CN104865458A - 逆变装置及孤岛运转的检测方法 - Google Patents

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CN104865458A CN201510039854.5A CN201510039854A CN104865458A CN 104865458 A CN104865458 A CN 104865458A CN 201510039854 A CN201510039854 A CN 201510039854A CN 104865458 A CN104865458 A CN 104865458A
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Abstract

本发明提供一种逆变装置及孤岛运转的检测方法。所述逆变装置包括逆变电路以及控制电路；逆变电路与电网并接，其中逆变电路接收直流输入电源，并且将直流输入电源转换为交流输出电压与交流输出电流；控制电路耦接逆变电路；控制电路用以控制逆变电路的电源转换，其中控制电路以预设时间间隔产生扰动信号来扰动逆变电路所产生的交流输出电流，并且检测交流输出电压的频率是否位于预设频率范围内，藉以决定是否启用孤岛保护机制。

Description

逆变装置及孤岛运转的检测方法
技术领域
本发明是有关于一种电源转换技术，且特别是有关于一种逆变装置及孤岛运转的检测方法。
背景技术
为了降低石化能源的消耗率，现今的电力***积极的发展再生能源的应用。在现有的应用中，并网式的交流配电***即是现今电力***发展的主流趋势，所述并网式的交流配电***可利用太阳能发电与风力发电等再生能源发电作为小型的分散式电源***，所述分散式电源***会与电网并接，藉以共同供电给后端的负载装置使用。
然而，此类交流配电***现有且无可避免的问题是分散式电源***时常会产生孤岛运转的现象。更具体地说，在此类交流配电***下，电网会在供电发生异常或在进行维护时，断开与分散式电源***的逆变装置和后端的负载装置之间的连接，从而隔离于交流配电***外。此时，若逆变装置并未检测到电网已经隔离于交流配电***之外，而持续地单独对负载装置供电，则此现象一般称之为孤岛运转。在孤岛运转的情形下，由于分散式电源***所提供的电源相对不稳定，如此便可能会造成负载装置损坏。
发明内容
本发明提供一种逆变装置及孤岛运转的检测方法，其可精确地检测出逆变装置是否发生孤岛运转的情形。
本发明的逆变装置包括逆变电路以及控制电路。逆变电路与电网并接，其中逆变电路接收直流输入电源，并且将直流输入电源转换为交流输出电压与交流输出电流。控制电路耦接逆变电路，用以控制逆变电路的电源转换，其中控制电路以预设时间间隔产生扰动信号来扰动逆变电路所产生的交流输出电流，并且检测交流输出电压的频率是否位于预设频率范围内，藉以决定是否启用孤岛保护机制。
在本发明一实施例中，控制电路依据交流输出电压的电压零点周期来判断交流输出电压的频率是否位于预设频率范围内。
在本发明一实施例中，交流输出电流的电流周期受控于扰动信号而变动；当电网正常运作并且与逆变电路并接时，电压零点周期不受电流周期的变动所影响，以及当电网发生异常并且与逆变电路断开时，电压零点周期随电流周期的变动而改变。
在本发明一实施例中，逆变电路反应于扰动信号的产生而调整其电源转换行为，藉以缩短或延长电流周期。
在本发明一实施例中，逆变电路反应于扰动信号的产生而停止电源转换，藉以缩短电流周期。
在本发明一实施例中，控制电路包括零电压检测单元、频率检测单元、保护单元以及驱动控制单元。零电压检测单元耦接逆变电路的输出端，用以检测交流输出电压的零电压时间点。频率检测单元耦接零电压检测单元，用以依据交流输出电压的零电压时间点计算电压零点周期。保护单元耦接频率检测单元，用以依据电压零点周期判断交流输出电压的频率是否位于预设频率范围，并且在交流输出电压的频率非位于预设频率范围内时发出保护信号。驱动控制单元耦接保护单元，用以依据保护信号启用孤岛保护机制，藉以控制逆变电路的运作。
本发明的孤岛运转的检测方法适用于交流配电***，其中交流配电***包括逆变装置与电网，逆变装置与电网相互并接，检测方法包括以下步骤：通过逆变装置接收直流输入电源；通过逆变装置将直流输入电源转换为交流输出电压与交流输出电流；以预设时间间隔产生扰动信号来扰动逆变装置所产生的交流输出电流；检测交流输出电压的频率是否位于预设频率范围内；以及当交流输出电压的频率非位于预设频率范围内时，判定逆变装置发生孤岛运转现象。
在本发明一实施例中，检测交流输出电压的频率是否位于预设频率范围的步骤包括：检测交流输出电压的零电压时间点；依据交流输出电压的零电压时间点计算电压零点周期；以及依据电压零点周期来判断交流输出电压的频率是否位于预设频率范围内。
在本发明一实施例中，以预设时间间隔产生扰动信号来扰动逆变装置所产生的交流输出电流的步骤包括：令逆变电路反应于扰动信号调整其电源转换行为，藉以缩短或延长电流周期。
在本发明一实施例中，令逆变电路反应于扰动信号调整其电源转换行为，藉以缩短或延长电流周期的步骤包括：令逆变电路反应于扰动信号停止电源转换，藉以缩短电流周期。
在本发明一实施例中，所述的孤岛运转的检测方法还包括以下步骤：当判定逆变装置发生孤岛运转现象时，启用孤岛保护机制。
基于上述，本发明实施例提出一种逆变装置及孤岛运转的检测方法。所述逆变装置可通过周期性地扰动交流输出电流，再检测交流输出电压是否随之变动的方式来判断逆变装置是否发生孤岛运转的情形，藉以精确地在孤岛运转发生时立即启用孤岛保护机制以避免后端的负载装置发生损坏。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明一实施例的交流配电***及逆变装置的示意图；
图2为本发明一实施例的孤岛运转的检测方法的步骤流程图；
图3为本发明一实施例的控制电路的功能方块示意图；
图4A为本发明一实施例的交流输出电压的电压波形示意图；
图4B为本发明一实施例的交流输出电压的电压波形示意图。
附图标记说明：
10：交流配电***；
100：逆变装置；
110：逆变电路；
120：控制电路；
122：零电压检测单元；
124：频率检测单元；
126：保护单元；
128：驱动控制单元；
DCin：直流输入电源；
EG：电网；
IAC：交流输出电流；
LD：负载装置；
pz、p1、p1’：电压零点周期；
S210～S260：步骤；
Sc：控制信号；
Sd：扰动信号；
Sp：保护信号；
tz、t2、td：零电压时间点；
t0、t1：时间点；
VAC：交流输出电压；
WF1、WF2：电压波形。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易明了，以下特举实施例作为本发明的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤，代表相同或类似部件。
图1为本发明一实施例的交流配电***及逆变装置的示意图。请参照图1，本实施例的逆变装置100可应用于交流配电***10中。在本实施例的交流配电***10中，逆变装置100的输入端耦接光伏组件(photovoltaic module，未示出)、风力发电组件或水力发电组件等直流电源产生装置(例如再生能源发电组件)，并且逆变装置100的输出端与电网EG并接。其中，逆变装置100与前端的再生能源发电组件可视为一分散式电源***。在图1中，虽仅示出一个分散式电源***为例，但本发明不仅限于此。在实际应用中，交流配电***10也可包含有多个并接的分散式电源***。
逆变装置100可从前端的光伏组件接收直流输入电源DCin，并且将所接收的直流输入电源DCin转换为交流输出电压VAC与交流输出电流IAC。具体而言，逆变装置100包括逆变电路110以及控制电路120。逆变电路110接收直流输入电源DCin，并且用以将直流输入电源转换为交流输出电压VAC与交流输出电流IAC。其中，所述逆变电路110的电路组态可例如为半桥非对称式、半桥对称式、全桥式或其他可行的逆变电路组态，本发明不对此加以限制。
控制电路120耦接逆变电路110，用以控制逆变电路110的电源转换，所述控制信号Sc可例如为用以控制逆变电路110的切换周期的一脉宽调制信号(PWM signal)，但本发明不以此为限。
在本实施例的交流配电***10中，逆变装置100与前端的再生能源发电组件可视为一个分散式电源***，其与电网EG和/或其他分散式电源***(未示出)并联，以共同供电给负载装置LD使用。其中，为了令逆变装置100能够准确地检测到孤岛运转的情形发生，进而执行相应的孤岛保护机制，逆变装置100会通过周期性地扰动所输出的交流输出电流IAC，再检测交流输出电压VAC的方式，以根据交流输出电压VAC的变化来判断是否发生孤岛运转。具体的孤岛运转检测方法如图2所示。其中，图2为本发明一实施例的孤岛运转的检测方法的步骤流程图。
请同时参照图1与图2，在本实施例中，首先，逆变电路110会接收直流输入电源DCin(步骤S210)，再将直流输入电源DCin转换为交流输出电压VAC与交流输出电流IAC(步骤S220)。接着，控制电路120会以一预设时间间隔产生扰动信号来调整控制信号Sc，藉以扰动逆变电路110所产生的交流输出电流IAC(步骤S230)，并且进一步检测逆变电路110所输出的交流输出电压VAC的频率是否位于预设频率范围(步骤S240)内。
当控制电路120检测到交流输出电压VAC的频率仍位于预设频率范围内时，代表此时交流输出电压VAC仍受到电网EG的电压所箝制，而并未因应电流的扰动发生频率变化，因此控制电路120会判定逆变装置100当前并未发生孤岛运转(步骤S250)，即电网EG此时应处于正常运作的状态并且与逆变电路110并接。
相反地，当控制电路120检测到交流输出电压VAC的频率已经超出预设频率范围外时，代表此时交流输出电压VAC已不受电网EG的电压所箝制，而是受到电流的扰动发生频率变化，因此控制电路120会判定逆变装置100发生孤岛运转(步骤S260)，即电网EG此时已经隔离在交流配电***10之外。
在检测到逆变装置100是否发生孤岛运转的情形后，控制电路120即可据以决定是否启用孤岛保护机制来控制逆变电路110的运作，从而避免后端的负载装置LD损坏。举例来说，逆变电路110可包括保护电驿(Relay)(未示出)。当控制电路120判定发生孤岛运转并启用孤岛保护机制时，控制电路120会触发保护电驿，藉以令逆变装置100与交流配电***10的其他部分解联(例如:负载装置LD)，藉以避免孤岛运转的情形持续发生。
详细而言，控制电路120可例如在每40个交流输出电压VAC周期中产生4次扰动信号(不仅限于此，可依设计者需求自行调整)来扰动所输出的控制信号Sc，使得逆变电路110反应于控制信号Sc而令所产生的交流输出电流IAC的电流周期随之发生变动。更具体地说，逆变电路110可反应于扰动信号的产生而调整其电源转换行为，藉以缩短或延长交流输出电流IAC的电流周期。例如：逆变电路110可反应于扰动信号的产生而停止电源转换，藉以令交流输出电流IAC的电流周期被缩短。
当电网EG正常运作并且与逆变电路110并接时(即，未发生孤岛运转时)，交流输出电压VAC的电压零点周期会被电网EG所输出的电压箝制在特定的频率上(例如为60Hz)，而不会受到交流输出电流IAC的电流周期的变动所影响。反之，当电网EG发生异常并且与逆变电路110断开时，交流输出电压VAC的电压零点周期因少了电网电压的箝制而会随着电流周期的变动而跟着变动。
通过此一特性，控制电路120即可利用检测交流输出电压VAC的电压零点周期来判断交流输出电压VAC的频率是否位于预设频率范围内，藉以准确地判断出逆变装置100是否发生孤岛运转。
下面以图3所示出的具体架构范例与图4A和图4B所示出的交流输出电压VAC的电压波形来说明控制电路120如何实现上述的孤岛运转检测机制。其中，图3为本发明一实施例的控制电路的功能方块示意图。图4A为本发明一实施例的交流输出电压的电压波形示意图。图4B为本发明一实施例的交流输出电压的电压波形示意图。
请同时参照图3与图4A，在本实施例中，控制电路120包括零电压检测单元122、频率检测单元124、保护单元126以及驱动控制单元128。零电压检测单元122耦接逆变电路110的输出端，用以检测交流输出电压VAC的零电压时间点tz。其中，零电压时间点tz例如为图4A及图4B中的零电压时间点t2与td。
频率检测单元124耦接零电压检测单元122，用以依据交流输出电压VAC的零电压时间点tz计算电压零点周期pz。其中电压零点周期pz例如为图4A及图4B中的电压零点周期p1与p1’。
保护单元126耦接频率检测单元124以接收频率检测单元124所计算出的电压零点周期pz。在本实施例中，保护单元126会判断电压零点周期pz是否位于预设频率范围内，再根据判断的结果发出保护信号Sp给驱动控制单元128。其中，当保护单元126依据所接收到的电压零点周期pz判定交流输出电压VAC的频率位于预设频率范围外时，驱动控制单元128会依据保护信号Sp调整其所输出的控制信号Sc，藉以启用孤岛保护机制。
就控制电路120整体的控制行为而言，首先，驱动控制单元128在未产生扰动信号Sd时，驱动控制单元128会产生控制信号Sc以控制逆变电路正常地运作。此时，逆变电路110所产生的交流输出电压VAC基本上会具有电压零点周期为p1的电压波形。
在达到预设时间间隔时，驱动控制单元128会产生扰动信号Sd以扰动控制信号Sc。其中，逆变电路110会反应于受到扰动的控制信号Sc而在零电压时间点td-t2的期间停止电源转换。若此时并未发生孤岛运转的情形，请参阅图4A，则虽然交流输出电流IAC在零电压时间点td被设定为0A，但由于交流输出电压VAC的波形会被电网电压所箝制，使得交流输出电压VAC在零电压时间点td-t2的期间内的电压波形WF1维持为原先的弦波形式，逐渐从负电压朝向零电压变化。在此情形下，零电压检测单元122会检测到交流输出电压VAC的零电压时间点为t2，藉以令频率检测单元124据以计算出电压零点周期为p1。因此，保护单元126会依据电压零点周期p1判定交流输出电压VAC的频率位于预设频率范围内，使得驱动控制单元128不启用孤岛保护机制。
另一方面，若此时逆变装置100发生孤岛运转的情形，请参阅图4B，则交流输出电压VAC会反应于逆变电路110在零电压时间点td-t2的停止运作(交流输出电流IAC被设定为0A)，而呈现电压值在零电压时间点td瞬间被下拉至零电压的电压波形WF2。在此情形下，零电压检测单元122会检测到交流输出电压VAC的零电压时间点为td，藉以令频率检测单元124据以计算出电压零点周期p1’。因此，保护单元126会依据电压零点周期p1’判定交流输出电压VAC的频率位于预设频率范围外，使得驱动控制单元128反应于保护信号Sp而启用孤岛保护机制。
综上所述，本发明实施例提出一种逆变装置及孤岛运转的检测方法。所述逆变装置可通过周期性地扰动交流输出电流，再检测交流输出电压是否随之变动的方式来判断逆变装置是否发生孤岛运转的情形，藉以精确地在孤岛运转发生时立即启用孤岛保护机制以避免后端的负载装置发生损坏。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种逆变装置，其特征在于，包括：
逆变电路，与电网并接，其中该逆变电路接收直流输入电源，并且将该直流输入电源转换为交流输出电压与交流输出电流；以及
控制电路，耦接该逆变电路，用以控制该逆变电路的电源转换，其中该控制电路以预设时间间隔产生扰动信号来扰动该逆变电路所产生的该交流输出电流，并且检测该交流输出电压的频率是否位于预设频率范围内，藉以决定是否启用孤岛保护机制。
2.根据权利要求1所述的逆变装置，其特征在于，该控制电路依据该交流输出电压的电压零点周期来判断该交流输出电压的频率是否位于该预设频率范围内。
3.根据权利要求2所述的逆变装置，其特征在于，该交流输出电流的电流周期受控于该扰动信号而变动；当该电网正常运作并且与该逆变电路并接时，该电压零点周期不受该电流周期的变动所影响，以及当该电网发生异常并且与该逆变电路断开时，该电压零点周期随该电流周期的变动而改变。
4.根据权利要求3所述的逆变装置，其特征在于，该逆变电路反应于该扰动信号的产生而调整其电源转换行为，藉以缩短或延长该电流周期。
5.根据权利要求4所述的逆变装置，其特征在于，该逆变电路反应于该扰动信号的产生而停止电源转换，藉以缩短该电流周期。
6.根据权利要求1所述的逆变装置，其特征在于，该控制电路包括：
零电压检测单元，耦接该逆变电路的输出端，用以检测该交流输出电压的零电压时间点；
频率检测单元，耦接该零电压检测单元，用以依据该交流输出电压的零电压时间点计算电压零点周期；
保护单元，耦接该频率检测单元，用以依据该电压零点周期判断该交流输出电压的频率是否位于该预设频率范围，并且在该交流输出电压的频率非位于该预设频率范围内时发出保护信号；以及
驱动控制单元，耦接该保护单元，用以依据该保护信号启用该孤岛保护机制，藉以控制该逆变电路的运作。
7.一种孤岛运转的检测方法，适用于交流配电***，其特征在于，该交 流配电***包括逆变装置与电网，该逆变装置与该电网相互并接，该检测方法包括：
通过该逆变装置接收直流输入电源；
通过该逆变装置将该直流输入电源转换为交流输出电压与交流输出电流；
以预设时间间隔产生扰动信号来扰动该逆变装置所产生的该交流输出电流；
检测该交流输出电压的频率是否位于预设频率范围内；以及
当该交流输出电压的频率非位于该预设频率范围内时，判定该逆变装置发生孤岛运转现象。
8.根据权利要求7所述的孤岛运转的检测方法，其特征在于，检测该交流输出电压的频率是否位于该预设频率范围的步骤包括：
检测该交流输出电压的零电压时间点；
依据该交流输出电压的零电压时间点计算电压零点周期；以及
依据该电压零点周期来判断该交流输出电压的频率是否位于该预设频率范围内。
9.根据权利要求8所述的孤岛运转的检测方法，其特征在于，该交流输出电流的电流周期受控于该扰动信号而变动；当该电网正常运作并且与该逆变电路并接时，该电压零点周期不受该电流周期的变动所影响，以及当该电网发生异常并且与该逆变电路断开时，该电压零点周期随该电流周期的变动而改变。
10.根据权利要求9所述的孤岛运转的检测方法，其特征在于，以该预设时间间隔产生该扰动信号来扰动该逆变装置所产生的该交流输出电流的步骤包括：
令该逆变电路反应于该扰动信号调整其电源转换行为，藉以缩短或延长该电流周期。
11.根据权利要求10所述的孤岛运转的检测方法，其特征在于，令该逆变电路反应于该扰动信号调整其电源转换行为，藉以缩短或延长该电流周期的步骤包括：
令该逆变电路反应于该扰动信号停止电源转换，藉以缩短该电流周期。
12.根据权利要求1所述的孤岛运转的检测方法，其特征在于，还包括：当判定该逆变装置发生该孤岛运转现象时，启用孤岛保护机制。
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