專利名稱：一種基于輸出電流頻率擾動的抗孤島效應保護方法
技術領域：
本發明專利涉及并網發電系統中逆變器的控制方法，尤其涉及一種基于輸 出電流頻率擾動的抗孤島效應保護方法。
背景技術：
分布式并網發電是將太陽能、風能等新能源的能量轉化為電力，并通過并 網逆變器將電力送入常規電網的新能源利用模式。并網逆變器是并網發電系統 中技術含量較高的關鍵部件，其作用是將直流電能轉化與電網頻率和相位同步 的正弦電流，成為可輸入電網的高品質交流電能。從安全角度考慮，并網逆變 器必須具備抗孤島運行保護的功能。(注在并網發電系統正常運行狀態下， 電網斷電后如果逆變器檢測不到電網的斷電狀態，仍向本地負載提供電流，這 種運行狀態就稱為孤島運行)。
由于在孤島運行模式下，并網發電系統繼續向已與電力公司的配電網斷開 的電力線供電，這不但會影響電能質量，進而導致用電設備損害，嚴重時還會 危及維護檢修人員的生命安全。因此，研究孤島檢測方法及保護措施，將孤島 產生的危害降至最低具有十分重要的現實意義。
現有的抗孤島保護方法主要有被動檢測法和主動檢測法。
一般情況下，本地負載與并網逆變器的輸出功率是不匹配的，市電掉電時， 逆變器輸出電壓的幅度和頻率或者電壓電流的諧波都會有突然變化，被動檢測 法通過監測這些電量的突變來檢測孤島效應。在負載容量與逆變器輸出功率相 當情況下，電網斷電前后逆變器輸出端的電壓和頻率可能都不會有較大變化， 處于正常工作范圍之內，被動方法就會失效。所以，為確保系統的安全性，一 般采用主動施加擾動的方法結合被動檢測方法實現孤島效應的檢測與保護。
并網逆變器采用電流控制模式，輸出電流跟蹤電網電壓的頻率和相位，可 認為是受控交流電流源，它有三個要素可以被控制，即其峰值、頻率和相位。主動擾動的方法一般是基于這三個要素施加擾動的，分別對應于有功、頻率和 無功擾動三種主動擾動方法。其中，頻率擾動是較為常用的一種孤島檢測方法， 它通過對輸出電流的頻率施加擾動來進行孤島效應檢測逆變器檢測電網電壓 的頻率，稍微放大或縮小后作為輸出電流頻率的給定信號，從而使輸出電流頻 率偏移電網電壓頻率，造成輸出電壓、電流存在相位偏移，孤島情況下，該相 位偏移會被系統內部的鎖相電路檢測到，從而影響頻率檢測值，在此基礎上施 加新的頻率擾動，便可使系統工作頻率逐步偏移，直至超出頻率工作范圍，最 終觸發頻率保護動作，由此實現孤島效應檢測。
頻率擾動方法在特定的負載條件下可能失去擾動效果，其檢測失敗的原因 是孤島運行情況下，逆變器的交流輸出端的電壓由逆變器輸出電流和負載阻 抗特性共同決定，電壓與電流之間的相位差取決于負載阻抗角，特定負載和頻 率擾動策略下，負載阻抗角造成的相位差抵消了頻率擾動相位偏移作用，系統 頻率無法持續偏移，逆變器與負載就形成了一個相對穩定的系統。
對于特定的頻率擾動策略，如果某個特定的負載使孤島檢測失敗，檢測盲 區的大小是由頻率擾動幅度的大小和擾動施加的策略決定的。對于常規的頻率 偏移檢測方法，在系統正常運行情況下，由于頻率擾動的施加，電流頻率與電 網電壓頻率存在一定偏差，系統輸出電流波形為過零點存在畸變的正弦波形， 頻率擾動幅度愈大，電流波形受到的影響愈大，輸出電能質量越差。并網發電 系統對電流波形質量的要求決定了頻率擾動幅度不能取的太大，而要獲得更小 的檢測盲區，又需要適當大的頻率擾動幅度，這是一對矛盾。要獲得更好的檢 測效果和相對較高的電流波形質量，需要從新的角度來改進頻率擾動的策略。 本發明的研究表明，對于特定的頻率擾動幅度，檢測盲區的大小是由頻率擾動 的方向、頻率保護上限和下限等因素共同決定的，系統要根據負載的特性來確 定頻率擾動的方向，這樣才能獲得最小的檢測盲區。常規頻率擾動方法的工作 模式是根據頻率檢測結果來確定擾動的方向，頻率擾動的初始方向一般由電網 斷電前的系統工作頻率決定，這無法確保正確的擾動方向，也就無法獲得特定 頻率擾動幅度下的最佳檢測效果。
發明內容
本發明的目的是針對頻率擾動法孤島效應檢測方法存在的缺陷，提供一種 基于輸出電流頻率擾動的抗孤島效應保護方法。該方法通過兩種途徑來減小檢 測盲區 一是加大頻率擾動的周期，二是根據負載的諧振頻率確定頻率擾動的 方向。
方法一
由于傳統頻率擾動方法的頻率檢測和擾動周期為半個工頻周期，本方案把 頻率擾動周期由常規的半個工頻周期加大到一個或多個工頻周期，從而通過增 大頻率擾動周期，可以以相對較小的頻率擾動幅度，在保證波形質量的基礎上 大大減小檢測盲區。此外，同傳統頻率擾動方法相比，在檢測效果相當的基礎 上，提高了輸出電流的波形質量。
需要注意的是，這里通過加大頻率擾動的周期來增加擾動，而不是單純的 增大擾動幅度，從而既減小了檢測盲區又確保了波形質量。
方法二
本方案首先要明確頻率保護限、擾動方向與檢測盲區的關系
由于特定頻率擾動幅度下，檢測盲區的大小是由頻率擾動的策略決定的， 根據頻率保護上限和下限，確定頻率范圍的中心頻率。由此根據檢測頻率偏移 中心頻率的方向，確定頻率的擾動方向，便可以獲得最小的檢測盲區。
實施時在連續的頻率擾動之間插入一個不施加擾動的時段，孤島情況下， 此段時間內的系統工作頻率為負載的諧振頻率，據此確定頻率擾動的方向，可 以減小孤島效應的檢測盲區。
然后，進行負載諧振頻率的檢測系統要根據負載的諧振頻率偏移中心頻 率的方向來確定頻率擾動的方向。
由于傳統頻率擾動方法擾動是連續施加的，系統的工作頻率在擾動下偏移 負載諧振頻率，無法獲得準確的頻率信息。所以采用間歇性頻率擾動的方法， 在不施加頻率擾動的時段內檢測系統工作頻率，可以獲得準確的負載諧振頻 率。
上述方案中選擇(fmin+fmax)/2作為頻率比較的基準，由于各國電網的客觀差別，頻率保護上下限常常不同，如澳大利亞標準AS4777要求fmin=45HZ, fmax=55HZ, IEEE1547禾B UL1741要求fmin=59.3HZ, fmax=60.5HZ，德標 VDE0126要求fmin-47.5HZ, finax-50.2HZ，這使得傳統選擇基準的方法變得不 適用，因此本發明選擇(fmin+fmax)/2作為比較的基準，而不是以系統的額定頻 率作為施加方向判斷的基準，更為科學。
另外，在兩次擾動期間插入不施加擾動的時段，檢測該時段內頻率的平均 值，獲得負載的諧振頻率，與(fmin+fmax)/2作比較，以確定下一次擾動的方向。
當電網斷開時，系統自動工作在負載的諧振頻率上，此時測量到的系統工 作頻率，若小于fmin或大于finax，則無需再施加擾動，系統自可檢測出孤島； 若負載的諧振頻率在區間[finin，(fmin+finax)/2]上，則對系統施加令頻率繼續減 小的擾動，直至系統工作頻率低于finin，被檢測到孤島；若負載的諧振頻率在 區間[(fmin+fmax)/2,fmax]上，則對系統施加令頻率繼續增大的擾動，直至系統 工作頻率高于fmax，被檢測出孤島，從而有效減小了傳統頻率擾動方法的檢 測盲區。
本發明方法的有益效果如下；
與傳統頻率擾動方法相比，本發明一方面提高了孤島檢測的效果，另一方 面降低了注入電網的諧波，提高了并網電流的波形質量；該方法簡單可行，只 需對控制程序加以修改，而不需要增加額外的檢測或控制環節，在諧振負載的 嚴峻情況下也能確保檢測出孤島的概率大大提高，在同樣的孤島檢測效果情況 下，可減小電流諧波，有效的提高輸出電流的波形質量。
以下結合附圖和具體實施方式
來進一步說明本發明。
圖1為本發明中實驗用逆變器樣機的電路結構示意圖； 圖2為RLC并聯諧振負載Gz(s)的頻率特性曲線；
圖3為頻率擾動周期為半個工頻周期下孤島模式下電壓、電流波形示意圖4是孤島檢測盲區示意圖5為頻率擾動周期為3個工頻周期下孤島模式下電壓、電流波形示意圖； 圖6是半個工頻周期施加一次擾動的電流波形及其付利葉分析示意6圖7是3個工頻周期施加一次擾動的電流波形及其付利葉分析示意圖8是電網存在條件下并網實驗波形示意圖9是電網斷電后孤島檢測實驗結果波形示意圖。
具體實施例方式
為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解， 下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。
本發明方法主要從頻率擾動幅度、周期對并網電流波形質量的影響、檢測 盲區的大小與擾動策略的關系以及如何根據負載的特性來確定頻率擾動方向 三個角度來說明本發明的特點與檢測效果。
以下為根據本發明技術方案的具體實現原理和過程
(-)孤島模式下RLC并聯諧振負載對輸出電流的響應；
并網逆變器的抗孤島效應保護功能一般采用與逆變器輸出功率相當，諧振 頻率等于系統額定頻率的RLC并聯平衡負載來考核，負載的品質因數
gri (c/zo1/2，諧振頻率/尸1/(27K丄c)"2)，系統工作頻率為/H寸負載阻抗角w。^可表 示為
外 。,加-'必(/;//-//力)) (1)
圖l所示為本發明實驗樣機的電路結構圖。^為逆變器并網開關，」&為電網
供電開關，本地負載為i IC并聯諧振負載。^為直流母線電壓，v。為逆變器輸出 電壓，e。為逆變器交流輸出端電壓。逆變器采用電流控制模式，對電感電流^閉 環控制，使其跟蹤給定電流信號/,。 ^為電流反饋系數。^C/2為輸出濾波網絡，
Z'2為并網電流。在頻率擾動情況下，輸出電流Z'2為過零點存在畸變的正弦波形，
它主要包含基波成分和低頻諧波成分。
孤島運行情況下，輸出端電壓e。由逆變器輸出電流Z'2和負載阻抗特性決定。
對于虹c負載，逆變器輸出電流到輸出電壓的傳遞函數為-G^)的頻率特性曲線，兩種情況下負載品質因數分別為1和2.5，負載諧振頻率為 50Hz，在230V/50Hz電網系統內，負載有功功率為2kW。由&("的頻率特性曲線 可知，諧振頻率點叫處，傳遞函數(72(力的幅頻響應具有最大值，也就是說，負 載對基波電流有較大的放大作用，放大作用隨電流諧波次數的增加而減小；由 相位響應曲線可知，在叫處相差為零，偏離叫越遠，則相位差越大。由G"力的頻
率特性曲線可知G)系統工作頻率稍稍偏移諧振頻率點，不會引起電壓明顯的 變化；(2)工作頻率偏移諧振頻率，會造成電壓和電流間出現相位差；(3)負載品 質因數越大，對諧波電流的放大作用越小，頻率偏移諧振頻率造成的相位差越 大。
(二)檢測盲區分析和擾動方法改進；
/ LC負載對諧波電流的放大作用較弱，可以以負載對逆變器輸出電流基波分 量的響應來判斷頻率擾動方法的孤島檢測效果。傳統頻率擾動方法每工頻周期 施加兩次擾動，圖3所示為施加正向頻率擾動孤島情況下負載電壓、電流(標么 值，以電壓電流的有效值為基值)之間的相位關系。系統工作頻率A為輸出電流 的基波z;/的頻率，負載阻抗角決定了基波電流和負載電壓間的相位差，孤島形成
的原因是負載阻抗角抵消了頻率擾動造成的相位擾動。有A-i/r，電流給定信號
的頻率乂-l/7;，頻率擾動量A戶(1/7H/7)， ^為電流相對于電壓的相位角。由電壓、 電流相位關系可得，
^丄V (3)
相位角^由負載阻抗角伊;。。d決定，有
P = -- tan—1必(左-匈)+ = 0 ( 4 )
對于特定的負載和頻率擾動幅度，由(4)式可得系統的孤島頻率/^。系統
頻率工作范圍為[/^,/ ^]，則對于特定的諧振負載(力,Qr)和頻率擾動量A/，若 /*</L</Wox，則可判定該諧振負載位于檢測盲區內，否則位于可檢測區內。以50Hz 的系統為例，取頻率下限/曲為49.5Hz，上限/,為50.5Hz。如圖4所示，取A/為lHz，
8并令力等于50.5Hz ，可得曲線l,其左上側區域為不可檢測區，若取A/為-lHz， 并令/;,等于49.5Hz ，可得曲線2，其右上側區域為不可檢測區。
由(4)式可知，頻率擾動幅度、擾動策略和頻率保護限決定了檢測盲區的 大小。對于諧振頻率點位于頻率工作范圍中心點((/^+/,》/2)右側的諧振負載， 應施加正向的頻率擾動，而對左側的諧振負載，應施加負向的頻率擾動，這樣 才能獲得特定頻率擾動幅度下最小的孤島效應檢測盲區。
要獲得最小的檢測盲區，需要檢測負載的諧振頻率。傳統頻率擾動方法的 擾動是連續施加的，無法得到準確的負載頻率，為克服該缺點，獲得最佳的檢 測效果，即得到最小的檢測盲區，本發明采用間歇性頻率擾動策略，在頻率擾 動操作過程中插入不施加頻率擾動的時段，在此時段內，孤島運行情況下的工 作頻率就是負載的諧振頻率，根據此時段的頻率檢測結果，確定下一步頻率擾 動的方向。采用此方法，負載的諧振頻率決定了頻率擾動的方向，由此可以得 到最小的檢測盲區，理想情況下，頻率擾動方法的最小不可檢測區為曲線l的左 上側和曲線2的右上側區域的重疊部分，如圖4中陰影部分所示。
由圖4可知，對于諧振頻率為50Hz的負載，其品質因數超過1.7左右就進入檢 測盲區。要進一步減小孤島檢測的盲區， 一種選擇是加大頻率擾動的幅度，但 這是以犧牲電流波形質量為代價的。本發明采用另一種方法，通過加大頻率擾 動的周期，即把頻率擾動周期由常規的半個工頻周期加大到一個或多個工頻周 期。圖5所示為頻率擾動的周期為3個工頻周期情況下的波形示意圖。由圖4所示 的相位關系可得，
與(3)式相對比，若擾動周期為3個工頻周期，采用l/6的頻率擾動幅度， 就可以達到傳統頻率擾動方法同樣的檢測效果。下述表l所示為不同擾動幅度 下兩種方法仿真所得輸出電流的THD，在檢測效果等效的基礎上，可以得到更 好的電流波形質量。頻率擾動周期頻率擾動周期0.5個工頻周期3個工頻周期△/THDTHD
0.6Hz1.20.1 Hz0.37
1.5Hz3.00.25Hz0.92
2.58Hz5.70.43Hz1.55
表l頻率擾動幅度與并網電流THD
以頻率擾動周期為半個工頻周期、Af二1.5Hz和頻率擾動周期為3個工頻周 期、Af二0.25Hz為例，對輸出波形做傅立葉分析，分析結果見圖6和圖7。
(三)實驗結果；
以一臺3kW (230V,50Hz)并網逆變器樣機進行孤島效應檢測實驗。逆變器 開關頻率為18kHz，頻率檢測與鎖相控制采用DSP捕捉端口，電網電壓通過零點 檢測電路獲得方波信號，捕獲端口捕獲方波信號的上升沿，兩次上升沿之間所 計時間為一個工頻周期。頻率檢測及擾動由一個計數器控制，捕獲端口每進入 一次中斷，計數器便加l，計數器等于l時計算電壓周期并送入寄存器，當計數 器等于3時復位為零，同時從寄存器讀取電網周期并計算頻率，根據擾動方向適 當增大或減小后作為電流的給定頻率。
圖8為電網存在條件下并網實驗波形，模擬電網由20kW調頻調壓交流電源 和5kW阻性負載組成。頻率擾動幅度為0.27Hz。由于每三個工頻周期施加一次頻 率擾動，電流波形相應出現一次畸變。圖9為孤島效應檢測實驗結果。電網電壓 為230V，頻率為50Hz，逆變器恒電流輸出，輸出功率2.3kW，功率因數為0.996。 i^C并聯負載中電阻為23Q，電容為318pF，電感為31.8mH，負載諧振頻率為 50Hz,品質因數g/為2.3。電感和電容的無功功率為5.3kVA，負載吸收的有功功 率為2,3kW，孤島保護時間約為120ms。
10間歇性頻率擾動的實現方法相關標準一般要求孤島檢測時間為2S，這里
取單次擾動的大周期為ls，其中的300ms時段內頻率不施加擾動，該時段內 頻率檢測的(約15個工頻周期)平均值作為擾動方向判斷的基準，剩余的700ms 內對頻率施加擾動。孤島運行情況下，在不施加頻率擾動時系統的工作頻率等 于負載的諧振頻率，也就是說諧振頻率位于頻率工作范圍之外的諧振負載在不 施加頻率擾動時段內會被頻率保護(過頻/欠頻)檢測出來，而諧振頻率位于 頻率工作范圍之內的負載需要施加頻率擾動來檢測。
以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業 的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中 描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明 還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本 發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1、一種基于輸出電流頻率擾動的抗孤島效應保護方法，其特征在于，在傳統頻率擾動方法基礎上把頻率擾動周期由常規的半個工頻周期加大到一個或多個工頻周期，利用增大頻率擾動周期，以相對較小的頻率擾動幅度，在保證波形質量的基礎上大大減小檢測盲區，并提高輸出電流的波形質量。
2、 一種基于輸出電流頻率擾動的抗孤島效應保護方法，其特征在于，在連 續的頻率擾動之間插入一個不施加擾動的時段，孤島情況下，此段時間內的系 統工作頻率為負載的諧振頻率，據此確定頻率擾動的方向，可以減小孤島效應 的檢測盲區。同時采用間歇性頻率擾動的方法，在不施加頻率擾動的時段內檢 測系統工作頻率，可以獲得準確的負載諧振頻率。
3、 根據權利要求2的抗孤島效應保護方法，其特征在于，所述方案中選擇 (fmin+fmax)/2作為頻率比較的基準。
4、 根據權利要求2的抗孤島效應保護方法，其特征在于，所述方案中在兩 次擾動期間插入不施加擾動的時段，檢測該時段內頻率的平均值，獲得負載的 諧振頻率，與(fmin+fmax)/2作比較，以確定下一次擾動的方向。
5、 根據權利要求2的抗孤島效應保護方法，其特征在于，所述方案中當電 網斷開時，系統自動工作在負載的諧振頻率上，此時測量到的系統工作頻率， 若小于fhiin或大于finax，則無需再施加擾動，系統自可檢測出孤島；若負載 的諧振頻率在區間[finin，(fmin+finax)/2]上，則對系統施加令頻率繼續減小的擾 動，直至系統工作頻率低于fmin，被檢測到孤島；若負載的諧振頻率在區間 [(fmin+fmax)/2,finax]上，則對系統施加令頻率繼續增大的擾動，直至系統工作 頻率高于finax，被檢測出孤島，從而有效減小了傳統頻率擾動方法的檢測盲 區。
全文摘要
本發明公開了一種基于輸出電流頻率擾動的抗孤島效應保護方法，包括兩種減小傳統頻率擾動方法的檢測盲區的方法，一是加大頻率擾動的周期，采用此方法可以用相對較小的頻率擾動幅度，在保證電流波形質量基礎上進一步提高孤島檢測的性能。另一個方法采用間歇性頻率擾動的方法，插入不施加擾動的時段，此時段內系統工作頻率為負載的諧振頻率，系統根據諧振頻率與特定的頻率基值比較的結果來確定擾動的方向。是本發明可以有效的提高孤島檢測的可靠性，減少進入電網的電流諧波含量，進而提高了并網發電系統的安全性能并改善了并網電流的質量。
文檔編號H02H7/00GK101488664SQ20091004677
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月27日 優先權日2009年2月27日
發明者相海濤, 蔣海江 申請人:上海航銳電源科技有限公司