CN111756066B - 光伏直流变换器的运行控制与孤岛检测方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光伏直流变换器的运行控制与孤岛检测方法和***，包括：步骤1：直流变换器采用电压外环与电流内环的双闭环控制方式，实现光伏发电最大功率跟踪控制；步骤2：在电压参考值上或电流参考值上，叠加外界小扰动正弦信号；步骤3：采样直流母线电压信号；步骤4：将直流母线电压信号经过带通滤波器与反馈增益，形成反馈扰动量；步骤5：将反馈扰动量叠加到外界小扰动正弦信号上，与原电压或电流参考值叠加形成新的电压或电流参考值；步骤6：将新的电压或电流参考值用于电压或电流控制；步骤7：检测直流母线电压，当扰动偏离预设运行范围时，判定直流配电网处于孤岛状态。本发明提高了的电能质量与运行效率。

Description

光伏直流变换器的运行控制与孤岛检测方法和***

技术领域

本发明涉及光伏并网发电与电力电子***控制技术领域，具体地，涉及一种光伏直流变换器的运行控制与孤岛检测方法和***。尤其地，涉及一种基于扰动反馈的中低压直流***中分布式光伏直流变换器的运行控制与孤岛检测方法。

背景技术

太阳能因具有资源分布广泛、转化利用便捷等优势，已成为当前可再生能源开发的主要对象，而光伏发电则是太阳能资源规模化开发利用的主要形式。因地制宜，推动各类形式光伏发电的研发与建设，促进光伏产业技术革新与健康发展，已成为我国新能源领域重大战略需求。

目前，分布式光伏等新能源发电大多接入中低压交流配电网。但是，在电源侧以光伏发电、储能电池为代表的分布式能源得到日益广泛的应用；与此同时，在负荷侧以直流家用电器、固态照明、电子设备、电动汽车、直流数据中心为代表的新形式直流型负载大量涌现。若沿用传统交流供配电***，势必引入大量交直流电能变换环节。若采用图1所示的含分布式能源接入的中低压直流***，理论上可减少从电源到负荷之间的交直流变换环节，有效降低电能损耗，提升供电质量与供电可靠性，实现电能高效利用。同时，随着电力电子技术不断发展，DC-DC变换器造价的降低，耐压值、过流量等性能的提高，为中低压直流***的工程应用进一步扫清障碍。在直流源、直流负荷与电力电子技术的共同推动下，中低压直流***已受到越来越广泛的关注，成为智能电网未来发展的重要方向和关键组成部分。近年来，国内外诸多研究机构已经针对中低压直流***进行研究并取得系列前瞻性成果。

但是，随着分布式能源广泛接入配电网，孤岛问题日益突出。所谓孤岛效应，是指当电网供电因故障事故或停电维修而跳脱时，各个用户端的分布式并网发电***(光伏发电、风力发电、储能电池等)未能及时检测出电网停电状态并将自身切离市电网，从而形成由分布式发电***和周围负荷组成的自给供电的独立***。一般来说，孤岛效应可能对整个配电***设备及用户端的设备造成不利的影响，包括：危害电力维修人员的生命安全；影响配电***上的保护开关动作程序；对用电设备带来破坏；当供电恢复时造成的产生浪涌电流，可能会引起再次跳闸或对光伏***、负载和供电***带来损坏。由此可见，反孤岛技术是配电网发展的关键技术之一，安全可靠的并网发电装置必须能及时检测出孤岛效应并避免所带来的危害。

反孤岛策略主要被分为三类：被动式、主动式与实时通信式。以交流配电***为例，主动式方法(例如欠过电压/频率(UOV/UOF)、频率变换率(ROCOF)等)只是简单地监测相关电气量(电压或电流的幅值、频率与相位)的波动。孤岛发生时，如果这些电气量如果超过预先设定值，则会触发保护装置动作，切除分布式电源。被动式检测方法实现较为简单，但是当分布式电源发出的功率与本地负荷匹配时，相关电气量在孤岛前后并没有显著变化，造成保护装置不动作，难以及时实现孤岛检测。主动式方法(例如主动频移法、谐波注入法等)在分布式发电装置中注入小扰动。孤岛发生时，这些小扰动会造成***不稳定运行，使相应电气量超过预先设定值，触发保护装置动作，切除分布式电源。即使在分布式电源发出的功率与本地负荷匹配时也可以完成孤岛检测，因而具有更小的检测盲区。实时通信式则通过配电网中各设备之间的通信信号完成各个分布式电源的快速切除，该类方法几乎没有检测盲区但具有较高的实现成本。

但是，中低压直流***的反孤岛策略，尤其是主动式方法，尚缺乏充分研究与理想成果。由于直流***不存在频率、无功等参数，只能通过电压或电流的幅值信息来实现孤岛检测，实现方法较为困难。文献“A New DC Anti-Islanding Technique of ElectrolyticCapacitor-Less Photovoltaic Interface in DC Distribution Systems”提出了一种基于电流扰动的光伏直流变换器反孤岛策略，在光伏变换器输出侧加入周期性电流扰动，孤岛发生后，该扰动可以驱使PCC点的电压幅值超过预先设定值，触发保护装置动作，从而实现孤岛检测。但是，该方法会较大程度地降低***正常运行时的电能质量。文献“Assessment and Performance Comparison of Positive Feedback IslandingDetection Methods in DC Distribution Systems”提出了基于正反馈的直流***反孤岛策略，在变换器控制器的功率外环控制或电流内环控制中加入扰动，该扰动正比于PCC点电压的偏移量。该正反馈方法对***电能质量的影响较小，但是其孤岛检测速度在很大程度上会受到分布式电源于本地负荷功率大小关系的影响。

此外，光伏、风电等新能源发电在正常运行时会遵循最大功率跟踪(MPPT)控制，这需要各个分布式新能源接口变换器实现输入侧控制。但是现有的中低压直流***反孤岛策略均体现在变换器输出侧，没有考虑到光伏等新能源发电特有的运行控制特点。

以图2所示的典型***为技术场景，本发明对该控制方案进行原理阐述，并通过仿真模拟下的实施案例证实其有效性。

专利文献CN109217337A(申请号：201811201999.0)公开了一种四端直流配电网的孤岛检测和稳定控制方法，包括步骤：1)基于开关状态组合的孤岛检测主判据；2)基于无流-压差复合的孤岛检测辅助判据；3)基于直流变压器和储能协同控制的孤岛稳定控制。本发明将基于开关状态组合的主判据和基于无流-压差复合的辅助判据相结合，对四端直流配电网的孤岛进行检测，并设计成孤岛检测器；当孤岛检测器检测到孤岛后，对T3的直流变压器和储能进行控制方式的切换，实现孤岛的稳定控制，从而维持整个孤岛电网的稳定运行。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种光伏直流变换器的运行控制与孤岛检测方法和***。

根据本发明提供的光伏直流变换器的运行控制与孤岛检测方法，包括：

步骤1：光伏阵列经过直流变换器接入到直流配电网中，直流变换器采用电压外环与电流内环的双闭环控制方式进行光伏发电最大功率跟踪控制；

步骤2：获取直流变换器的电压外环控制的电压参考值或电流内环控制的电流参考值；在电压参考值上或电流参考值上，叠加外界小扰动正弦信号；

步骤3：采样直流配电网中的直流母线电压信号；

步骤4：将采样的直流母线电压信号经过带通滤波器与反馈增益，形成反馈扰动量；

步骤5：将反馈扰动量叠加到外界小扰动正弦信号上，与原有电压或电流参考值叠加形成新的电压或电流参考值；

步骤6：将新的电压或电流参考值用于外环电压或内环电流控制；

步骤7：检测直流母线电压，当稳态值在预设运行范围时，判定直流配电网处于孤岛状态，实现孤岛检测。

优选的，采集光伏阵列电压与电流信息，根据MPPT算法计算出光伏阵列的电压参考值；

外环电压控制：电压参考值与光伏阵列电压反馈值相减，经过外环补偿器得到光伏阵列输入电流参考值；

内环电流控制：电流参考值与电感电流反馈值相减，经过内环补偿器与PWM发生器产生占空比的开关信号控制开关。

优选的，外界小扰动正弦信号包括两个分量：

--外部施加的频率为ω₀的周期性正弦分量；

--由PCC点电压经过中心频率为ω₀的经过带通滤波器与反馈增益后得到的反馈量。

优选的，计算电流电压稳态值，公式为：

I_g＝0,U_o＝U_g,

其中，I_g表示由PCC母线流向电网侧电流的稳态值；U_g表示电网侧电压；U_o表示PCC母线电压稳态值；U_in表示直流变换器输入侧电压稳态值；I_in表示电感电流稳态值；R表示PCC母线上阻性负载；D表示直流变换器开关管占空比稳态值。

优选的，分布式光伏直流变换器并网运行时，小扰动正弦信号求得为：

其中，s表示拉普拉斯算子；R_p表示光伏阵列等效并联阻抗；C_in表示直流变换器输入电容；L表示直流变换器输入电感；C表示PCC母线等效电容；R_g表示网侧线路等效电阻；L_g表示网侧线路等效电感；表示流经光伏阵列等效并联阻抗的电流小扰动量；/>表示流经直流变换器输入电容的电流小扰动量；/>表示直流变换器输入电流小扰动量；/>表示直流变换器输入电压小扰动量；/>表示PCC母线电压小扰动量；/>表示直流变换器占空比小扰动量；/>表示网侧电流小扰动量；

联立式，得到：

其中，a₀，a₁，a₂表示系数，且有：

在式中，G_{iin_uin}(s)为直流变换器输入电流到输入电压的传递函数，G_{uin_uo}(s)为直流变换器输入电压到输出电压的传递函数。

优选的，分布式光伏直流变换器孤岛运行时，小扰动正弦信号求得为：

联立式，得到：

其中，c₀，c₁，c₂，d₀，d₁表示系数，且有：

在式中，G_{iin_uin}(s)为直流变换器输入电流到输入电压的传递函数，G_{uin_uo}(s)为直流变换器输入电压到输出电压的传递函数。

根据本发明提供的光伏直流变换器的运行控制与孤岛检测***，包括：

模块M1：光伏阵列经过直流变换器接入到直流配电网中，直流变换器采用电压外环与电流内环的双闭环控制方式进行光伏发电最大功率跟踪控制；

模块M2：获取直流变换器的电压外环控制的电压参考值或电流内环控制的电流参考值；在电压参考值上或电流参考值上，叠加外界小扰动正弦信号；

模块M3：采样直流配电网中的直流母线电压信号；

模块M4：将采样的直流母线电压信号经过带通滤波器与反馈增益，形成反馈扰动量；

模块M5：将反馈扰动量叠加到外界小扰动正弦信号上，与原有电压或电流参考值叠加形成新的电压或电流参考值；

模块M6：将新的电压或电流参考值用于外环电压或内环电流控制；

模块M7：检测直流母线电压，当稳态值在预设运行范围时，判定直流配电网处于孤岛状态，实现孤岛检测。

优选的，采集光伏阵列电压与电流信息，根据MPPT算法计算出光伏阵列的电压参考值；

外环电压控制：电压参考值与光伏阵列电压反馈值相减，经过外环补偿器得到光伏阵列输入电流参考值；

内环电流控制：电流参考值与电感电流反馈值相减，经过内环补偿器与PWM发生器产生占空比的开关信号控制开关。

优选的，外界小扰动正弦信号包括两个分量：

--外部施加的频率为ω₀的周期性正弦分量；

--由PCC点电压经过中心频率为ω₀的经过带通滤波器与反馈增益后得到的反馈量。

优选的，计算电流电压稳态值，公式为：

I_g＝0,U_o＝U_g,

其中，I_g表示由PCC母线流向电网侧电流的稳态值；U_g表示电网侧电压；U_o表示PCC母线电压稳态值；U_in表示直流变换器输入侧电压稳态值；I_in表示电感电流稳态值；R表示PCC母线上阻性负载；D表示直流变换器开关管占空比稳态值。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明在中低压直流***正常运行时，分布式光伏发电处于最大功率跟踪状态，满足新能源发电自身特性；

2、本发明具有较小的检测盲区，即使在分布式电源发出的功率与本地负荷相匹配时，亦能快速准确地实现孤岛状态检测，具有较小的检测盲区与较快的检测速度，不依赖变换器功率与本地负荷大小关系；

3、本发明所提反孤岛控制方法对中低压直流***电能质量影响较小；

4、本发明可实现中低压直流***中分布式光伏直流变换器的主动式孤岛检测，不需要在中低压直流***各变换器间引入通信；

5、本发明充分考虑光伏等新能源发电自身特点，分布式光伏直流变换器在并网情况下处于最大功率运行模式，***具有较高的电能质量与运行效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为含有分布式能源接入的中低压直流***概念示意图；

图2为分布式光伏接入中低压直流***模型图；

图3为光伏直流变换器控制框图；

图4为本发明提出的基于扰动反馈的主动式反孤岛控制策略图；4(a)为电压外环扰动实现方法1示意图；4(b)为电流内环扰动实现方法2示意图；

图5为并网情况下PCC点电压根轨迹示意图；5(a)为实现方法1示意图；5(b)为实现方法2示意图；

图6为PCC母线电容与分布式直流变换器位置对最大反馈增益的影响示意图；6(a)为实现方法1示意图；6(b)为实现方法2示意图；

图7为实现方法1并网与孤岛情况示意图；7(a)为实现方法1PCC点电压情况示意图；7(b)为实现方法1直流变换器输入电压情况示意图；7(c)为实现方法1直流变换器输入电流情况示意图；7(d)为实现方法1光伏阵列功率情况示意图；

图8为实现方法2并网与孤岛情况示意图；8(a)为实现方法2PCC点电压情况示意图；8(b)为实现方法2直流变换器输入电压情况示意图；8(c)为实现方法2直流变换器输入电流情况示意图；8(d)为实现方法2光伏阵列功率情况示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

根据本发明提供的面向中低压直流***中光伏直流变换器的主动式反孤岛控制策略。分布式电源一般需通过接口变换器接入中低压直流***，以分布式光伏为例，***模型如图2所示。其中，光伏阵列PV经过Boost变换器与中低压直流***相连，在正常运行时实现最大功率跟踪控制。光伏阵列PV用电流源i_pv与并联电阻R_p来表示；电容C表示Boost变换器输出电容与PCC母线等效电容；电阻R表示PCC母线处的本地负荷，这里选用阻性负载是因为阻性负载具有最大的检测盲区；CB表示电网侧的断路器；阻抗Z_g(由电阻R_g和电抗L_g组成)和表示PCC点与电网间的线路阻抗。电压Ug表示电网电压值。

一、***运行原理与小信号模型

根据新能源发电的固有特征，在***正常运行时，光伏直流变换器需要送出尽可能多的的功率，其输出功率一部分被PCC点的本地负荷消耗掉，剩余功率则通过线路流向电网。***正常运行时，光伏直流变换器(Boost变换器)的控制框图如图3所示。其中MPPT算法通过采集到的光伏阵列电压与电流信息，计算出光伏阵列的电压参考值，随后经过外环电压与内环电流双闭环控制。具体控制过程描述如下：

MPPT算法通过采集到的光伏阵列电压u_pv与电流i_pv信息，计算出光伏阵列的电压参考值

外环电压控制：电压参考值与Boost变换器输入电压(即光伏阵列电压)反馈值u_in相减，经过外环补偿器G_v(s)得到Boost变换器输入电流参考值/>

内环电流控制：电流参考值与Boost输入电流(即电感L电流)反馈值i_in相减，经过内环补偿器G_i(s)与PWM发生器产生一定占空比的开关信号来控制开关S。

主动式孤岛检测方法的好处在与其较小的检测盲区，因此选择最坏情况进行说明，即光伏直流变换器(Boost变换器)的输出功率等于PCC点上负荷R消耗的功率，此时电网侧不提供功率。根据图2所示模型，可以得到此场景下的***稳态工作点：

I_g＝0,U_o＝U_g,

情况1：分布式光伏直流变换器并网运行

在并网情况下(CB闭合)，***小信号模型可由图2求得如下：

其中，s表示拉普拉斯算子；R_p表示光伏阵列等效并联阻抗；C_in表示Boost变换器输入电容；L表示Boost变换器输入电感；C表示PCC母线等效电容；R_g表示网侧线路等效电阻；L_g表示网侧线路等效电感；表示流经光伏阵列等效并联阻抗的电流小扰动量；/>表示流经Boost变换器输入电容的电流小扰动量；/>表示Boost变换器输入电流小扰动量；/>表示Boost变换器输入电压小扰动量；/>表示PCC母线电压小扰动量；/>表示Boost变换器占空比小扰动量；/>表示网侧电流小扰动量；

联立式，得到：

其中，a₀，a₁，a₂表示系数，且有：

在式中，Giin_uin(s)为Boost变换器输入电流到输入电压的传递函数，Guin_uo(s)为Boost变换器输入电压到输出电压的传递函数。

情况2：分布式光伏直流变换器孤岛运行

在孤岛情况下(CB断开)，***小信号模型可由图2求得如下：

联立式，得到：

其中，c₀，c₁，c₂，d₀，d₁表示系数，且有：

在式中，G_{iin_uin}(s)为Boost变换器输入电流到输入电压的传递函数，G_{uin_uo}(s)为Boost变换器输入电压到输出电压的传递函数。

二、基于扰动反馈的主动式反孤岛控制策略

本发明提出的主动式反孤岛控制策略具有两种实现形式，在光伏直流变换器控制器的电压外环或电流内环中注入扰动信号。该扰动信号包含两个分量，一个是外部施加的周期性正弦分量，另一个是由PCC点电压经过带通滤波器后得到的反馈量。两种形式具体描述如下：

实现形式1：外环电压扰动

该实现形式的控制框图如图4(a)所示，在光伏直流变换器电压外环控制的电压参考值(该值由MPPT算法得出)上叠加扰动信号，形成新的电压参考值u_{in_ref}，该电压参考值将用于外环电压控制。上述扰动信号包含两个分量：

一个是外部施加的频率为ω₀的周期性正弦分量u_sd；

一个是由PCC点电压u_o经过中心频率为ω₀的带通滤波器G_bp(s)与反馈增益K_v后得到的反馈量u_fb。

在实际运行时，由于环境(温度、光照强度等)变化为缓慢过程，光伏阵列工作点变化较为缓慢，此情况下由MPPT算法得出的光伏阵列电压参考值变化缓慢。在与控制器电压外环动态特性相比时，/>可被视为常数值。以二阶带通滤波器为例，图4(a)对应的小信号模型如下：

G_bp(s)表示二阶带通滤波器的传递函数；ω₀表示二阶带通滤波器的中心频率；Q表示二阶带通滤波器的品质因数；A_v表示电压实现方式下外部施加的周期性正弦分量的幅值；K_v表示电压实现方式下的反馈增益；表示Boost变换器输入电压参考值的小扰动量；u_sd表示外部施加的周期性正弦分量；u_fb表示由PCC母线电压经过带通滤波器G_bp(s)与反馈增益K_v后得到的反馈量；

在设计直流变换器控制器时，相对于MPPT控制，电压外环具有较好的动态特性，因此电压外环闭环传递函数可以简化为：

在并网情况下(CB闭合)，联立式得到图2所示***模型中PCC点电压小信号扰动的特征方程的一般形式如下：

p₆s⁶+p₅s⁵+…+p₁s+p₀＝0

其中，p₀,p₁…p₆表示上述特征方程的系数。

在孤岛情况下(CB断开)，令联立式得到图2所示***模型中PCC点电压小信号扰动/>的特征方程的一般形式如下：

q₅s⁵+q₄s⁴…+q₁s+q₀＝0

其中，q₀,q₁…q₅表示上述特征方程的系数。

对于线性***，分别对式运用Routh-Hurwitz稳定性判据即可确定实现形式1的反馈增益K_v范围，可以实现PCC点电压在***并网情况下稳定，而在***发生孤岛现象时不稳定。

实现形式2：内环电压扰动

该实现形式的控制框图如图4(b)所示，在光伏直流变换器电流内环控制的电流参考值(该值由图3所示的电压外环生成)上叠加扰动信号，形成新的电流参考值i_{in_ref}。该电流参考值将用于内环电流控制。上述扰动信号包含两个分量：

一个是外部施加的频率为ω₀的周期性正弦分量i_sd；

一个是外部施加的周期性正弦分量i_sd，另一个是由PCC点电压u_o经过带通滤波器G_bp(s)与反馈增益K_i后得到的反馈量i_fb。

以二阶带通滤波器(与实现形式1中的相同)为例，图4(b)对应的小信号模型如下：

其中，G_v(s)表示电压外环的传递函数；A_i表示电流实现方式下外部施加的周期性正弦分量的幅值；K_i表示电流实现方式下的反馈增益；表示Boost变换器输入电流参考值(即电感电流)的小扰动量；/>表示由电压外环产生的输入电流参考值的小扰动量；i_sd表示外部施加的周期性正弦分量；i_fb表示由PCC母线电压经过带通滤波器G_bp(s)与反馈增益K_i后得到的反馈量；

在设计直流变换器控制器时，电流内环比电压外环具有更快的动态特性，因此电流内环闭环传递函数可以简化为：

在并网情况下(CB闭合)，联立式，可得到图2所示***模型中PCC点电压小信号扰动的特征方程的一般形式如下：

m₈s⁸+m₇s⁷+…+m₁s+m₀＝0

其中，m₀,m₁…m₈表示上述特征方程的系数。

在孤岛情况下(CB断开)，令联立式，可得到图2所示***模型中PCC点电压小信号扰动/>的特征方程的一般形式如下：

n₇s⁷+n₆s⁶…+n₁s+n₀＝0

其中，n₀,n₁…n₇表示上述特征方程的系数。

类似地，分别对式运用Routh-Hurwitz稳定性判据即可确定实现形式2的反馈增益K_i范围，可以实现PCC点电压在***并网情况下稳定，而在***发生孤岛现象时不稳定。

三、反馈增益、PCC母线电容与变换器位置对***稳定性的影响

对于图2所示的分布式光伏直流变换器接入中低压直流***模型，结合表1中的具体参数，分别分析反馈增益(K_v与K_i)、PCC母线电容与直流变换器位置(即Z_g大小)对于***稳定性的影响。

(1)反馈增益对***稳定性影响

借助于两种实现方法的特征方程，改变反馈增益(K_v与K_i)对直流变换器在并网情况下PCC点电压小信号根轨迹的影响如图5所示。可以看出，对于两种实现方法，随着反馈增益的增加，根轨迹延伸至复平面s面右侧，与虚轴处的交点表现出边界稳定条件。两种实现方法均存在最大反馈增益(K_{v_max}与K_{i_max})，使得分布式光伏直流变换器在并网条件下引入扰动后，PCC点电压能保持临界稳定，即***在并网条件下稳定。

(2)分布式光伏直流变换器位置对最大反馈增益的影响

由图6(a)可知，对于实现方法1，直流变换器与网侧距离S越远(体现为线路阻抗Z_g越大)，会引起最大反馈增益K_{v_max}减小。而由图6(b)可知，对于实现方法2，直流变换器与网侧距离S增大会引起最大反馈增益K_{i_max}先增大后减小。但是总体而言，在两种实现方法中，较大的网侧距离变化只能带来较小的最大反馈增益变化，即最大反馈增益对网侧距离S的变化并不敏感。

(3)PCC母线电容对最大反馈增益的影响

由图6可知，对于所提出的两种实现方法，随着PCC母线等效电容C的减小，能保持***并网情况下稳定的最大反馈增益(K_{v_max}与K_{i_max})均明显减小。反馈增益越大，分布式光伏直流变换器检测孤岛情况越准确，检测盲区越小且检测速度越快。在设计反馈增益时，希望在保持***稳定性前提下尽可能地接近最大反馈增益。因此最大反馈增益的降低，降低了***在引入扰动时的稳定裕度，给反孤岛检测带来了一定困难。因此需要根据具体使用场景，确定PCC母线电容的可能变化范围，以此为根据选择合适的实现方法，并选择合适的反馈增益。

为验证本发明提出之技术方案，基于MATLAB-Simulink环境建立如图2所示之***模型，主要基本参数如表1所示。

表1应用案例主要参数

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在仿真过程中，外部环境温度参数维持在25oC，光伏阵列的辐照度维持在1000W/m2，从而使得光伏阵列可以运行在最大功率点附近。扰动在t＝0.5s时注入，直流***在t＝1s时发生孤岛事件。

由图7可知，对于实现方法1，在孤岛事件发生前(t＝1s前)，光伏直流变换器输入电压u_in与输入电流i_in均呈现出周期性小扰动，光伏阵列功率在MPPT控制下保持在最大功率值P_pv-mpp附近，PCC点电压u_o被电网钳位在1000V。在孤岛事件发生后(t＝1s后)，光伏直流变换器输入电压u_in与输入电流i_in均呈现出发散振荡，同时光伏阵列功率偏离最大功率点。PCC点电压u_o逐步减小至保护装置设定值880V以下，实现了孤岛检测，检测时间约为190ms。

同样地，由图8可知，对于实现方法2，在孤岛事件发生前(t＝1s前)，光伏直流变换器输入电压u_in与输入电流i_in均呈现出周期性小扰动，光伏阵列功率在MPPT控制下保持在最大功率值P_pv-mpp附近，PCC点电压u_o被电网钳位在1000V。在孤岛事件发生后(t＝1s后)，光伏直流变换器输入电压u_in与输入电流i_in均呈现出发散振荡，同时光伏阵列功率偏离最大功率点。PCC点电压u_o迅速减小至保护装置设定值880V(图中红线所示)以下，实现了孤岛检测，检测时间约为125ms。

相比于实现方法1，方法2的检测速度更快。但是在孤岛事件发生前，方法2中光伏直流变换器输入电压与输入电流的扰动更加明显，即对扰动更为敏感。

实施例2：

外环电压扰动方案步骤：

步骤1：光伏发电单元通过接口直流变换器接入到直流配电***中，直流变换器采用电压外环与电流内环的双闭环控制方式，实现光伏发电最大功率跟踪(MPPT)控制；

步骤2：MPPT算法通过采集到的光伏阵列电压u_pv与电流i_pv信息，计算出光伏阵列的电压参考值

步骤3：电压参考值与光伏阵列电压反馈值u_in相减，经过外环补偿器G_v(s)得到直流变换器输入电流参考值/>

步骤4：电流参考值与直流变换器输入电流反馈值i_in相减，经过内环补偿器G_i(s)与PWM发生器产生一定占空比的开关信号来控制开关S。

步骤5：在直流变换器电压外环控制的电压参考值(该值由MPPT算法得出)上叠加一个频率为ω₀的外界小扰动正弦信号u_sd；

步骤6：采样直流配电网中的直流母线电压u_o；

步骤7：将直流母线电压u_o经过中心频率为ω₀的带通滤波器G_bp(s)与反馈增益K_v后得到一个反馈扰动量u_fb；

步骤8：将反馈扰动量u_fb叠加到外界小扰动正弦信号u_sd上；

步骤9：电压参考值(该值由MPPT算法得出)、外界小扰动正弦信号u_sd与反馈扰动量u_fb三者叠加，形成新的电压参考值u_{in_ref}，

步骤10：将该电压参考值u_{in_ref}用于外环电压控制；

步骤11：检测直流母线电压u_o，当其由于上述扰动而偏离正常运行范围时，即可判定该直流配电网处于孤岛状态，从而实现孤岛检测。

内环电流扰动方案步骤：

步骤1：光伏发电单元通过接口直流变换器接入到直流配电***中，直流变换器采用电压外环与电流内环的双闭环控制方式，实现光伏发电最大功率跟踪(MPPT)控制；

步骤2：MPPT算法通过采集到的光伏阵列电压u_pv与电流i_pv信息，计算出光伏阵列的电压参考值

步骤3：电压参考值与光伏阵列电压反馈值u_in相减，经过外环补偿器G_v(s)得到直流变换器输入电流参考值/>

步骤4：电流参考值与直流变换器输入电流反馈值i_in相减，经过内环补偿器G_i(s)与PWM发生器产生一定占空比的开关信号来控制开关S。

步骤5：在直流变换器电流内环控制的电流参考值(该值由电压外环生成)上叠加一个频率为ω₀的外界小扰动正弦信号i_sd；

步骤6：采样直流配电网中的直流母线电压u_o；

步骤7：将直流母线电压u_o经过中心频率为ω₀的带通滤波器G_bp(s)与反馈增益K_i后得到一个反馈扰动量i_fb；

步骤8：将反馈扰动量i_fb叠加到外界小扰动正弦信号i_sd上；

步骤9：电流参考值(该值由电压外环生成)、外界小扰动正弦信号i_sd与反馈扰动量i_fb三者叠加，形成新的电流参考值i_{in_ref}，

步骤10：将该电流参考值i_{in_ref}用于内环电流控制；

步骤11：检测直流母线电压u_o，当其由于上述扰动而偏离正常运行范围时，即可判定该直流配电网处于孤岛状态，从而实现孤岛检测。

根据本发明提供的光伏直流变换器的运行控制与孤岛检测***，包括：

模块M1：光伏阵列经过直流变换器接入到直流配电网中，直流变换器采用电压外环与电流内环的双闭环控制方式进行光伏发电最大功率跟踪控制；

模块M2：获取直流变换器的电压外环控制的电压参考值或电流内环控制的电流参考值；在电压参考值上或电流参考值上，叠加外界小扰动正弦信号；

模块M3：采样直流配电网中的直流母线电压信号；

模块M4：将采样的直流母线电压信号经过带通滤波器与反馈增益，形成反馈扰动量；

模块M5：将反馈扰动量叠加到外界小扰动正弦信号上，与原有电压或电流参考值叠加形成新的电压或电流参考值；

模块M6：将新的电压或电流参考值用于外环电压或内环电流控制；

模块M7：检测直流母线电压，当稳态值在预设运行范围时，判定直流配电网处于孤岛状态，实现孤岛检测。

优选的，采集光伏阵列电压与电流信息，根据MPPT算法计算出光伏阵列的电压参考值；

外环电压控制：电压参考值与光伏阵列电压反馈值相减，经过外环补偿器得到光伏阵列输入电流参考值；

内环电流控制：电流参考值与电感电流反馈值相减，经过内环补偿器与PWM发生器产生占空比的开关信号控制开关。

优选的，外界小扰动正弦信号包括两个分量：

--外部施加的频率为ω₀的周期性正弦分量；

--由PCC点电压经过中心频率为ω₀的经过带通滤波器与反馈增益后得到的反馈量。

优选的，计算电流电压稳态值，公式为：

I_g＝0,U_o＝U_g,

其中，I_g表示由PCC母线流向电网侧电流的稳态值；U_g表示电网侧电压；U_o表示PCC母线电压稳态值；U_in表示直流变换器输入侧电压稳态值；I_in表示电感电流稳态值；R表示PCC母线上阻性负载；D表示直流变换器开关管占空比稳态值。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的***、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种光伏直流变换器的运行控制与孤岛检测方法，其特征在于，包括：

步骤1：光伏阵列经过直流变换器接入到直流配电网中，直流变换器采用电压外环与电流内环的双闭环控制方式进行光伏发电最大功率跟踪控制；

步骤2：获取直流变换器的电压外环控制的电压参考值或电流内环控制的电流参考值；在电压参考值上或电流参考值上，叠加外界小扰动正弦信号；

步骤3：采样直流配电网中的直流母线电压信号；

步骤4：将采样的直流母线电压信号经过带通滤波器与反馈增益，形成反馈扰动量；

步骤5：将反馈扰动量叠加到外界小扰动正弦信号上，与原有电压或电流参考值叠加形成新的电压或电流参考值；

步骤6：将新的电压或电流参考值用于外环电压或内环电流控制；

步骤7：检测直流母线电压，当稳态值在预设运行范围时，判定直流配电网处于孤岛状态，实现孤岛检测；

外界小扰动正弦信号包括两个分量：

--外部施加的频率为ω₀的周期性正弦分量；

--由PCC点电压经过中心频率为ω₀的经过带通滤波器与反馈增益后得到的反馈量；

分布式光伏直流变换器并网运行时，小扰动正弦信号求得为：

其中，s表示拉普拉斯算子；R_p表示光伏阵列等效并联阻抗；C_in表示直流变换器输入电容；L表示直流变换器输入电感；C表示PCC母线等效电容；R_g表示网侧线路等效电阻；L_g表示网侧线路等效电感；表示流经光伏阵列等效并联阻抗的电流小扰动量；/>表示流经直流变换器输入电容的电流小扰动量；/>表示直流变换器输入电流小扰动量；/>表示直流变换器输入电压小扰动量；/>表示PCC母线电压小扰动量；/>表示直流变换器占空比小扰动量；表示网侧电流小扰动量；

联立式，得到：

其中，a₀，a₁，a₂表示系数，且有：

在式中，G_{iin_uin}(s)为直流变换器输入电流到输入电压的传递函数，G_{uin_uo}(s)为直流变换器输入电压到输出电压的传递函数；

分布式光伏直流变换器孤岛运行时，小扰动正弦信号求得为：

联立式，得到：

其中，c₀，c₁，c₂，d₀，d₁表示系数，且有：

在式中，G_{iin_uin}(s)为直流变换器输入电流到输入电压的传递函数，G_{uin_uo}(s)为直流变换器输入电压到输出电压的传递函数。

2.根据权利要求1所述的光伏直流变换器的运行控制与孤岛检测方法，其特征在于，采集光伏阵列电压与电流信息，根据MPPT算法计算出光伏阵列的电压参考值；

外环电压控制：电压参考值与光伏阵列电压反馈值相减，经过外环补偿器得到光伏阵列输入电流参考值；

内环电流控制：电流参考值与电感电流反馈值相减，经过内环补偿器与PWM发生器产生占空比的开关信号控制开关。

3.根据权利要求1所述的光伏直流变换器的运行控制与孤岛检测方法，其特征在于，计算电流电压稳态值，公式为：

其中，I_g表示由PCC母线流向电网侧电流的稳态值；U_g表示电网侧电压；U_o表示PCC母线电压稳态值；U_in表示直流变换器输入侧电压稳态值；I_in表示电感电流稳态值；R表示PCC母线上阻性负载；D表示直流变换器开关管占空比稳态值。

4.一种光伏直流变换器的运行控制与孤岛检测***，其特征在于，包括：

模块M1：光伏阵列经过直流变换器接入到直流配电网中，直流变换器采用电压外环与电流内环的双闭环控制方式进行光伏发电最大功率跟踪控制；

模块M2：获取直流变换器的电压外环控制的电压参考值或电流内环控制的电流参考值；在电压参考值上或电流参考值上，叠加外界小扰动正弦信号；

模块M3：采样直流配电网中的直流母线电压信号；

模块M4：将采样的直流母线电压信号经过带通滤波器与反馈增益，形成反馈扰动量；

模块M5：将反馈扰动量叠加到外界小扰动正弦信号上，与原有电压或电流参考值叠加形成新的电压或电流参考值；

模块M6：将新的电压或电流参考值用于外环电压或内环电流控制；

模块M7：检测直流母线电压，当稳态值在预设运行范围时，判定直流配电网处于孤岛状态，实现孤岛检测；

外界小扰动正弦信号包括两个分量：

--外部施加的频率为ω₀的周期性正弦分量；

--由PCC点电压经过中心频率为ω₀的经过带通滤波器与反馈增益后得到的反馈量；

分布式光伏直流变换器并网运行时，小扰动正弦信号求得为：

其中，s表示拉普拉斯算子；R_p表示光伏阵列等效并联阻抗；C_in表示直流变换器输入电容；L表示直流变换器输入电感；C表示PCC母线等效电容；R_g表示网侧线路等效电阻；L_g表示网侧线路等效电感；表示流经光伏阵列等效并联阻抗的电流小扰动量；/>表示流经直流变换器输入电容的电流小扰动量；/>表示直流变换器输入电流小扰动量；/>表示直流变换器输入电压小扰动量；/>表示PCC母线电压小扰动量；/>表示直流变换器占空比小扰动量；/>表示网侧电流小扰动量；

联立式，得到：

其中，a₀，a₁，a₂表示系数，且有：

在式中，G_{iin_uin}(s)为直流变换器输入电流到输入电压的传递函数，G_{uin_uo}(s)为直流变换器输入电压到输出电压的传递函数；

分布式光伏直流变换器孤岛运行时，小扰动正弦信号求得为：

联立式，得到：

其中，c₀，c₁，c₂，d₀，d₁表示系数，且有：

在式中，G_{iin_uin}(s)为直流变换器输入电流到输入电压的传递函数，G_{uin_uo}(s)为直流变换器输入电压到输出电压的传递函数。

5.根据权利要求4所述的光伏直流变换器的运行控制与孤岛检测***，其特征在于，采集光伏阵列电压与电流信息，根据MPPT算法计算出光伏阵列的电压参考值；

外环电压控制：电压参考值与光伏阵列电压反馈值相减，经过外环补偿器得到光伏阵列输入电流参考值；

内环电流控制：电流参考值与电感电流反馈值相减，经过内环补偿器与PWM发生器产生占空比的开关信号控制开关。

6.根据权利要求4所述的光伏直流变换器的运行控制与孤岛检测***，其特征在于，计算电流电压稳态值，公式为：

I_g＝0,U_o＝U_g,

其中，I_g表示由PCC母线流向电网侧电流的稳态值；U_g表示电网侧电压；U_o表示PCC母线电压稳态值；U_in表示直流变换器输入侧电压稳态值；I_in表示电感电流稳态值；R表示PCC母线上阻性负载；D表示直流变换器开关管占空比稳态值。