应的并网电流指令的频率信号。

其中，指数m＝1，指数n＝2，设定常数K_o取0.5。

通过计算机仿真和实验，参照图7-8，比较无防孤岛功能和采用线性AFDPF法、平方AFDPF法及本发明的AFDDPF法的***响应特性，图7a-d为孤岛发生后并网点电压、并网电流及并网点电压频率的仿真波形，图8a-d为孤岛发生后并网点电压、并网电流及并网点电压频率的实验波形，仿真和实验结果见性能比较数据表1。

表1所示的性能比较数据表明，本发明无论是在孤岛检测速度，还是在降低对电网的干扰方面，都明显优于其它方法。

表1

Claims (4)

1.一种光伏并网发电***的孤岛运行检测方法，其特征是包括以下步骤：

控制装置实时检测并网点的电压的频率，判断并网点的电压的频率是否达到频率保护的阈值，若达到，输出启动防孤岛保护信号；

若并网点的电压的频率没有达到频率保护的阈值，通过双重正反馈主动频率偏移方法计算并网电流指令的频率信号，并输出该频率信号；所述双重正反馈主动频率偏移方法是，将获得的并网点的电压的频率相对于平均频率的偏移作为第一正反馈，并将频率偏移的变化趋势作为第二正反馈，调节第一正反馈的反馈放大系数，当频率偏移减小时，令该反馈放大系数为一设定常数，当频率偏移增大时，使该反馈放大系数增大，以进一步加速并网电流频率的偏移速度。

2.根据权利要求1的光伏并网发电***的孤岛运行检测方法，其特征是：

该检测方法以频率的倒数一周期时间作为调节变量，当并网点的电压过零时，控制装置计算并网点的电压的周期T(i-1)，并判断并网点的电压的频率是否达到频率保护的阈值，若达到，输出启动防孤岛保护信号；

若并网点的电压的频率没有达到频率保护的阈值，按式T_i(i)＝T(i-1)+[K(i)]^m|T(i-1)-

(i)|ⁿ计算并网电流指令i^* _grid在第i个周期的周期时间T_i(i)，并输出相应并网电流指令的频率信号；

其中，T(i-1)表示测得的并网点的电压V_PCC在第i-1个周期的周期时间，K(i)为反馈放大系数，

(i)表示在第i个周期之前的N个周期的平均周期时间；

指数m＝1～3，指数n＝1～3，

平均周期

(i)按式

计算，

频率偏移趋势变量dT按式dT＝|T(i-1)-

(i)|-|T(i-2)-

(i-1)|计算，

反馈放大系数K(i)根据频率偏移趋势变量dT来选择，当dT≤0时，令K(i)＝K₀，当dT＞0时，表示频率偏移增大，增大反馈放大系数，使K(i)＝K(i-1)+K₀，进一步加快频率偏移速度，其中K₀为反馈放大系数K(i)的设定常数。

3.根据权利要求2的光伏并网发电***的孤岛运行检测方法，其特征是：所述指数m、n取值按照电网的频率稳定性来选取，若电网频率偏差小于正负0.1Hz，n＞m；若电网频率偏差大于等于正负0.1Hz，n＜m。

4.根据权利要求2或3的光伏并网发电***的孤岛运行检测方法，其特征是：所述反馈放大系数K(i)的设定常数K_o为0.1～1，反馈放大系数K(i)的初始值为K_o。

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