专利名称：基于m序列调制和方差判断的并网主动式孤岛检测系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种基于M序列调制和方差判断的并网主动式孤岛检测系统和方法。
技术背景光伏发电、风力发电等新能源的开发利用得到不断发展，未来将出现更多的由可 再生能源组成的分布式发电系统。将这些分布式发电系统并联在电网上使用，可实现 分布式发电系统与电网间的功率互补，但是，分布式发电系统并联在电网上给电网带 来许多的安全隐患，孤岛检测就是其中的一个重要技术。通常采用的孤岛检测方法有 电力系统端检测法和电力变换器端检测法。电力系统端检测法成本较高。电力变换器端检测法又分为两类被动式与主动式。被动式检测算法简单且易于实现，但存在较 大的检测盲区；主动式检测法目前大致有主动频率干扰、滑差频率漂移、无功功率变 化、电压不平衡电流谐波以及相关技术等检测方法，主动式频率干扰检测导致谐波增 大；滑差频率漂移检测法在纯电阻负载或在谐振状态下检测失效；无功功率变化检测 法不但会导致谐波增大，而且当电网内存在多个分布式发电系统时，变化的无功相互 干扰也会导致检测失效；电压不平衡电流谐波检测法和相关技术的检测法算法过于复 杂，不适于实际应用。 发明内容本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷提供一种基于M序列调制和方差判 断的并网主动式孤岛检测系统和方法，采用本检测方法可以减小孤岛检测的盲区，并 且此调制方法对电网带来的谐波影响小。另外，此检测系统不改变原并网逆变器的硬 件结构，且算法简单、成本低，输出电能质量高。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案一种基于M序列调制和方差判断的并网主动式孤岛检测系统，包括并网逆变器和 并网开关，其特征在于并网逆变器输出端经并网开关后的并网公用连接点Pa上安装 的电压霍尔传感器，由一个数字信号处理器连接所述的并网逆变器、并网开关和电压 霍尔传感器，所述的数字信号处理器进行伪随机信号调制，再根据电压霍尔传感器采 集的电压信号，进行孤岛计算后控制并网逆变器和并网开关。数字信号处理器通过A/D转换芯片在每个工频周期的固定时刻采样一点Pcx点电压，经过连续N个工频周期后获得N个P^点电压采样数据，计算这些数据得到方差值。并网时，由于Po:点电 压受控于电网，随机性小，所获得的随机序列方差值很小，而孤岛时，Pec点电压受 控于逆变器输出，而逆变器输出受数字信号处理器调制具有随机信号的特点，因此方 差值将大大增大。检测时设定一个方差阈值，当检测到方差超过阈值即可判断为孤岛。上述的基于M序列调制用方差判断的主动式孤岛检测硬件装置中，所述的数字信号处理器采用TI公司的DSP2407或DSP2812。并网逆变器由IGBT管建成H桥实现， 电压传感器采用LEM的电压霍尔传感器，开关S1采用可控开关。一种基于M序列调制和方差判断的并网主动式孤岛检测方法，采用上述的基于M 序列调制和方差判断的并网主动式孤岛检测系统进行检测，其特征在于采用通讯技术 的伪随机信号M序列，按照M序列的分布规律对并网逆变器调制波进行调制，以使输 出也具有M序列的特征，从而输出信号也具有随机信号的特点；同时通过电压霍尔传 感器定时采样并网公用连接点P^的电压信号，根据采样的数据做方差计算，若方差值超过域值，则判定为孤岛。上述的并网逆变器调制波的调制步骤如下① 取5级M序列，得31个随机二进制元素，分别为0000011100100010101111011010011;② 将这31个元素作为一个表格保存在预置表格中，定义査表地址变量，每次查表 时取出一个M序列元素，查表后査表地址变量加l，地址值增大到32时复位为0;(D在逆变器正弦调制波正向过零点时查表取出当前M序列元素，元素为1时，则将 当前并网逆变器的调制深度乘以系数1.04，元素为O时，则将系数改为0.96。调制后 的并网逆变器调制波如下式所示为当前M序列元素值。上述的方差计算步骤如下① 数字信号处理器通过电压霍尔传感器在每个工频周期正向过零点开始后的5ms 的固定时刻采样并网公用连接点的电压值；② 数字信号处理器计算采样来的N个数据的数学期望z^ =丄^A￡ ， AE为，其中m为调制深度，"为电网电压频率，a③ 数字信号处理器计算方差<formula>formula see original document page 6</formula>;
④ 数字信号处理器根据设置的方差阈值，与计算的方差进行比较，若超出阈值， 则判断为孤岛。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点本 发明是一种以数字信号处理器(DSP)为核心的对并网逆变器进行控制的孤岛检测方
法，它不改变原有并网逆变器的硬件结构，仅在软件上采用通讯技术的伪随机信号M 序列，按照M序列的分布规律对逆变器调制波进行调制，以使输出也具有M序列的特 性，从而输出信号也具有随机信号的特点，这种调制方法简单实用，输出波形的谐波 小；同时方差计算在算法上比采用相关技术的算法大大简化，易于数字信号处理器的 编程实现。本发明软件算法简单、成本低，对输出电能的谐波影响小，孤岛检测盲区小。
图1是本发明基于M序列调制和方差判断的并网主动式孤岛检测系统方法结构框图。
图2是基于M序列调制的调制算法流程图。
图3是用方差判断孤岛的算法流程图
图4是并网和孤岛时的系统拓扑图。
具体实施例方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下
参见图1，本基于M序列调制和方差判断的并网主动式孤岛检测系统包括并网逆 变器(2)和并网开关(4)，并网逆变器(2)输出端经并网开关(4)后的并网公用 连接点Pa上安装的电压霍尔传感器(3)，由一个数字信号处理器(1)连接所述的并 网逆变器(2)、并网开关(4)和电压霍尔传感器(3)，所述的数字信号处理器(1) 进行伪随机信号调制，再根据电压霍尔传感器(3)采集的电压信号，进行孤岛计算 后控制并网逆变器(2)和并网开关(4)。数字信号处理器(1)采用TI公司的DSP2407 或DSP2812，它通过调制算法模块输出调制信号。并网逆变器(2)由IGBT功率管建 成H桥实现，逆变器输出端的并网公用连接点(Prc)上安装电压霍尔传感器(3)，数 字信号处理器(1)根据当前的并网或孤岛状态控制并网开关(4)。由于逆变器调制 波被数字信号处理器按伪随机信号M序列调制，因而逆变器输出也带有随机信号的规 律。在每个工频周期过零点开始后的固定时刻采样并网公用连接点的电压信号，数字 信号处理器对采样信号进行方差计算，获取方差值，将此值与设定阈值比较即可检测出孤岛。
本基于M序列调制和方差判断的并网主动式孤岛检测方法，在上述的检测系统进 行检测，采用通讯技术的伪随机信号M序列，按照M序列的分布规律对并网逆变器(2) 调制波进行调制，以使输出也具有M序列的特征，从而输出信号也具有随机信号的特 点；同时通过电压霍尔传感器(3)定时采样并网公用连接点P。c的电压信号，根据采 样的数据做方差计算，若方差值超过域值，则判定为孤岛。上述的对并网逆变器(2)
调制波的调制步骤如下
① 取5级M序列，得31个随机二进制元素，分别为
0000011100100010101111011010011;
② 将这31个元素作为一个表格保存在预置表格中，定义査表地址变量，每次查表 时取出一个M序列元素，查表后査表地址变量加l，地址值增大到32时复位为0;
③ 在逆变器正弦调制波正向过零点时查表取出当前M序列元素，元素为1时，则将 当前并网逆变器的调制深度乘以系数1.04，元素为O时，则将系数改为0.96。调制后 的并网逆变器调制波如下式所示
A^ ., ( A，其中m为调制深度，"为电网电压频率'a
L0.96w .sin(纽) a = 0
为当前M序列元素值。
调制波的控制流程参见图2。
上述的方差计算的步骤如下
① 数字信号处理器通过电压霍尔传感器在每个工频周期正向过零点开始后的5ms 的固定时刻采样并网公用连接点的电压值；
② 数字信号处理器计算采样来的N个数据的数学期望<formula>formula see original document page 7</formula>AE为<formula>formula see original document page 7</formula>
残差；
③ 数字信号处理器计算方差<formula>formula see original document page 7</formula>④ 数字信号处理器根据设置的方差阈值，与计算的方差进行比较，若超出阈值，
则判断为孤岛。 方差判断孤岛的控制流程参见图3。
基于M序列调制用方差判断的主动式孤岛检测方法原理简述如下如图4，图4 (a)为分布式并网发电系统的拓扑图，图4 (b)为孤岛情况下分
布式发电系统的拓扑图。
Ud(t)和ep。。(t)分别表示并网逆变器输出电压和并网公用连接点(Pcc)的电压，
e。(t)为电网电压。山(t)和ep。。(t)表达式为:
<formula>formula see original document page 8</formula> (1)
<formula>formula see original document page 8</formula>
(2)
其中lUt)禾tl E^(t)分别为Ud(t)禾Q e^(t)的幅值，《和《为Ud(t;^p e^(t)的 初始相位，/是工频频率。若将lUt)和Ep。。(t)分解为一个稳定量与一个随机变化量 的叠加，如式(3)、 (4)所示
<formula>formula see original document page 8</formula> (3)
<formula>formula see original document page 8</formula> ( 4 )
Ud。和Ep。。。为稳定量，A[/^)和A^cW为随时间变化的随机变化量。
并网时，由于电网容量非常大，ep。。(t)受控于e。(t)， ^^W的随机性很小；当 孤岛出现时，ep。。(t)直接受控于Ud(t)，如果At/^)具有随机信号的特性(如白噪声)，
则AEpccW随机特性明显呈现出来，如方差变化。因而孤岛的检测可以转化为信号随机
特性上分析。
然而，要使Af/d(0具有某种随机特点，需要对并网逆变器的正弦调制波进行相应 的处理，本发明引入通讯技术中常用的伪随机信号(M序列)。M序列是数字信号处 理中常用的一种伪随机序列，它具有3个重要的特性
① 在每一周期内，码元l比码元0多出现一次，具有平衡性；
② 在每一周期内，共有2"-l个元素游程，其中码元l的游程和码元0的游程数 目各占一半；
③ M序列(aU与其位移序列仏 -"的模2相加仍是M序列中的另一位移序列。 M序列的这三个特性决定了M序列具有优良的白噪声特性，是狭义的伪噪声序列，
且容易产生和复制。下面讲述M序列的调制方法。
M序列的产生采用5级线性反馈移位寄存器网络，由5个D触发器和一个异或门 组成，第五个和第三个D触发器的输出作为异或门的输入，异或门的输出作为第一个 D触发器的输入端，可得到5级M序列，共31个元素，分别为0000011100100010101111011010011
按这31个元素的分布规律，对逆变器的调制波做相应变换，其实现方法为先将
这31个元素作为一个表格保存在表格中，当逆变器正弦调制波正向过零点时取出当前 M序列元素，元素为1时，则将当前调制深度乘以系数1.04，元素为0时，系数改为0.96。 逆变器调制波如下式所示。
州H
其中m为调制深度，w为电网电压频率，a为当前M序列元素值。 则并网逆变器输出电压为
<formula>formula see original document page 9</formula>
当独立供电给本地负载时，PCC点的电压为
<formula>formula see original document page 9</formula>
在Pec点的每个工频周期内的固定时刻采样一个电压信号，连续采样31个周期 获得31个数据&"1、 ￡kx(2)、、 ￡rcc(3i)，即可获得随机序列A&"^的31个样本数
<formula>formula see original document page 9</formula>据<formula>formula see original document page 9</formula>)，其中 31台 。
定义随机序列A￡^(Af)的数学期望为 1<formula>formula see original document page 9</formula>
则随机序列AKW)的方差为<formula>formula see original document page 9</formula>
式中，^31为M序列的时长，当并网发电时，Pec点电压受控于电网电压，电
压变化不大，所以^(0趋向于0，其数学期望也趋向于零，方差很小；当孤岛出现
时，Pcc点电压受控于逆变器输出电压并具有M序列的特性，^(0出现M序列调制 的随机规律，其数学期望由M序列的特性趋向于零，由式(9)知方差则显著增大。 孤岛检测时可设定一个方差阈值，当检测到方差超过阈值即可判断为孤岛。
权利要求
1.一种基于M序列和方差判断的并网主动式孤岛检测系统，包括并网逆变器(2)和并网开关(4)，其特征在于并网逆变器(2)输出端经并网开关(4)后的并网公用连接点PCC上安装的电压霍尔传感器(3)，由一个数字信号处理器(1)连接所述的并网逆变器(2)、并网开关(4)和电压霍尔传感器(3)，所述的数字信号处理器(1)进行伪随机信号调制，再根据电压霍尔传感器(3)采集的电压信号，进行孤岛计算后控制并网逆变器(2)和并网开关(4)。
2. —种基于M序列调制和方差判断的并网主动式孤岛检测方法，采用根据权利要求 1所述的基于M序列调制和方差判断的并网主动式孤岛检测系统进行检测，其特 征在于采用通讯技术的伪随机信号M序列，按照M序列的分布规律对并网逆变 器(2)调制波进行调制，以使输出也具有M序列的特征，从而输出信号也具有 随机信号的特点；同时通过电压霍尔传感器(3)定时采样并网公用连接点Pcc的 电压信号，根据釆样的数据做方差计算，若方差值超过域值，则判定为孤岛。
3. 根据权利2所述的基于M序列调制和方差判断的并网主动式孤岛检测方法，其特 征所述的并网逆变器(2)调制波的调制步骤如下① 取5级M序列，得31个随机二进制元素，分别为 0000011100100010101111011010011;② 将这31个元素作为一个表格保存在预置表格中，定义査表地址变量，每次查表 时取出一个M序列元素，査表后査表地址变量加l，地址值增大到32时复位为0;③ 在并网逆变器(2)正弦调制波正向过零点时查表取出当前M序列元素，元素为 l时，则将当前并网逆变器的调制深度乘以系数1.04，元素为O时，则将系数改为0.96， 调制后的并网逆变器(2)调制波如下式所示为当前M序列元素值。
4.根据权利2所述的基于M序列调制和方差判断的并网主动式孤岛检测方法，其特 征在于方差计算的步骤如下，其中m为调制深度，"为电网电压频率，a① 数字信号处理器(1)通过电压霍尔传感器(3)在每个工频周期正向过零点开 始后的5ms的固定时刻采样并网公用连接点的电压值；② 数字信号处理器(1)计算采样来的N个数据的数学期望t^ -丄堂AE(O， △ E为残差；③ 数字信号处理器m计算方差《=士|一0—" ]2;④ 数字信号处理器(1)根据设置的方差阈值，与计算的方差进行比较，若超出 阈值，则判断为孤岛。
全文摘要
本发明涉及一种基于M序列调制和方差判断的并网主动式孤岛检测系统和方法，本检测系统包括并网逆变器和并网开关，在并网公用连接点上安装电压霍尔传感器，一个数字信号处理器连接并网逆变器、并网开关和电压霍尔传感器。本检测方法是通讯技术的伪随机信号M序列，按照M序列的分布规律对逆变器调制波进行调制，以使输出也具有M序列的特性，从而输出信号也具有随机信号的特点。并网时，由于并网公用连接点电压受控于电网，随机性小，所获得的随机序列方差值很小，而孤岛时，并网公用连接点电压受控于逆变器输出，而逆变器输出受数字信号处理器调制具有随机信号的特点，因此方差值将大大增大。检测时设定一个方差阈值，当检测到方差超过阈值即可判断为孤岛。本发明算法简单、成本低，对输出电能的谐波影响小，孤岛检测盲区小。
文档编号H02J3/38GK101237145SQ20081003410
公开日2008年8月6日 申请日期2008年2月29日 优先权日2008年2月29日
发明者吴春华, 崔开涌, 翼 张, 陈卫民, 陈国呈 申请人:上海大学