专利名称：：光伏并网发电系统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系统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。光伏并网发电系统(以下简称为pv系统)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，系统的建设和维护成本低、转换效率和可靠性高。随着pv系统的不断增加，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系统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i所示的光伏并网发电系统中，当开关s闭合时，系统并网运行；当开关s断开时，系统孤岛运行。如果发生孤岛后不能及时地将其检测出、并停止该pv系统的运行，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系统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系统继续供电，从而造成电网中三相负载缺相供电。因此，要求pv系统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，IEEEStd.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系统；3.软件和硬件成本；4.对多台并联PV系统的适用性；5.对系统的干扰，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系统的运行。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，电网切断后系统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，检测系统受扰动后的响应，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(ActiveFrequencyDrift: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系统中不够可靠，因为各PV系统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^w的频率力以式乂0')二》cc(卜i)士4/i确定，在实时检测获得的并网点电压vrcc的频率/m;上加入一个恒定的偏移量4/g，作为并网电流指令/;^的频率力，形成对系统频率的扰动。参照图2，正常并网运行时，Vpcc被电网电压钳位，》o;等于电网频率，不会累积偏移；在发生孤岛的情况下，^cr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A/0的效应会逐渐累积，在一段时间后/rcc会达到频率保护的阈值，即可判断系统出现孤岛运行现象。此方法的优点在于对多台并联PV系统的检测效果好，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法存在的对系统扰动大的问题，学者们提出了主动频率偏移正反馈法(ActiveFrequencyDriftwithPositiveFeedback: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△/(/)=△/()+Ax[yPCC(/—i)-/grW()]，其流程图见图3。其中，/表示第/个控制周期，A为反馈放大系数，/^w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/g^o会带来额外干扰。另外，频率双向偏移，在多台并联PV系统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△/(/)=A/0+h[/紅(/-1)U其流程图见图4，由于频率单向偏移，能适用于多台并联PV系统，仿真结果引入THD的增量约为0.4y。。
发明内容鉴于现有光伏并网发电系统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系统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，实现系统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系统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；否则，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。在实际系统中，本发明可以选择以频率/的倒数一周期时间:r(r-〃/)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r(f-i)，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；否则，按下式①确定并网电流指令^^在第/个周期的周期时间7)，并输出相应的并网电流指令的频率信号，柳=r(/-1)+[糊rIW-1)-一l".....................①其中，r(/)表示通过DPLL或过零检测获得的并网点的电压^a;在第/个周期的周期时间，《(/)为反馈放大系数，f(/)表示在第/个周期之前的w个周期的平均周期时间；指数m二l3，指数n二l3，平均周期f(;)按下式②计算，^')^Z7^)..........................................②频率偏移趋势变量dT按下式③计算，"r=|r(/-1)-f(/)|-|r(/-2)-f("i)|..................③反馈放大系数《(/)根据式③频率偏移趋势变量"r来选择，当d7^0时，《(/)=《。，当wr〉o时，表示频率偏移增大，增大反馈放大系数，使=〖G'-l)+尺。，进一步加快频率偏移速度。根据式①,/Vw的周期时间的偏差为A7X0=[《GXT7X/—1)—f(o"，在正常并网运行状态，《(/)和r(/-i)-f(/)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，r,.迅速增至欠频保护阈值，关停PV系统。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.lHz，n可大于m;反之，n可小于m。上述反馈放大系数的设定常数《。为0.1~1,反馈放大系数f(/)的初始值为《。。本发明采用双重正反馈主动频率偏移方法(ActiveFrequencyDriftwithDoublePositiveFeedback:AFDDPF)来检测光伏并网发电系统中的孤岛运行状态，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，孤岛检测时间縮短，检测时间分别为O.lOs、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。图1为光伏并网发电系统的基本结构图；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系统结构示意图；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系统，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系统结构示意图。系统采用常规的单级+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Vd。。系统主要参数如下额定功率=1.5kW直流母线电压1=240V并网电抗器Zgw=6mH变压器变比AA=1:2开关频率/=15kHz电网电压Fg^=220Vms电网频率/gw=50Hz反馈常数《o=0.5指数W=1，W=2局部区域负载满足正EEStd.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&w(50Hz)相符，L为48.9mH，C为207F。有功功率由电阻R决定，R取40Q。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；争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釆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^cc过零时，计算并网点电压的周期7T/-"，并判断并网点的电压频率/pa: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f(f)-丄gTX刀计算平均周期f(O，^卢—W按式"r=|r(/—1)-f(o|-|r(/-2)-f(/-i)|计算周期偏移趋势^r,根据"r值判断频率偏移的变化趋势，当c/rso日寸，则令〖(/):^《。，当"r>0频率偏移增大时，增大反馈放大系数，使^0')=〖(/-1)+〖()，进一步加快频率偏移速度；进而，按式7;(/)=n"i)+[《(orin"i)-f(/)l"确定并网电流指令4^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二l，指数!1=2，设定常数K。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法的系统响应特性，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l。表l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l<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>权利要求1、一种光伏并网发电系统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；否则，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的光伏并网发电系统的孤岛运行检测方法，其特征是该检测方法以频率的倒数——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r(z-i)，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；否则，按式7;o')=r(/-i)+[《(/)]w|ro'—1)-f(/)l"计算并网电流指令/Vw在第/个周期的周期时间7}，并输出相应并网电流指令的频率信号；其中，r(/)表示测得的并网点的电压^cc在第/个周期的周期时间，为反馈放大系数，J^)表示在第/个周期之前的N个周期的平均周期时间；指数m二l3，指数n二l3，平均周期f(0按式^/)=丄§71/)计算，频率偏移趋势变量dr按式dr=|:r(/-1)-2)-f(/-i)|计算，反馈放大系数《(/)根据频率偏移趋势变量来选择，当"r^o时，令〖(/)=《。，当^zr>o时，表示频率偏移增大，增大反馈放大系数，使〖(X)二〖0'-1)+T^，进一步加快频率偏移速度。3、根据权利要求2的光伏并网发电系统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.lHz，n〉m;反之，n〈m。4、根据权利要求2或3的光伏并网发电系统的孤岛运行检测方法，其特征是所述反馈放大系数《(/)的设定常数《。为0.1~1，反馈放大系数《(/)的初始值为^。。全文摘要一种光伏并网发电系统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。文档编号H02H7/22GK101257209SQ20081006517公开日2008年9月3日申请日期2008年1月10日优先权日2008年1月10日发明者强丁,政徐,施洪峰申请人:清华大学深圳研究生院;深圳市天源新能源有限公司