多逆变器并联运行时的孤岛检测系统和方法与流程

1.本发明涉及孤岛检测领域，尤其是一种多逆变器并联运行时的孤岛检测系统和方法。


背景技术：

2.新能源发电系统中，通常采用逆变器将电能转化为交流电能，逆变器输出端通过断路器连接负载和电网。当电网因为故障等原因断开时，逆变器和本地负载会在孤岛(islanding)状态下运行，孤岛运行状态将会对检修和维护带来威胁，需要被检测出来并在某些条件下终止运行。现有技术中，孤岛运行状态检测(简称“孤岛检测”)主要有主动和被动方式。被动方式主要通过监视pcc点电压、频率等参数实现孤岛检测，但是被动孤岛检测往往有比较大的非检测区(ndz)，作为补充，通常还需要加入主动孤岛检测，常见的主动孤岛检测方法包括主动频率偏移、无功注入、谐波注入等。
3.对于多逆变器并联运行时的孤岛检测，常见的处理措施是“相同检测方法+同步注入”。即在多逆变器并联的系统中，所有逆变器采用相同的主动孤岛检测方法。一般地，为了保证注入动作的同步，系统中需要设计有主控制器，主控制器可以是独立的控制器，也可以将某一逆变器的控制器作为主控制器，其他逆变器的控制器作为从控制器。主控制器与从控制器之间通过通信建立连接。孤岛检测时，主控制器输出同步基准信号，并传输到各个从控制器中。从控制器接收同步信号后，执行孤岛检测动作。为了减少通讯延时，一般采用高速通信总线，比如can总线等。这种处理措施的实施前提是每台逆变器采用相同的孤岛检测模型，并且逆变器之间需要通过建立高速(或实时)通信以实现准确同步。如果系统中有一台逆变器使用了不同的模型或者检测不同步，则可能导致整个系统的孤岛检测失效，因此算法的鲁棒性差。
4.进一步地，如果系统中的逆变器彼此无法实现高速(或实时)通信，甚至根本没有通信，比如在光伏储能逆变器与具备双向功率交互能力的电动汽车组成的并联系统，传统的并联系统孤岛检测方法在这一类应用场景中是很难奏效的。
5.因此，寻找一种无需通信的多逆变器并联运行时的孤岛检测系统和方法以解决上述的一个或多个技术问题，是非常有必要的。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种多逆变器并联运行时的孤岛检测系统，其通过在电网侧或第二逆变器的交流侧增加电流检测电路，可针对不同的情形自适应地执行分布式或集中式孤岛检测，提高了孤岛检测的成功率。
7.为了实现上述目的，本发明提供一种多逆变器并联运行时的孤岛检测系统，多逆变器至少包括并联的第一逆变器和第二逆变器，该孤岛检测系统包括：
8.电流检测电路，设置于电网侧或第二逆变器的交流侧；以及
9.控制器，分别与所述电流检测电路和第一逆变器连接；
10.所述控制器根据该电流检测电路的电流检测信号和电网电压信号，确定对第一逆变器和第二逆变器是执行分布式孤岛检测还是执行集中式孤岛检测。
11.本发明还提供一种多逆变器并联运行时的孤岛检测方法，所述多逆变器至少包括并联的第一逆变器和第二逆变器，该孤岛检测方法包括：
12.采样电网电压得到电网电压信号；
13.采样电网侧或第二逆变器交流侧的电流得到电流检测信号；以及
14.根据所述电流检测信号和所述电网电压信号，确定对所述第一逆变器和所述第二逆变器是执行分布式孤岛检测还是执行集中式孤岛检测。
15.本发明通过控制器识别第二逆变器的孤岛检测模型，将其与预先设置的模型库中的典型孤岛检测模型匹配，根据匹配结果来确定执行分布式或集中式孤岛检测，提高了孤岛检测的成功率。
16.以下将以实施方式对上述的说明作详细的描述，并对本发明的技术方案提供更进一步的解释。
附图说明
17.为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
18.图1为根据本发明一种实施方式的多逆变器并联运行时的孤岛检测系统的电路示意图；
19.图2为根据本发明另一种实施方式的多逆变器并联运行时的孤岛检测系统的电路简化图；
20.图3为根据本发明一种实施方式的基于无功电流注入的孤岛检测模型；
21.图4为根据本发明一种实施方式的多逆变器并联运行时的孤岛检测方法的流程图；
22.图5为根据本发明一种实施方式的集中式孤岛检测流程图；
23.图6为根据本发明一种实施方式的分布式孤岛检测流程图；
24.图7为根据本发明一种实施方式的基于同步注入的分布式孤岛检测模型的示意图；
25.图8为根据本发明一种实施方式的基于分时注入的分布式孤岛检测模型的示意图；
26.图9为根据本发明另一种实施方式的分布式孤岛检测流程图；
27.图10为根据本发明一种实施方式的基于对抗注入的分布式孤岛检测模型示意图。
具体实施方式
28.为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照所附的附图及以下该各种实施例，附图中相同的号码代表相同或相似的组件。另一方面，众所周知的组件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本发明造成不必要的限制。此外，为简化附图起见，一些已知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示。
29.根据本发明一种优选实施方式，参见图1-2，提供一种多逆变器并联运行时的孤岛
检测系统，至少包括并联的第一逆变器131和第二逆变器170。该孤岛检测系统还包括：电流检测电路140(称为第一电流检测电路)以及控制器132。第一电流检测电路140可以设置于电网侧或第二逆变器170的交流侧。控制器132分别与第一电流检测电路140和第一逆变器131连接。其中，控制器132根据采样电网电压得到的电网电压信号以及该第一电流检测电路140检测的电流检测信号，确定对第一逆变器131和第二逆变器170是执行分布式孤岛检测还是执行集中式孤岛检测。
30.具体地，参见图1，其示出了根据本发明一种优选实施方式的多逆变器并联运行时的孤岛检测系统的电路示意图。其中，该系统可包括：第一直流源110、第二直流源120、逆变器系统130、本地负载190、电网150、第三直流源160、第二逆变器170、第一电流检测电路140、以及连接器180。在一些实施例中，第一直流源110比如光伏面板接入到第一逆变器131。第二直流源120例如户用储能电池接入到第一逆变器131。逆变器系统130比如为储能逆变器系统。第三直流源160比如车载电池接入到第二逆变器170。第二逆变器170比如为车载充电机。连接器180可以是充电枪等形式的连接器。
31.具体的，以一种v2g(vehicle to grid)系统为例，系统中包含有电动汽车、光伏面板、储能电池和储能逆变器等。对应到图1，第一直流源110为光伏面板，第二直流源120为储能电池，第三直流源为安装在电动汽车中的动力电池，第一逆变器131为储能逆变器，第二逆变器170为安装在电动汽车中的双向充电机，连接器180为集成在储能逆变器中的充电枪，储能逆变器中设计有能量管理系统，能够对储能电池和电动汽车的动力电池进行状态监控和功率控制。需要说明的是，各个直流源以及逆变器也可以应用于其他技术领域，本案不对此做限制。
32.逆变器系统130可包括：第一逆变器131、控制器132、电流检测电路133(称为第二电流检测电路)和断路器134。图1中显示的第一逆变器131、控制器132、第二电流检测电路133和断路器134是分立的部件，在其他实施例中，控制器132、第二电流检测电路133和断路器134可以集成在第一逆变器131中。其中，需要说明的是，逆变器系统130本身为了实现控制以及孤岛检测需要设置一个第二电流检测电路133，第二电流检测电路133设置在第一逆变器131的交流侧。第二电流检测电路133是逆变器系统130本身需要设置的，是现有硬件中就存在的，此处不展开说明。在实际应用中，为了实现本技术的多逆变器并联的孤岛检测，需要在系统中额外设置第一电流检测电路140。在该实施例中，如图1所示，第一电流检测电路140设置在第二逆变器170的输出侧，例如可以设置在连接器180的前后；在其他实施例中，第一电流检测电路140设置第一逆变器131和第二逆变器170的公共输出端侧，即电网侧。第二电流检测电路133和第一电流检测电路140可为电流传感器ct，电流传感器ct采样得到的电流检测信号输入到控制器中。进一步的，逆变器系统130还包括电压检测电路(图中未示出)，用于采样电网电压并将电网电压信号输入到控制器中。控制器132通过对采样信号(例如，电流检测信号以及电网电压信号)的处理，从而完成对第二逆变器170的孤岛检测模型的识别和/或第一逆变器131自身孤岛检测模型的调整。
33.进一步地，控制器132与第一逆变器131电连接，将控制信号传送到第一逆变器131，实现对第一逆变器131的正常工作状态的控制，以及第一逆变器131的孤岛检测和后续动作等等。控制器132同时控制断路器134，在检测到孤岛发生后，断开系统与负载190的连接。
34.参见图2，其示出了根据本发明图1的多逆变器并联运行时的孤岛检测系统的电路简化图。其中，第一电流检测电路140设置在第二逆变器170的输出端，在其他实施例中，第一电路检测电路140还可以设置在电网侧，其作用效果是等效的。
35.其中，图3示出了根据本发明一种实施方式的基于无功电流注入的孤岛检测模型。其中，基于无功电流注入的孤岛检测模型的作用机理如下：
36.步骤1：在逆变器输出侧周期性注入无功电流iq。
37.步骤2：根据电网电压信号计算输出频率，当输出频率发生改变时，进入增强注入模式，加大无功电流注入强度；注入强度加大到一定值后，停止注入，观测输出频率。
38.步骤3：当步骤2中观测的输出频率符合图3中的规律时，记为一次事件。
39.步骤4：当检测到图中的事件连续发生几次后，判定孤岛发生。
40.需要说明的是，在实际中，孤岛检测模型包括但不限于上述的无功电流注入方式，还可以为其他的方式，本案不以此为限。下面将以无功电流注入为例描述多逆变器并联运行时的孤岛检测。
41.图4示意性示出了根据本公开的一实施例的一种多逆变器并联运行时的孤岛检测方法的流程图。如图4所示，主要包括：
42.步骤s10：采样电网电压得到电网电压信号；采样电网侧的电流或第二逆变器交流侧的电流得到电流检测信号。
43.步骤s20：根据电流检测信号和电网电压信号，拟合第二逆变器的孤岛检测模型。
44.步骤s30：判断孤岛检测模型是否与孤岛检测模型库匹配。
45.在一些实施例中，将第一电流检测电路140采样的电流检测信号以及电压检测电路采样的电网电压信号输入到控制器132中。控制器132根据电流检测信号和电网电压信号，拟合第二逆变器170的孤岛检测模型。具体而言，控制器132可以根据采样信号获得第二逆变器170的电气参数，包括电压、电流、有功功率、无功功率、频率等信息。控制器132通过获得大量的第二逆变器170的电气参数，完成关于第二逆变器170的孤岛检测模型关键特征的分析及提取，包括扰动类型(例如频率偏移、无功注入、谐波注入等)、扰动周期、扰动幅度等。控制器132根据提取到的特征，拟合出第二逆变器170的孤岛检测模型。其中，第二逆变器170的孤岛检测模型的拟合可依据大量采样数据(例如大量历史采样数据)，包括当前周期采样的电流检测信号和电网电压信号。对于第二逆变器170的孤岛检测模型的拟合可以采用现有技术中的拟合方式或者通过机器学习的方式，本案对此不做限定。
46.在一些实施例中，控制器132根据该孤岛检测模型判断是否与孤岛检测模型库匹配，分别执行分布式孤岛检测或者集中式孤岛检测。其中，控制器132中存储有模型库，库里包含了若干种典型的孤岛检测模型。控制器132将拟合的第二逆变器170的孤岛检测模型与模型库中的模型进行对比分析，如果与某一模型满足一定重合度的时候，即可匹配成功，否则匹配失败。
47.进一步的，若不匹配，执行步骤s40；若匹配，执行步骤s50。
48.步骤s40：执行集中式孤岛检测。
49.步骤s50：执行分布式孤岛检测。
50.其中，若孤岛检测模型与孤岛检测模型库匹配，则执行分布式孤岛检测；在分布式孤岛检测中，并联的第一逆变器131和第二逆变器170各自独立进行孤岛检测。
51.若孤岛检测模型与孤岛检测模型库不匹配，则执行集中式孤岛检测；在集中式孤岛检测中，第一逆变器131和第二逆变器170作为整体，通过第一逆变器131执行集中式孤岛检测。
52.具体的，在集中式孤岛检测中，控制器132根据电流检测信号实时补偿用于检测第一逆变器131的孤岛运行状态的控制信号，即实时补偿第一逆变器131的孤岛检测控制信号，将补偿后得到的控制信号输出给所述第一逆变器131。
53.图5为本发明一种实施方式的集中式孤岛检测的流程图，可包括以下步骤：
54.步骤s401：根据电网电压信号以及电流检测信号获取第二逆变器的参数。
55.示例性的，控制器132可以根据采样得到的电流检测信号、电网电压信号获取第二逆变器170的参数，包括电压、电流、有功功率、无功功率、频率或谐波等信息。
56.步骤s402：判断第二逆变器是否在进行孤岛检测。如果是，则执行步骤s403，否则执行步骤s404。
57.步骤s403：根据第二逆变器的孤岛检测模型的参数，计算第一逆变器的孤岛检测控制信号的补偿量。
58.步骤s404：更新第一逆变器的孤岛检测控制信号。
59.以上述注入无功电流的孤岛检测方法为例，假定某一时刻，在不考虑第二逆变器170影响时，第一逆变器131准备注入的孤岛检测控制信号例如是无功电流1a。此时步骤s402判断结果为“是”，即第二逆变器170正在进行孤岛检测，与此同时，根据采样信号例如计算出第二逆变器170正在注入0.5a的无功电流，则相应地计算一补偿量，其取值为-0.5a。根据该补偿量更新第一逆变器131的孤岛检测控制信号，其取值大小为(1+(-0.5)＝0.5a，第一逆变器131根据更新后的孤岛检测控制信号进行孤岛检测。类似的，如果计算出第二逆变器170正在注入-0.5a的无功电流，则补偿量为0.5a，则更新后的第一逆变器的孤岛检测控制信号为(1+(0.5))＝1.5a。这里以无功电流为例进行具体说明，但不限于该电气参数，比如也可以是注入谐波量等。步骤s402判断结果为“否”，则第一逆变器根据自身的孤岛检测模型更新控制信号即可。
60.图6为根据本发明一种实施方式的分布式孤岛检测流程图。如图6所示，包括：
61.步骤s501：加载第二逆变器的孤岛检测模型的参数。
62.步骤s502：配置第一逆变器的孤岛检测模型与第二逆变器的相同。
63.步骤s503：判断检测是否需要同步。
64.若需要同步，执行步骤s504，若不同步，执行步骤s505。
65.步骤s504：采用同步注入模式。
66.步骤s505：采用分时注入模式。
67.同样的，控制器132加载第二逆变器170的孤岛检测模型的参数，包括扰动类型、注入周期、注入幅度等信息。
68.具体而言，获取逆变器132的孤岛检测模型后，控制器132配置第一逆变器131使用与第二逆变器170相同的孤岛检测模型，并且控制第一逆变器131的孤岛检测控制信号与第二逆变器170在时序上保持同步或者异步。
69.进一步，参见图7，其中示出了同步注入方式下不同逆变器孤岛检测模型示意图。以无功电流注入为例，参见图7，若拟合出第二逆变器170的孤岛检测模型，例如注入的无功
电流规律如图7中第二逆变器iq所示，孤岛发生时频率变化如图7中第二逆变器f所示；配置第一逆变器131载入第二逆变器170的孤岛检测模型，第一逆变器131采用同样模型周期性注入无功电流，注入时间与第二逆变器170保持同步，而且其注入的幅度与第二逆变器170保持一致。该设计的目的在于使得两台逆变器的注入信号形成叠加效应，提高孤岛检测速度。
70.在一些实施例中，采用分时注入模式时，第一逆变器使用与第二逆变器相同的孤岛检测模型，但是其控制命令与第二逆变器在时序上是严格错开的，确保彼此之间的孤岛检测不会发生相互影响。
71.进一步，参见图8，其中示出了分时注入方式下不同逆变器孤岛检测模型的示意图。以无功注入为例，参见图8，第二逆变器170的孤岛检测模型，即注入的无功电流规律如图8中第二逆变器iq所示，如发生孤岛时频率变化如图8中第二逆变器f所示。控制器132配置第一逆变器131载入第二逆变器170的孤岛检测模型，使得第一逆变器131同样周期性注入无功电流，但是在每个周期内的注入动作都是在第二逆变器170不扰动的间隔内完成。该设计的目的在于实现两台逆变器孤岛检测独立进行，互不干扰。
72.在另一些实施例中，可以采用对抗注入模式。具体流程图如图9所示，包括：
73.步骤s701：获取第二逆变器的孤岛检测模型的参数。
74.步骤s702：配置第一逆变器的孤岛检测模型与第二逆变器的对称。
75.步骤s703：采用对抗注入模式。
76.配置第一逆变器131使用与第二逆变器170对称的孤岛检测模型，呈现此消彼长的对抗关系，并且第一逆变器131的检测周期与时刻与第二逆变器170是保持同步的，使得两者的控制信号的总和保持恒定。
77.进一步，参见图10，其中示出了同步注入方式下不同逆变器孤岛检测模型的示意图。以无功电流注入为例，若拟合出的第二逆变器170的孤岛检测模型，其规律如图10中第二逆变器iq所示，孤岛发生时频率变化如图10中第二逆变器f所示。控制器132配置第一逆变器131载入对称的第二逆变器170的孤岛检测模型，第一逆变器131同样周期性注入无功电流，注入时间与第二逆变器170保持同步，但是其注入的幅度与第二逆变器170形成对抗模式，保持总无功电流注入量恒定。即配置第一逆变器131的注入幅度随着第二逆变器170的注入幅度增加而减小。该设计的目的在于使得两台逆变器的注入信号形成叠加效应，但是又能控制总注入量，提高孤岛检测速度。
78.可以理解的是，根据需要可选择执行同步注入、分时注入和对抗注入三种模式中的一种注入模式。
79.优选地，分布式孤岛检测中，控制器132配置第一逆变器131的孤岛检测模型与第二逆变器170的孤岛检测模型相同，并且控制器132相对于所述第二逆变器170以同步注入或分时注入的方式对第一逆变器131施加孤岛检测控制信号，即对第一逆变器131施加与孤岛检测模型相对应的孤岛检测控制信号。或者，控制器132配置第一逆变器131的孤岛检测模型与第二逆变器170的孤岛检测模型对称，并且控制器132相对于第二逆变器170以对抗注入的方式对第一逆变器131施加孤岛检测控制信号，即对第一逆变器131施加与孤岛检测模型相对应的孤岛检测控制信号。
80.本发明通过控制器识别第二逆变器的孤岛检测模型，将其与预先设置的模型库中
的典型孤岛检测模型匹配，根据匹配结果来确定执行分布式或集中式孤岛检测，提高了孤岛检测的成功率。
81.进一步，本技术的多逆变器并联的孤岛检测系统结构简单，无需建立复杂的实时通信网络；并且匹配简单，采用本技术的系统，理论上适用任意的第二逆变器，且第二逆变器无需做任何设计变更(包括硬件和软件)。
82.同时，在集中式孤岛检测中，实时补偿用于检测第一逆变器的孤岛运行状态的控制信号，减小第二逆变器孤岛检测的干扰；在分布式孤岛检测中，采用同步注入、分时注入或对抗注入方式消除了不同逆变器之间孤岛检测干扰。
83.虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。