專利名稱：：光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島運行檢測方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于光伏發(fā)電和光伏并網(wǎng)發(fā)電
技術領域：
，具體是一種光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島運行檢測方法。
背景技術：
：能源已經(jīng)成為國際社會共同關注的重大問題，太陽能等新能源由于其可再生和清潔等特點越來越受到重視，而光伏并網(wǎng)發(fā)電又是大規(guī)模利用太陽能的一種重要形式。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)(以下簡稱為pv系統(tǒng))通過并網(wǎng)逆變器將太陽能電池發(fā)出的直流電轉換成波形良好的交流電，直接向電網(wǎng)供電，不需要諸如蓄電池之類的儲能裝置，系統(tǒng)的建設和維護成本低、轉換效率和可靠性高。隨著pv系統(tǒng)的不斷增加，對其應對各種異常狀況的保護措施的要求也越來越高，其中需要考慮一種特殊的非正常運行情況即孤島運行現(xiàn)象。孤島運行現(xiàn)象是指pv系統(tǒng)在電氣上與大電網(wǎng)斷開后，仍然繼續(xù)為此時與之相連的局部區(qū)域負荷供電的情況。在圖i所示的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，當開關s閉合時，系統(tǒng)并網(wǎng)運行；當開關s斷開時，系統(tǒng)孤島運行。如果發(fā)生孤島后不能及時地將其檢測出、并停止該pv系統(tǒng)的運行，可能會造成如下危害威脅維修供電線路人員的安全。造成電網(wǎng)保護電路不能正常工作，影響電網(wǎng)的重合閘。供電線路恢復時，由于pv系統(tǒng)在負載上產(chǎn)生的電壓幅值和相位很可能與電網(wǎng)不一致，造成環(huán)流而損壞相關的電氣設施。單相pv系統(tǒng)繼續(xù)供電，從而造成電網(wǎng)中三相負載缺相供電。因此，要求pv系統(tǒng)能及時地檢測出是否發(fā)生孤島運行現(xiàn)象，并在發(fā)生孤島時停止供電，電網(wǎng)公司及并網(wǎng)標準均要求相關的并網(wǎng)發(fā)電控制器產(chǎn)品擁有防孤島的功能，IEEEStd.929-2000提出了一個標準的測試過程。防孤島運行的重點和難點在于對孤島的檢測，可在以下幾個方面對孤島檢測方法的性能進行比較1.并網(wǎng)運行時的穩(wěn)定性，沒有誤動作；2.檢測速度，標準要求在孤島發(fā)生后的2秒內檢測出孤島并關閉并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；3.軟件和硬件成本；4.對多臺并聯(lián)PV系統(tǒng)的適用性；5.對系統(tǒng)的干擾，盡量減小并網(wǎng)電流的諧波畸變率(THD)。孤島檢測技術?？煞殖杀粍邮胶椭鲃邮絻深?。被動式檢測技術一般是監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)，如電壓、頻率，作為判斷電網(wǎng)是否故障的依據(jù)。常用的被動式檢測方法有過電壓、欠電壓、過頻及欠頻，一旦并網(wǎng)點的電壓、頻率超出正常范圍，判斷電網(wǎng)發(fā)生故障，保護電路將停止PV系統(tǒng)的運行。被動式檢測的優(yōu)點是不需要外加擾動，因此不會影響電能質量。但其缺點是當控制器的輸出功率與負載功率保持平衡時，電網(wǎng)切斷后系統(tǒng)電壓和頻率并不出現(xiàn)明顯變化，無法檢測出孤島運行現(xiàn)象。主動檢測法則是由并網(wǎng)逆變器定時向電網(wǎng)注入干擾信號，檢測系統(tǒng)受擾動后的響應，判斷電網(wǎng)是否已被切斷。常用的主動檢測法有電網(wǎng)阻抗檢測法和主動頻率偏移法(ActiveFrequencyDrift:AFD)。電網(wǎng)阻抗檢測法通過向并網(wǎng)電流中注入擾動，檢測對應的電壓響應來計算電網(wǎng)阻抗，當電網(wǎng)阻抗發(fā)生突變時，判斷出現(xiàn)孤島運行現(xiàn)象。其缺點是在多臺并聯(lián)PV系統(tǒng)中不夠可靠，因為各PV系統(tǒng)的輸出擾動難以同步。AFD法通過控制軟件實現(xiàn)，其并網(wǎng)電流指令^w的頻率力以式乂0')二》cc(卜i)士4/i確定，在實時檢測獲得的并網(wǎng)點電壓vrcc的頻率/m;上加入一個恒定的偏移量4/g，作為并網(wǎng)電流指令/;^的頻率力，形成對系統(tǒng)頻率的擾動。參照圖2，正常并網(wǎng)運行時，Vpcc被電網(wǎng)電壓鉗位，》o;等于電網(wǎng)頻率，不會累積偏移；在發(fā)生孤島的情況下，^cr沒有了電網(wǎng)電壓的支撐，其頻率會受到并網(wǎng)電流的影響，從而輸出電流的頻率擾動A/0的效應會逐漸累積，在一段時間后/rcc會達到頻率保護的閾值，即可判斷系統(tǒng)出現(xiàn)孤島運行現(xiàn)象。此方法的優(yōu)點在于對多臺并聯(lián)PV系統(tǒng)的檢測效果好，缺點是給并網(wǎng)電流引入較大的諧波。仿真結果表明，在保證通過IEEE929測試的前提下，AFD法會使并網(wǎng)電流的THD增加約3%。為了解決AFD法存在的對系統(tǒng)擾動大的問題，學者們提出了主動頻率偏移正反饋法(ActiveFrequencyDriftwithPositiveFeedback:AFDPF)，通過正反饋改變頻率偏移量，加速并網(wǎng)電流頻率的偏移。線性AFDPF法的頻率偏移量算法如下式△/(/)=△/()+Ax[yPCC(/—i)-/grW()]，其流程圖見圖3。其中，/表示第/個控制周期，A為反饋放大系數(shù)，/^w為電網(wǎng)頻率。線性AFDPF法的算法比較簡單，THD的增量為0.5%左右(仿真結果)。但由于電網(wǎng)頻率并不總是常數(shù)，將其設為/g^o會帶來額外干擾。另外，頻率雙向偏移，在多臺并聯(lián)PV系統(tǒng)中的檢測效果有待進一步驗證。平方AFDPF法的頻率偏移量算法如下式△/(/)=A/0+h[/紅(/-1)U其流程圖見圖4，由于頻率單向偏移，能適用于多臺并聯(lián)PV系統(tǒng)，仿真結果引入THD的增量約為0.4y。。
發(fā)明內容鑒于現(xiàn)有光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中孤島運行狀態(tài)檢測技術存在的上述欠缺，本發(fā)明提供一種光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島運行檢測方法，采用雙重正反饋方式來進一步加速并網(wǎng)電流的頻率的偏移速度，實現(xiàn)系統(tǒng)中孤島運行狀態(tài)的快速檢測，降低對電網(wǎng)的干擾。本發(fā)明的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島運行檢測方法是這樣實現(xiàn)的。它包括以下步驟控制裝置實時檢測并網(wǎng)點的電壓的頻率，判斷并網(wǎng)點的電壓的頻率是否達到頻率保護的閾值，若達到，輸出啟動防孤島保護信號；否則，通過雙重正反饋主動頻率偏移方法計算并網(wǎng)電流指令的頻率信號，并輸出該頻率信號；所述雙重正反饋主動頻率偏移方法是，將獲得的并網(wǎng)點的電壓的頻率相對于平均頻率的偏移作為第一正反饋，并將頻率偏移的變化趨勢作為第二正反饋，調節(jié)第一正反饋的反饋放大系數(shù)，當頻率偏移減小時，令該反饋放大系數(shù)為一設定常數(shù)，當頻率偏移增大時，使該反饋放大系數(shù)增大，以進一步加速并網(wǎng)電流頻率的偏移速度。在實際系統(tǒng)中，本發(fā)明可以選擇以頻率/的倒數(shù)一周期時間:r(r-〃/)作為調節(jié)變量，當并網(wǎng)點的電壓過零時，控制裝置計算并網(wǎng)點電壓的周期r(f-i)，并判斷并網(wǎng)點的電壓的頻率是否達到頻率保護的閾值，若達到，輸出啟動防孤島保護信號；否則，按下式①確定并網(wǎng)電流指令^^在第/個周期的周期時間7)，并輸出相應的并網(wǎng)電流指令的頻率信號，柳=r(/-1)+[糊rIW-1)-一l".....................①其中，r(/)表示通過DPLL或過零檢測獲得的并網(wǎng)點的電壓^a;在第/個周期的周期時間，《(/)為反饋放大系數(shù)，f(/)表示在第/個周期之前的w個周期的平均周期時間；指數(shù)m二l3，指數(shù)n二l3，平均周期f(;)按下式②計算，^')^Z7^)..........................................②頻率偏移趨勢變量dT按下式③計算，"r=|r(/-1)-f(/)|-|r(/-2)-f("i)|..................③反饋放大系數(shù)《(/)根據(jù)式③頻率偏移趨勢變量"r來選擇，當d7^0時，《(/)=《。，當wr〉o時，表示頻率偏移增大，增大反饋放大系數(shù)，使=〖G'-l)+尺。，進一步加快頻率偏移速度。根據(jù)式①,/Vw的周期時間的偏差為A7X0=[《GXT7X/—1)—f(o"，在正常并網(wǎng)運行狀態(tài)，《(/)和r(/-i)-f(/)都很小，所以對電能質量的影響不大。一旦發(fā)生孤島運行現(xiàn)象，兩者都會通過正反饋增大，r,.迅速增至欠頻保護閾值，關停PV系統(tǒng)。上述指數(shù)m、n取值按照電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性來選取，若電網(wǎng)頻率很穩(wěn)定，如電網(wǎng)頻率偏差小于正負0.lHz，n可大于m;反之，n可小于m。上述反饋放大系數(shù)的設定常數(shù)《。為0.1~1,反饋放大系數(shù)f(/)的初始值為《。。本發(fā)明采用雙重正反饋主動頻率偏移方法(ActiveFrequencyDriftwithDoublePositiveFeedback:AFDDPF)來檢測光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的孤島運行狀態(tài)，其將并網(wǎng)點的電壓的頻率相對于平均頻率的偏移作為第一正反饋，調節(jié)并網(wǎng)電流的頻率；并將頻率偏移的變化趨勢作為第二正反饋，調節(jié)第一正反饋的放大系數(shù)，進一步加速并網(wǎng)電流頻率的偏移速度，實現(xiàn)孤島運行的快速檢測。仿真和實驗結果，孤島檢測時間縮短，檢測時間分別為O.lOs、0.13s，并網(wǎng)電流的諧波畸變率THD分別為2.06。/。、2.97%，本發(fā)明無論是在孤島檢測速度，還是在降低對電網(wǎng)的干擾方面，都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。圖1為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本結構圖；圖2為傳統(tǒng)的主動頻率偏移法流程圖；.圖3為傳統(tǒng)的線性正反饋主動頻率偏移法流程圖；圖4為傳統(tǒng)的平方正反饋主動頻率偏移法流程圖；圖5為本發(fā)明孤島運行檢測方法的流程圖；圖6實現(xiàn)本發(fā)明孤島運行檢測方法的一實施例系統(tǒng)結構示意圖；圖7a-d為孤島發(fā)生后并網(wǎng)點電壓、并網(wǎng)電流及并網(wǎng)點電壓頻率的仿真波形；圖8a-d為孤島發(fā)生后并網(wǎng)點電壓、并網(wǎng)電流及并網(wǎng)點電壓頻率的實驗波形。具體實施方式以下結合附圖對本發(fā)明的進一步說明。本發(fā)明的方法適用于數(shù)字式并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)，逆變器并網(wǎng)端口的電壓過零檢測硬件電路等加上相應的軟件程序即能容易地實現(xiàn)。其核心技術是采用雙重正反饋主動頻率偏移方式(AFDDPF)來實現(xiàn)孤島運行狀態(tài)的快速檢測。圖6為實現(xiàn)本發(fā)明方法的一實施例系統(tǒng)結構示意圖。系統(tǒng)采用常規(guī)的單級+工頻變壓器結構的并網(wǎng)逆變器，控制裝置采用HD64F7047芯片，HD64F7047芯片承擔所有任務，包括孤島檢測、并網(wǎng)電流指令生成、輸出電流波形調制等等。為了保證實驗的可重復性，用直流穩(wěn)壓電源代替太陽能電池Vd。。系統(tǒng)主要參數(shù)如下額定功率=1.5kW直流母線電壓1=240V并網(wǎng)電抗器Zgw=6mH變壓器變比AA=1:2開關頻率/=15kHz電網(wǎng)電壓Fg^=220Vms電網(wǎng)頻率/gw=50Hz反饋常數(shù)《o=0.5指數(shù)W=1，W=2局部區(qū)域負載滿足正EEStd.929-2000的要求。并聯(lián)于變壓器次級的電感L和電容C的諧振頻率與電網(wǎng)頻率&w(50Hz)相符，L為48.9mH，C為207F。有功功率由電阻R決定，R取40Q。無功功率與有功功率的比值2.5。頻率保護的上、下閾值分別為50.5Hz和49.5Hz。其電壓檢測電路對并網(wǎng)點交流電壓進行采樣；過零檢測電路檢測電壓檢測電路的輸出信號的過零點，生成相對應的同步信號；孤島檢測程序根據(jù)此同步信號計算并網(wǎng)點電壓的頻率，判斷是否發(fā)生孤島現(xiàn)象，如果是，關閉驅動輸出；否則，計算并網(wǎng)電流指令的頻率；并網(wǎng)電流指令生成程序根據(jù)上述同步信號和并網(wǎng)電流指令的頻率，確定并網(wǎng)電流指令的瞬時值；爭流檢測電路對實際并網(wǎng)電流進行采樣；直流電壓電路對直流母線電壓進行采樣；并網(wǎng)電流波形控制程序根據(jù)并網(wǎng)電流偏差、直流電壓瞬時值及交流電壓瞬時值確定PWM信號，獲取與指令一致的正弦波形；驅動電路將PWM信號隔離和放大，驅動IGBT，向并網(wǎng)電流中注入擾動信號。上述并網(wǎng)電流指令生成、并網(wǎng)電流波形控制等可采用常規(guī)方式實現(xiàn)，而孤島運行狀態(tài)的檢測釆用了本發(fā)明雙重正反饋主動頻率偏移方式。參照流程圖5，HD64F7047芯片首先運行并網(wǎng)點電壓過零判斷程序，當并網(wǎng)點的電壓^cc過零時，計算并網(wǎng)點電壓的周期7T/-"，并判斷并網(wǎng)點的電壓頻率/pa:是否達到頻率保護的閾值？若達到，輸出啟動防孤島保護信號；否則，按式f(f)-丄gTX刀計算平均周期f(O，^盧—W按式"r=|r(/—1)-f(o|-|r(/-2)-f(/-i)|計算周期偏移趨勢^r,根據(jù)"r值判斷頻率偏移的變化趨勢，當c/rso日寸，則令〖(/):^《。，當"r>0頻率偏移增大時，增大反饋放大系數(shù)，使^0')=〖(/-1)+〖()，進一步加快頻率偏移速度；進而，按式7;(/)=n"i)+[《(orin"i)-f(/)l"確定并網(wǎng)電流指令4^的周期，并輸出相應的并網(wǎng)電流指令的頻率信號。其中，指數(shù)m二l，指數(shù)!1=2，設定常數(shù)K。取0.5。通過計算機仿真和實驗，參照圖7-8，比較無防孤島功能和采用線性AFDPF法、平方AFDPF法及本發(fā)明的AFDDPF法的系統(tǒng)響應特性，圖7a-d為孤島發(fā)生后并網(wǎng)點電壓、并網(wǎng)電流及并網(wǎng)點電壓頻率的仿真波形，圖8a-d為孤島發(fā)生后并網(wǎng)點電壓、并網(wǎng)電流及并網(wǎng)點電壓頻率的實驗波形，仿真和實驗結果見性能比較數(shù)據(jù)表l。表l所示的性能比較數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明無論是在孤島檢測速度，還是在降低對電網(wǎng)的干擾方面，都明顯優(yōu)于其它方法。、表l<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>權利要求1、一種光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島運行檢測方法，其特征是包括以下步驟控制裝置實時檢測并網(wǎng)點的電壓的頻率，判斷并網(wǎng)點的電壓的頻率是否達到頻率保護的閾值，若達到，輸出啟動防孤島保護信號；否則，通過雙重正反饋主動頻率偏移方法計算并網(wǎng)電流指令的頻率信號，并輸出該頻率信號；所述雙重正反饋主動頻率偏移方法是，將獲得的并網(wǎng)點的電壓的頻率相對于平均頻率的偏移作為第一正反饋，并將頻率偏移的變化趨勢作為第二正反饋，調節(jié)第一正反饋的反饋放大系數(shù)，當頻率偏移減小時，令該反饋放大系數(shù)為一設定常數(shù)，當頻率偏移增大時，使該反饋放大系數(shù)增大，以進一步加速并網(wǎng)電流頻率的偏移速度。2、根據(jù)權利要求1的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島運行檢測方法，其特征是該檢測方法以頻率的倒數(shù)——周期時間作為調節(jié)變量，當并網(wǎng)點的電壓過零時，控制裝置計算并網(wǎng)點的電壓的周期r(z-i)，并判斷并網(wǎng)點的電壓的頻率是否達到頻率保護的閾值，若達到，輸出啟動防孤島保護信號；否則，按式7;o')=r(/-i)+[《(/)]w|ro'—1)-f(/)l"計算并網(wǎng)電流指令/Vw在第/個周期的周期時間7}，并輸出相應并網(wǎng)電流指令的頻率信號；其中，r(/)表示測得的并網(wǎng)點的電壓^cc在第/個周期的周期時間，為反饋放大系數(shù)，J^)表示在第/個周期之前的N個周期的平均周期時間；指數(shù)m二l3，指數(shù)n二l3，平均周期f(0按式^/)=丄§71/)計算，頻率偏移趨勢變量dr按式dr=|:r(/-1)-2)-f(/-i)|計算，反饋放大系數(shù)《(/)根據(jù)頻率偏移趨勢變量來選擇，當"r^o時，令〖(/)=《。，當^zr>o時，表示頻率偏移增大，增大反饋放大系數(shù)，使〖(X)二〖0'-1)+T^，進一步加快頻率偏移速度。3、根據(jù)權利要求2的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島運行檢測方法，其特征是所述指數(shù)m、n取值按照電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性來選取，若電網(wǎng)頻率偏差小于正負0.lHz，n〉m;反之，n〈m。4、根據(jù)權利要求2或3的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島運行檢測方法，其特征是所述反饋放大系數(shù)《(/)的設定常數(shù)《。為0.1~1，反饋放大系數(shù)《(/)的初始值為^。。全文摘要一種光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島運行檢測方法，包括控制裝置實時檢測并網(wǎng)點的電壓的頻率，判斷并網(wǎng)點電壓的頻率是否達到頻率保護的閾值，若達到，輸出啟動防孤島保護信號；否則，通過雙重正反饋主動頻率偏移法計算并網(wǎng)電流指令的頻率信號，并輸出該頻率信號；所述雙重正反饋主動頻率偏移方法是，將獲得的并網(wǎng)點的電壓的頻率相對于平均頻率的偏移作為第一正反饋，并將頻率偏移的變化趨勢作為第二正反饋，調節(jié)第一正反饋的反饋放大系數(shù)。其實現(xiàn)了孤島快速檢測，仿真和實驗結果，孤島檢測時間分別縮短為0.10s、0.13s，并網(wǎng)電流的諧波畸變率THD分別為2.06％、2.97％，在孤島檢測速度和降低對電網(wǎng)的干擾方面，都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。文檔編號H02H7/22GK101257209SQ20081006517公開日2008年9月3日申請日期2008年1月10日優(yōu)先權日2008年1月10日發(fā)明者強丁,政徐,施洪峰申請人:清華大學深圳研究生院;深圳市天源新能源有限公司