专利名称：一种基于无功扰动的光伏系统并网孤岛检测方法
技术领域：
本发明属于光伏并网发电技术领域，具体是一种基于无功扰动的光伏系统并网孤岛检测方法。
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，而光伏并网发电是大规模利用太阳能的一种重要方式。光伏系统通过并网逆变器将太阳能电池发出的直流电转换成交流电，直接向电网供电，不需要蓄电池等储能装置，系统的建设和维护成本低。当电网异常时，光伏发电系统和部分本地负载就会从主电网中脱离，而光伏系统仍然继续为此时与之相连的局部区域负载进行供电，形成局部带有发电装置和负载的电网结构，这种运行状况称为孤岛。在图1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。如果孤岛发生后不能及时地将其检测出、并停止系统运行，可能会造成如下危害光伏系统本身可能由于电压或频率的时控而造成损坏； 用电设备可能由于孤岛中的电压或是频率超出可接受范围而受到损坏；对电力检修人员或公众的生命造成威胁；当电网重合闸时，由于孤岛和电网中的电压、频率及相位不匹配，可能造成短路器的再次跳闸或损害光伏发电系统中的设备；若负载容量大于逆变电源容量时，会对逆变电源造成损害等。因此，要求光伏系统能够及时地检测出是否发生孤岛运行现象，并在发生孤岛时光伏系统能及时停止供电，IEEE Std. 929-2000标准要求在孤岛发生后的2秒内要检测出孤岛并关闭并网发电系统。孤岛检测技术可分为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，被动式监测的优点是不需要外加扰动，因此不会影响电能质量，但其缺点是当光伏系统的输出功率与负载功率保持平衡时，电网切断后，系统电压和频率不会出现明显变化，无法检测出孤岛的运行现象。 主动检测法则是由光伏系统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测量法和主动频移偏移法(AFD)；所述的电网阻抗测量法，其基本原理是在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，在孤岛发生时，该扰动可以使测量出的电网电压超出阈值，从而检测到孤岛的发生； 所述的主动频率偏移法，其基本原理是在并网系统输出中加入频率扰动，在孤岛发生时，该频率扰动可以使系统变得不稳定，从而检测到孤岛的发生；无论是电压反馈的过欠压保护或主动频率偏移法的高低频保护都存在较大的非检测区；即使使用过欠压保护和高低频保护相结合，也存在着非检测盲区，因此如何尽量能的减少检验盲区，实现孤岛检验无盲区， 且具有较快的检验速度，和工程实用性，是本领域需要的解决的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有光伏并网系统中孤岛检测技术的欠缺，实现光伏系统孤岛运行状态的快速且无盲区检测，且降低对电网的干扰。本发明解决其技术问题采用的技术方案是一种基于无功扰动的光伏并网发电系统的孤岛检测方法，包括以下步骤系统实时检测并网点的电压幅值和频率，判断并网点的电压幅值和频率是否达到系统保护的阈值，若达到，启动防孤岛保护信号；否则，通过双边间歇周期性的无功功率扰动，控制系统的逆变输出信号，实现系统输出电压幅值和频率的变化，并实时检测；上述双边间歇周期性的周期包括无功功率输出时间段和间歇时间段，各时间段的无功功率扰动值以电网电压的周期和系统的采样周期为调节变量。上述无功功率扰动，通过无功功率外环的逆变控制实现系统输出频率和电压幅值的变动。进一步，实时检测和判断并网点的电压幅值和频率的步骤包括运行软件锁相环程序，获得系统并网点的频率，并判断并网点的频率是否达到频率保护的阈值，若达到，启动防孤岛保护机制；否则，运行三相电压采样程序，并计算三相电压的有效值，并判断三相电压有效值是否达到电网电压幅值保护的阈值，若达到，启动孤岛保护机制；对所述电网电压的周期和系统的采样周期进行计数，电网电压的周期计数循环为 100次，系统的采样周期的计数循环为204次；所述各时间段的无功功率扰动值计算方法如下第0个电网周期内，无功功率扰动值，θ p = K*P*(m/204)；第1至4个电网周期内，无功功率扰动值，θ p = K*P ；第5个电网周期内，无功功率扰动值，θ p = K*P*(l_m/204)；第6个电网周期内，无功功率扰动值，θ p = -K*P*(m/204)；第7至10个电网周期内，无功功率扰动值，θ p = -K*P ；第11个电网周期内，无功功率扰动值，θρ = -K*P(l_m/204)；第12到99个电网周期内，无功功率扰动值为0 ；其中，K为扰动系数，P为给定有功功率值，m为系统的采样周期值m = 0 203 ； 所述的无功功率输出时间段包括第O到11个电网周期；所述的间歇时间段包括第12到99 个电网周期。所述的无功功率环是将系统输出反馈的无功功率与给定无功扰动基准信号进行比较，形成瞬时误差调节信号，经过无功功率PI调节器，作为给定基准值，与电流反馈信号进行比较，形成控制信号，控制系统输出的频率和幅值。本发明的有益效果在于，本发明采用的双边间歇周期性无功扰动法来检测光伏系统的孤岛运行状态，通过正负双边间歇周期性对并网系统进行无功扰动，实现了光伏系统并网孤岛运行的快速、准确的检测，且减小了对并网系统的干扰。在提高孤岛检测速度、减少检测盲区，降低电网干扰等方面，都明显优于传统方法。
图1为光伏并网系统的基本结构图；图2为实现本发明孤岛运行检测方法的一种具体实施方式
结构示意图3为本发明的孤岛运行检测方法的流程图；图4为本发明的孤岛检测方法的无功功率输出的波形示意图，P为系统额定功率值，T为电网电压周期值；图5为本发明的孤岛检测方法的仿真效果图；图6为本发明的系统运行效果图。
具体实施例如图2所示，实现本发明方法的一种具体实施方式
的系统结构，系统采用单级+工频变压器结构的并网逆变器，控制装置采用TMS320F2808芯片。系统的逆变控制采用无功功率环+电压环+电流环的三环控制方式，无功功率环和电压环为外环控制，电流环为内环控制，输出反馈无功功率和给定无功扰动信号比较，形成瞬时误差调节信号，经过无功功率 PI调节器后作为无功功率环的电流给定基准值，输出反馈电压和给定电压基准信号比较， 形成瞬时误差调节信号，经过电压PI调节器后作为作为电压外环的给定基准值，无功功率环的电流给定基准值及电压外环的电流给定基准值与电流反馈信号比较，形成瞬时误差信号，经过电流PI调节器产生电流误差控制信号，控制系统的输出。系统主要参数如下
额定功率:p = IOOkff
直流母线电压670V
开关频率10. 2KHz
变压器变比N= 1 1.36
输出相数三相
电网线电压380Vrms
电网相电压220Vrms
电网频率50H
扰动系数0. 07
电网相电压保护的上阈值242V
电网相电压保护的下阈值187V
电网频率的上阈值50. 5Hz
电网频率的下阈值49. 5Hz
系统的电压检测电路对并网点交流电压进行采样，频率检测电路对并网点的频率
进行采样，获得系统的电压幅值和频率值。孤岛检测程序根据采样获得的电压幅值和频率值，判断系统是否发生孤岛现象， 如果是，关闭驱动输出；否则，根据双向间歇周期性无功扰动法给出系统的无功扰动信号， 无功扰动控制环获得系统给出的无功扰动信号，驱动IGBT逆变装置，向并网电流注入扰动信号。参照流程图3，TMS320F2808芯片首先运行软件锁相环程序和电网电压周期及采样周期计数程序，获得系统并网点的频率，并判断并网点的电压频率fpcc是否达到频率保护的阈值，若达到，启动防孤岛保护机制；否则，运行三相电压采样程序，并计算三相电压的有效值，并判断三相电压有效值是否达到电网电压幅值保护的阈值，若达到，启动孤岛保护机制；否则，调用电网电压周期和采样周期计数器的结果，以电网电压周期和采样周期为调节变量，采用双边间歇性周期无功扰动方法给出无功扰动值，其过程是判断电网电压周期计数器值是否为0，若是，无功功率给定值为7% PX (m/204)； 否则，判断电网电压周期计数器值是否为1 4，若是，无功功率给定值为 % P ；否则，判断电网电压周期计数器值是否为5，若是，无功功率给定值为7% PX (l-m/204)；否则，判断电网电压周期计数器值是否为6，若是，无功功率给定值为-7% PXm/204 ；否则，判断电网电压周期计数器值是否为7 10，若是，无功功率给定值为-7% P ；否则，判断电网电压周期计数器值是否为11，若是，无功功率给定值为-7%P(l-m/204)；否则，判断电网电压周期计数器值是否为12 200，若是无功功率给定值为0 ；否则，电网电压周期计数器值清零；其中P为系统的额定工作功率100KW ；孤岛检测方法的无功功率输出的波形示意图如图4所
7J\ ο从图5可以看出，系统不存在孤岛检测的盲区；从图6可以看出，当扰动系数0. 14 时，系统的PF指标为0. 99，当扰动系数为0. 1时，系统的PF指标为0. 9945，本实施方式的扰动系数取0. 07，系统的PF指标为0. 9972，可见系统对电网的干扰小；从图5和图6可以看出，本系统采用的基于双向间歇周期性无功扰动的孤岛检测方法具有无检测盲区、检测快、 对电网干扰小的特点。以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
权利要求
1.一种基于无功扰动的光伏并网发电系统的孤岛检测方法，其特征是包括以下步骤 系统实时检测并网点的电压幅值和频率，判断并网点的电压幅值和频率是否达到系统保护的阈值，若达到，启动防孤岛保护信号；否则，通过双边间歇周期性的无功功率扰动，控制系统的逆变输出信号，实现系统输出电压幅值和频率的变化，并实时检测；所述的双边间歇周期性的周期包括无功功率输出时间段和间歇时间段，各时间段的无功功率扰动值以电网电压的周期和系统的采样周期为调节变量。所述的无功功率扰动，通过无功功率环的逆变控制实现系统输出频率和电压幅值的变动。
2.根据权利要求1所述的一种基于无功扰动的光伏并网发电系统的孤岛检测方法，其特征在于，实时检测和判断并网点的电压幅值和频率的步骤包括运行软件锁相环程序，获得系统并网点的频率，并判断并网点的频率是否达到频率保护的阈值，若达到，启动防孤岛保护机制；否则，运行三相电压采样程序，并计算三相电压的有效值，并判断三相电压有效值是否达到电网电压幅值保护的阈值，若达到，启动孤岛保护机制；
3.根据权利要求1所述的一种基于无功扰动的光伏并网发电系统的孤岛检测方法，其特征在于，对所述电网电压的周期和系统的采样周期进行计数，电网电压的周期计数循环为100次，系统的采样周期的计数循环为204次；所述各时间段的无功功率扰动值计算方法如下第0个电网周期内，无功功率扰动值，θρ = Κ*Ρ*(πι/204)； 第丄至4个电网周期内，无功功率扰动值，θρ = Κ*Ρ; 第5个电网周期内，无功功率扰动值，θ p = K*P*(l-m/204)； 第6个电网周期内，无功功率扰动值，θ p = -K*P*(m/204)； 第7至10个电网周期内，无功功率扰动值，θ p = -K*P ； 第11个电网周期内，无功功率扰动值，θρ = -K*P(l-m/204)； 第12到99个电网周期内，无功功率扰动值为0 ；其中，K为扰动系数，P为给定有功功率值，m为系统的采样周期值m = 0 203 ；所述的无功功率输出时间段包括第0到11个电网周期；所述的间歇时间段包括第12到99个电网周期。
4.根据权利要求1所述的一种基于无功扰动的光伏并网发电系统的孤岛检测方法，其特征在于，所述的无功功率环是将系统输出反馈的无功功率与给定无功扰动基准信号进行比较，形成瞬时误差调节信号，经过无功功率PI调节器，作为给定基准值，与电流反馈信号进行比较，形成控制信号，控制系统输出的频率和幅值。
全文摘要
一种基于无功扰动的光伏并网发电系统的孤岛检测方法，其特征是包括以下步骤系统实时检测并网点的电压幅值和频率，判断并网点的电压幅值和频率是否达到系统保护的阈值，若达到，启动防孤岛保护信号；否则，通过双边间歇周期性的无功功率扰动，控制系统的逆变输出信号，实现系统输出电压幅值和频率的变化，并实时检测；所述的双边间歇周期性的周期包括无功功率输出时间段和间歇时间段，各时间段的无功功率扰动值以电网电压的周期和系统的采样周期为调节变量。所述的无功功率扰动，通过无功功率环的逆变控制实现系统输出频率和电压幅值的变动。可实现光伏系统并网孤岛运行的快速、准确的检测，且能减小对并网系统的干扰。
文档编号G01R19/165GK102208817SQ20111012476
公开日2011年10月5日 申请日期2011年5月13日 优先权日2011年5月13日
发明者何金伟, 刘寅, 戴永军, 董睿, 马尚行 申请人:中国电子科技集团公司第三十六研究所