一种改善电能质量的光伏并网逆变器孤岛检测方法

摘要

本发明公布了一种改善电能质量的光伏并网逆变器孤岛检测方法，所述方法通过将电压相位进行修正、周期性多偏移量频率正反馈方法来实现孤岛检测，利用相位来修正电流、电压相位差，使得输出电流总谐波含有量降低；通过周期性多偏移量频率正反馈方法降低固定频率偏移量所导致的问题，如偏移量而引起的电流总谐波含有量与检测快速性之间的矛盾，大偏移量能加快孤岛检测，却能引起电流总谐波含有量增加；反之亦然。仿真证实该方法相对于传统孤岛检测算法，本发明不仅提高了孤岛检测时效性，也降低了逆变器输出电流总谐波含有量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微电网孤岛检测方法，本发明涉及一种光伏并网逆变器的孤岛检测方法，本发明涉及一种改善电能质量的方法。

背景技术

光伏发电及其它分布式发电系统接入公共电网时，公共电网停止供电后分布式电源的存在，使电网停电区的部分线路仍维持带电状态，形成自给电力供应的孤岛。在孤岛状态下电力公司就失去对线路电压、频率的控制，进而会带来一系列的安全隐患及事故纠纷：

(1)影响配电系统上保护开关的动作程序；

(2)电网不能控制电力孤岛区域的电压和频率，可能会造成因供电电压和频率不稳使得用户的用电设备损坏；

(3)危害输电线路维修人员的安全；

(4)影响电网手动或自动恢复运行。

因此，电力公司要求并网的分布式发电系统能及时必须及时检测出孤岛并将分布式发电装置与公共电网间的连线断开。在美国电气及电子工程师协会制订的光伏系统并网国际标准IEEE Std.929-2000中是这样定义与电网接口的“无孤岛逆变器(non-islandinginverter)”的：

(1)PV逆变器输出有功功率与负载消耗功率的失配度大于50％；或：本地负载功率因数小于95％时，电网失压后必须在10个周波内停止向电网供电。

(2)有功功率失配度在50％以内且本地负载功率因数大于95％时，逆变器应能在电网失压后2s内停止对电网供电。

上述指标所指的负载对象为品质因数Qf≤2.5的并联谐振负载。

美国、德国、日本等对太阳能发电研究较早的国家从上个世纪末就着手开始制订相关国家标准，并对其不断修改、完善，以规范、引导国内光伏发电产业的发展。如美国制订的光伏系统并网标准美规IEEE1547/IEEE1547.1标准；德国制订的光伏系统并网标准TUV(认证用最新标准DIN VDE 0126-1-1)；澳大利亚制订的光伏系统并网标准澳规AS4777标准；西班牙制订的光伏系统并网标准RD 1663/2000认证；其它国家如加拿大、英国、荷兰等紧随其后，也制定了自己的国家标准，如英国制订的光伏系统并网标准G83/1认证；意大利制订的光伏系统并网标准DK5940认证。在孤岛检测的要求和技术指标上，不同国家相去甚远，如荷兰仅要求进行被动式电压、频率超限检测，德国却细致地规划了主动式检测方法及其测试要求；有的国家认为光伏系统孤岛对继电器的自动重合闸影响不大，因此在标准中允许的检测时间较长(长达5秒)，而有的要求较短，如美国标准为2秒；从电网电力恢复到逆变器重新并网的最短时间间隔方面的规定也相差甚远，北美要求至少滞后5分钟，德国仅要求滞后20秒。

我国于2005年11月发布相关国家标准，即光伏系统并网的技术要求，该标准分别从2006年1月1日和2006年2月1日起实施。标准中对孤岛检测提出的要求包括：

(1)电网失压时，防孤岛效应保护必须在2s内动作，将光伏系统与电网断开；

(2)应至少采用主动与被动孤岛检测方法各一种；

2009年8月颁布的CNCA/CTS 0004-2009《400V以下低压并网光伏发电专用逆变器技术要求和试验方法》防孤岛效应保护方案的选取中提到：基于并网逆变器的防孤岛效应保护方案分为主动式防孤岛保护方案和被动式防孤岛保护方案。被动式方案通过检测逆变器交流输出端电压或频率的异常来检测孤岛效应。由于被动式方案的检测范围有限，因此为了满足并网逆变器防孤岛保护安全标准的要求，必须采用主动式方案。主动式方案通过有意地引入扰动信号来监控系统中电压、频率以及阻抗的相应变化，以确定电网的存在与否。主动式防孤岛效应保护方案主要有频率偏移、电流脉冲注入引起的阻抗变动、电力线载波通讯等。被动式防孤岛效应保护方案主要有电压相位跳变、3次电压谐波变动、频率变化率检测、有功功率变动、无功功率变动等。

常规主动孤岛检测法都是向电网中注入一个扰动量，通过扰动量的变化来判断孤岛状态。主动移频式和主动移相式孤岛检测方法对频率和相位产生扰动，这种扰动在光伏并网工作时始终存在，必然影响光伏系统输出电流的质量，使得输出电流畸变率提高。光伏系统并网技术要求〔GB/T 19939-2005〕中要求电流畸变率控制在一定范围之内，即总谐波电流应小于逆变器额定输出的5％，其中奇次谐波的畸变率小于4.0％，偶次谐波的畸变率小于2.0％。

同时逆变器输出电能质量需要满足下列文件中的条款标准：

GB/T 12325电能质量供电电压允许偏差

GB/T 14549电能质量公用电网谐波

GB/T 15543电能质量三相电压允许不平衡度

GB/T 15945电能质量电力系统频率允许偏差

同样逆变器电流控制策略、PWM调制策略、开关频率、电网频率波动等都会产生一定的电流畸变，只有孤岛检测算法引入的畸变应远小于并网的技术要求，这些检测办法才可能被广泛接受。

因此，需要开发一种新的孤岛检测方法来解决现有技术存在的问题。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术中存在的不足和问题，提供了一种基于相位修正且多偏移量的主动频率孤岛检测方法，它将电网电压相位修正，且对频率实行多偏移量偏移，从而实现孤岛检测。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明一种改善电能质量的光伏并网逆变器孤岛检测方法包括如下步骤：

(1)将采样得到的电网电压U，通过锁相环提取电压相位、频率；

(2)通过最优相位偏移原理，对电压相位Theta进行修正：

θ′＝θ+Δθ    ①

式①中，θ′为修正后的参考相位，θ为电压相位，Δθ为相位修正值；

(3)对逆变器进行两个不同方向的扰动信号cf1，cf2，在上个周期内对逆变器采集到的频率增加扰动信号cf1，然后再下个周期对逆变器采集到的频率减少cf2，计算上一周增加频率扰动信号cf1后于电网频率偏差Δf1，下一周减少频率扰动信号cf2后于电网频率偏差Δf2；

(4)判断Δf1，Δf2有效值大小

|Δf1|∪|Δf2|≥ε    ②

式②中ε是准孤岛设定频率偏差限；

如果式②不成立，则没有发生孤岛的可能性，返回步骤(3)故继续采用cf1，cf2的扰动信号对系统进行判断。

如果式②成立，则有可能发生孤岛，故需要继续判断进入步骤(5)；

(5)现在对逆变器进行两个不同方向的扰动信号cf3，cf4，在上个周期内对逆变器采集到的频率增加扰动信号cf3，然后再下个周期对逆变器采集到的频率减少cf4，在上个周期内对逆变器采集到的频率增加扰动信号cf3，然后再下个周期对逆变器采集到的频率减少cf4，计算上一周增加频率扰动信号cf3后于电网频率偏差Δf3，下一周减少频率扰动信号cf4后于电网频率偏差Δf4；

(6)判断Δf3，Δf4有效值大小

|Δf3|≥|Δf4|    ③

如果式③成立，此时采用cf3扰动信号对系统频率进行扰动，跳转至(7)；

如果式③不成立，时采用cf4扰动信号对系统频率进行扰动，跳转至(8)；

(7)通过cf3扰动信号，判断电网频率frequency的大小

f_under≤f≤f_over    ④

式④中，f_under为频率下限，f_over为频率上限；

如果式④成立，则电网频率在电能质量运行范围内，故继续采用cf3扰动信号对系统进行频率偏移；

如果式④不成立，则已经发生孤岛，控制逆变器与电网的断开；

(8)通过cf4扰动信号，判断电网频率frequency的大小

f_under≤f≤f_over    ⑤

式⑤中，f_under为频率下限，f_over为频率上限；

如果式⑤成立，则电网频率在电能质量运行范围内，故继续采用cf4扰动信号对系统进行频率偏移；

如果式⑤不成立，则已经发生孤岛，控制逆变器与电网的断开；

(9)在频率偏移扰动中，每次都将频率偏差反馈量叠加到下一次频率上。

本发明具有以下有益效果：本发明基于改善电能质量的光伏逆变器孤岛检测方法采用相位修正且频率多偏移量，使得孤岛检测速度有所提高，降低主动式孤岛检测带来的电流畸变率，改善了电能质量，并且完全能够满足系统孤岛检测的要求。

附图说明

图1为本发明基于改善电能质量的光伏并网逆变器孤岛检测方法系统示意图，图1中：1-光伏电池板、2-DC-DC变换电路、3-DC-AC逆变电路、4-滤波电路、5-最大功率跟踪(MPPT)、6-逆变器控制电路、7-孤岛检测、8-交流电网。

图2为改善电能质量的光伏并网逆变器孤岛检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术内容作说明：

如图1所示，为本发明基于改善电能质量的光伏并网逆变器孤岛检测方法系统示意图，图1中：1-光伏电池板、2-DC-DC变换电路、3-DC-AC逆变电路、4-滤波电路、5-最大功率跟踪(MPPT)、6-逆变器控制电路、7-孤岛检测、8-交流电网。

采集电网电压，在芯片中对电压相位进行修正作为逆变器输出电流的相位，对电压频率进行多偏移量扰动来检测孤岛，将修正后的相位、频率作为新参考量来控制逆变器的输出。

所述的采样单元由电压传感器，电压传感器直接连接电网母线侧与电压调理电路连接。

所述的控制单元由数字信号处理器(Digital Signal Processor简称DSP)组成。

所述的电网电压通过采集单元、电压调理电路，最后输入到控制单元的数字信号处理器(DSP)，然后通过对采集的电压进行修正，控制PWM输出。

所述的数字信号处理器(DSP)输出控制信号有驱动来放大。

本发明的基本原理是：通过采集电网侧电压，在数字信号处理器(DSP)进行锁相环(Phase Locked Loop，PLL)操作，提取电压相位，对电压相位实现偏移作为参考相位值，通过最优相位修正实现输出电流总谐波含有量最小；同时就频率对逆变器进行两个不同方向的扰动信号cf1，cf2，逆变器将输出两个电压频率与电网电压频率的误差量Δf1，Δf2，判断Δf1，Δf2的大小，如果Δf1，Δf2的有效值大于设定值，对逆变器进行两个不同方向的扰动信号cf3，cf4，判断Δf3，Δf4的大小，当孤岛效应发生时，选择Δf较大的扰动信号为基准，然后对其施加正反馈，从而在较短的时间内超出并网标准的规定，触发保护电路，切断电网与逆变器的连接，实现孤岛检测。其中cf1、cf2是大小相同方向相反的两个扰动信号；cf3、cf4同样也是大小相同方向相反的两个扰动信号，且cf3、cf4的大小大于cf1、cf2。通过在准孤岛前采用cf1、cf2小偏移量，当频率偏差大于设定值时，就变换成cf3、cf4的扰动信号，通过cf3、cf4扰动判断Δf3，Δf4的大小，选择较大值作为基准来实现孤岛检测。

本发明中，控制单元由数字信号处理器(DSP)组成，它根据由采样单元、电压调理电路来实现电网电压的检测。以DSP为核心的控制单元，其实现的基本思想是：由算法控制与检测逆变器输出来实现孤岛检测。

如图2所示，本发明改善电能质量的光伏并网逆变器孤岛检测方法具体实施如下：

第一步：通过电压传感器采集电网母线侧电压，将采集到的电压经过调理电路，送至数字信号处理器(DSP)中。

第二步：在数字信号处理器(DSP)通过锁相环(PLL)技术，提取电网电压的相位与频率，检测频率是否满足要求，如果超限则停止逆变器，断开与电网相连接的接触器，反之进行下一步。

第三步：将电网电压相位增加一个相位偏移量作为新的参考相位。

第四步：对逆变器进行两个不同方向的扰动信号cf1，cf2，计算逆变器输出两个电压频率与电网电压频率的误差量Δf1，Δf2。

第五步：如果Δf1，Δf2都小于设定值，则系统继续采用Δf1，Δf2作为扰动信号，反之进行下一步。

第六步：Δf1，Δf2超过了设定值，此时对逆变器采用两个不同方向的扰动信号cf3，cf4，计算逆变器输出两个电压频率与电网电压频率的误差量Δf3，Δf4。

第七步：判断Δf3，Δf4有效值大小，选择较大值作为下一步的扰动信号，以实现对系统频率扰动。如果Δf3有效值大于Δf4有效值，则采用cf3作为下一步频率扰动信号，反之采用cf4作为下一步频率扰动。

第八步：对于每一次扰动信号都计算频率的偏差值，将此次的频率偏差值反馈到下一次频率上，以实现频率正反馈，加快孤岛检测速度。

如图1所示，本发明改善电能质量的光伏并网逆变器孤岛检测系统，主要由光伏电池板、DC-DC变换电路、DC-AC逆变电路、滤波电路、最大功率跟踪(MPPT)、逆变器控制电路、孤岛检测和交流电网。

通过采样单元、电流调理电路传送过来光伏电池板电流和电压，在数字信号处理器(DSP)中实现最大功率跟踪算法，控制PWM输出波形来实现功率调节。通过采用单元、调理电路传送过来交流电网母线侧电压，在数字信号处理器(DSP)中实现改善电能质量的光伏逆变器孤岛检测算法。

在实施时，电网母线侧输出电压为交流，采样单元使用电压传感器器检测出电网母线侧的电压。由于控制单元使用的是DSP芯片，其片上自带的A/D转换器是单极性的，只能接收0～3.3V的电压信号，因此采集电压需要进行转换，这样才能和控制单元的DSP相连接。在DSP中实现改善电能质量的光伏逆变器孤岛检测算法，同与光伏最大功率跟踪算法相结合来控制逆变器输出，实现孤岛检测。