專利名稱：對于與電網連接的逆變器的孤島效應的檢測的制作方法
技術領域：
本公開內容大體上涉及分布式發電系統，并且更具體地涉及使用協方差估計的用于并網逆變器的防孤島效應算法。背景在某些本地負載狀態下，在分布式發電(DG)系統中的并網逆變器在其被突然與主電網斷開連接時能以可持續的電壓和頻率保持可持續的輸出功率，從而產生孤島化狀態。操作在孤島狀態中的逆變器可以導致對維護人員的安全威脅以及導致對功率系統的破壞。電氣電子工程師協會(IEEE)標準1547和保險商實驗所(UL) 1741 二者都要求逆變器在其一旦從主電網被孤島化時刻起兩秒內停機。
通常有兩種類型的防孤島效應技術被動的和主動的。被動的技術使用在逆變器側可用的信息檢測孤島效應，而主動的技術引入在逆變器的輸出端的外部擾動來檢測和斷開孤島效應。現有的主動技術涉及使用相移算法將逆變器的頻率移動到過頻率保護/低頻率保護(0FP/UFP)斷開窗口中。相移算法可以在交流電(AC)的連續循環中重復地引入相移，例如對于30個AC循環O度，在一個AC循環中+6度，在一個AC循環中+12度，在一個AC循環中+6度，在一個AC循環中O度，在一個AC循環中-6度，在一個AC循環中_12度，在一個AC循環中-6度。這些相移可以大至12度并且具有對在公共耦合的點(PCC)的逆變器的輸出功率和電壓的不利影響。另一個現有的主動技術將相移回路修改為更主動的回路以滿足根據IEEE標準1547的防孤島效應要求，例如在30個AC循環中O度，在兩個AC循環中+6度，在兩個AC循環中+12度，在兩個AC循環中+6度，在一個AC循環中O度，在兩個AC循環中-6度，在兩個AC循環中-12度，并且在兩個AC循環中-6度。這些被修改的技術的一個不利的后果是，更高的功率和電壓波動被引入逆變器的輸出，進一步降低逆變器的功率品質和效率的等級。簡要概述逆變器被用于將來自例如太陽能電池板或風力發電機的電能轉化為家用電器和其他的電負載所使用的交流電(AC)波形。并網逆變器是電力系統中的分布式發電(DG)系統的一部分，其將來自多個源(在本例中來自太陽能電池板以及來自風力發電廠)的電力轉化并且傳送至輸電網絡。然而，當存在電源故障，例如被雷擊導致的故障時，到達輸電網絡的電連接可能被切斷，中斷電力從逆變器向主輸電網絡的流動。但是逆變器可能仍然從太陽能電池板或風力發電廠接收能量并且將其轉化和傳送至本地負載，這導致安全威脅，因為不知道在逆變器側的斷開連接點處的所有的電力線和負載可能仍然是活動的。以這種配置工作的逆變器被稱為從輸電網絡被孤島化。因此，全世界的管理機構已經采用要求逆變器在孤島化配置時當檢測到公用設施連接的損失之后短時間內關閉其自身(典型地在2秒內)的法律規范。這種自動斷開連接特性被稱為防孤島效應，其中逆變器自動地檢測孤島化狀態并且迅速地動作以通過機械地或電氣地停用其將電力饋送至本地負載的電橋，以便將其自身與電網斷開連接。本公開內容提出一種防孤島效應方法，該方法連續地監測孤島化狀態，并且在檢測到孤島化狀態時將逆變器與本地負載斷開連接而不會不利地影響逆變器的功率品質，并且確保在孤島化事件之后的逆變器的可靠的斷開。為此，小的相位擾動的模式被引入逆變器的輸出電流中。在與電網連接的模式中，當逆變器被連接到輸電網絡時，這些擾動將不影響輸出電壓的頻率，因為在與電網連接的模式中，電網頻率與逆變器的輸出電流的相位無關。然而，在孤島化模式中，當逆變器失去其到達輸電網絡的連接時，對輸出電流的相位改變將使輸出電壓的頻率從標稱值(典型地50或60Hz)偏離。協方差指數被用于使相移與電壓頻率相關。在孤島化配置中，該協方差指數將劇烈地上升，因為相移幾乎立即開始導致電壓頻率偏 離。當協方差指數超出預定義的閾值時，更大的相移模式被引入輸出電流中，其大至足以確保逆變器將被斷開。法律規范定義了逆變器的過頻率保護(OFP)和低頻率保護(UFP)窗口，并且較大的相移被選擇以使電壓頻率落到0FP/UFP窗口以外。參考對多種實施和/或方面的詳細描述，本公開內容的以上的和另外的方面和實施對于本領域的技術人員來說將是明顯的，所述詳細描述參照附圖作出，附圖的簡要描述在下文提供。附圖簡述在閱讀以下的詳細描述并參照附圖后，本發明的以上的和其他的優點將變得明顯。圖I是包括用于在檢測到孤島化狀態之后將逆變器斷開連接的防孤島效應系統的分布式發電系統的功能框圖；圖2是在圖I中示出的防孤島效應系統中涉及的波形的示例性的曲線圖；圖3圖示了根據本公開內容的防孤島效應系統的電流相移和相應的協方差指數的兩個示例性的時序曲線圖；圖4是在本文公開的防孤島效應技術的實施期間被捕獲的波形的示例性的曲線圖；以及圖5是可以被圖I中示出的防孤島效應系統執行的示例性的防孤島效應算法的流程圖。雖然本公開內容容易具有多種修改和替代形式，但是具體的實施已經以舉例方式在附圖中示出并且將在本文中被詳細地描述。然而，應當理解，本公開內容無意于被限制到所公開的具體的形式。相反，本公開內容覆蓋所有落入如所附權利要求限定的本發明的精神和范圍內的修改、等效物和替代形式。詳細描述首先地參照
圖1，其示出了經由一個或多個電路斷路器104在共用連接點(PCC)連接到主輸電網絡102的與電網連接的分布式發電(DG)系統100。DG系統100包括被連接到本地負載110的逆變器106。逆變器106包括一個或多個控制器112以及將電橋126電氣地和/或機械地與負載110斷開連接的接觸器118，控制器112包括(a)頻率測量模塊(或頻率檢測器)114、(b)防孤島效應算法122以及(c)電流控制器124。逆變器106可以是基于例如可從Xantrex獲得的GT500kW_MV逆變器。如已知的，DG系統100可以是多種配置中的一個與電網連接的配置、孤島化配置或防孤島效應配置。在與電網連接的配置中，電路斷路器104和接觸器118被閉合，將逆變器106連接到輸電網絡102，允許從輸電網絡102和/或從逆變器106給負載110供電，其可以從例如光伏(PV)電池板120或發電機接收能量。在孤島化配置中，輸電網絡102由于電網上的故障不向逆變器106供應任何電力，但是接觸器118被閉合，允許逆變器106向負載110供給電流，甚至在來自輸電網絡102的功率損失期間也是如此。在這種短的孤島化狀態期間，逆變器106可以向負載110供給電流，導致沿著到達負載110的導體的安全威脅。最后，在圖I中示出的防孤島效應配置中，輸電網絡102不向DG系統100供應電力，并且逆變器106與輸電網絡102斷開連接。在頻率測量模塊114中，逆變器106的輸出電壓(Vwt)的頻率f被測量并且被提供至防孤島效應算法122，防孤島效應算法122向控制逆變器106的電橋126的電流控制器124輸出電流相移值。頻率測量模塊114、防孤島效應算法122和電流控制器124可以被逆變器106中的一個或多個控制器112控制。電橋管理和調節從輸電網絡102和從一個或多個PV電池板120 (或發電機或其他的類型的獨立于電網的電源)向本地(即從電網102的下游)負載110的電力輸送。電流控制器124可以在防孤島效應算法122的控制下被編程以在逆變器106的輸出電流的相位中引入移動。 0FP/UFP檢測模塊108檢測輸出電壓的頻率是否超出OFP值或下降至低于UFP值，并且如果是的話，將停用指令發送至電橋126，停用電橋并且斷開接觸器118，由此將逆變器106與負載110斷開連接。為了代表孤島化配置中的最壞的情況，負載110可以是孤島化負載，其典型地是具有電阻器部件R、電感器部件L和電容器部件C的并聯的諧振負載。如果諧振負載110使其諧振頻率在線性頻率例如50Hz或60Hz并且逆變器106的輸出功率匹配孤島化負載110的真實的功率消耗，那么理想的孤島化情況將發生。在頻域中，被孤島化的系統的傳遞函數可以被表達為
H (jco) = V(Jm) 11 (Jio) = -- -τ-、丄+/奴,+ 丄(I )
R . Jmi.并網逆變器106在到達輸電網絡102的PCC處將其輸出電流Itjut與逆變器106的輸出電壓Vwt同步化。在孤島化配置中，逆變器106的輸出電流U中小的相位擾動可以強迫逆變器106的輸出電壓Vtjut的頻率從孤島化頻率(其在這種最壞的情況中，是孤島化負載的諧振頻率)偏離。輸出電流中的相移是基于被孤島化的系統的頻率響應與輸出電壓的頻率偏離高度相關的。頻率測量模塊114檢測逆變器106的輸出電壓Vwt的頻率。頻率測量模塊114將輸出電壓頻率輸出至防孤島效應算法122，防孤島效應算法122對逆變器106的輸出電流Iout進行相移。頻率測量模塊114、防孤島效應算法或模塊122和電流控制器124能夠以硬件或軟件(包括固件)或其任何組合來實現。當被實現為軟件時，頻率測量模塊114、防孤島效應算法122和電流控制器124能夠以被一個或多個控制器112執行的機器可讀指令的有形形式來存儲，例如存儲在電子存儲器設備上或在有形的計算機可讀的介質例如硬盤驅動器上。頻率測量模塊114、防孤島效應算法122和電流控制器124可以被認為是軟件模塊或軟件功能。當被實現為硬件時，頻率測量模塊或檢測器114、防孤島效應模塊122和電流控制器124包括邏輯和控制電路，邏輯和控制電路可以被實現為一個或多個集成電路(IC)芯片，其與分立的電子部件例如電阻器、電容器、振蕩器、基于晶體管的器件例如二極管和晶體管、和電感器共同地工作。簡要地，本公開內容的實施涉及動作或步驟的以下的組。防孤島效應算法122指示電流控制器124在逆變器106的輸出電流Iwt中引入第一相移。防孤島效應算法122計算在逆變器106的輸出電流Itjut的相移和逆變器106的輸出電壓Vtjut的頻率之間的協方差(或更一般地，計算任何相關函數)。如果協方差超出預定義的閾值，那么防孤島效應算法指示電流控制器124引入逆變器106的輸出電流Irat中的大于第一相移的第二相移。頻率檢測器或頻率測量模塊114檢測響應輸出電流Irat中的第二相移的引入的輸出電壓頻率中的偏離。響應于0FP/UFP模塊108確定輸出電壓頻率落到逆變器的過頻率保護窗口(OFP)或低頻率保護窗口(UFP)以外，0FP/UFP模塊108指示接觸器118將逆變器106與負載110斷開連接，使得Iwt達到零。例如，逆變器106可以使電橋126被從其與本地負載110的連接電氣地和/或機械地斷開連接。第一相移和第二相移通過在輸出電流的相位上操作的連續函數例如正弦函數產 生。相對于不連續函數，期望將連續函數用于減少輸電網絡102上的畸變以及優化逆變器功率品質。第一相移被選擇以使來自防孤島效應算法122的電流相移和來自頻率測量模塊114的電壓頻率之間的協方差指數在孤島化模式中與電網連接模式中的協方差指數相比有足夠差異。被引入第一相移中的最大相移等于或小于6度，以優化電網連接模式中的逆變器功率品質。在另一個方面，第二相移被選擇以使輸出電壓Vrat的頻率在孤島化模式中可靠地落到0FP/UFP窗口以外。圖3圖示了示例性的時序圖，該時序圖包括輸出電流相移相對于時間的電流相移曲線圖300以及協方差指數相對于時間的協方差曲線圖302。最開始，輸出電流相移是零度。防孤島效應模塊122等待60個AC循環，然后指示電流控制器124在逆變器106的輸出電流Iwt中引入第一相移304。第一相移304優選地通過連續函數例如正弦函數產生。在本例中，第一相移304具有波峰和斜率。如所示，波峰是正六度，但是在其他的實施中，可以是正五度。如所示，斜率是每個輸出電流Itjut循環正三度，但是在其他的實施中，可以是每個輸出電流循環正2. 5度。雖然連續地變化，但是第一相移304的波形類似于三角波。第一相移304的持續時間是四個AC循環。電流頻率被電壓頻率反饋控制。在某些實施中，在引入第一相移之后，協方差指數可以被計算，如在下文詳細討論的。可選擇地，在所圖示的實施例中，防孤島效應模塊122指示電流控制器124在輸出電流中為一個AC循環引入零相移306。然后，防孤島效應模塊122指示電流控制器124在逆變器106的輸出電流Itjut中引入負相移308，其具有四個AC循環的持續時間、-6度的波峰和每個AC循環-3度的斜率。負相移308是第一相移304的鏡像，其具有與第一相移304的波峰和斜率相同的波峰和斜率。包括第一相移304和負相移308的小的相移回路，其每AC循環一個地將輸出電流相移+3、+6、+3、0、-3、-6、-3度。在向輸出電流的相位的這種朝負向的擾動之后，防孤島效應模塊122計算協方差指數，如下文描述的。當DG系統100在孤島化配置中并且因此與輸電網絡102斷開連接時，由相移304、308引入的擾動近似即時地使電壓輸出Vwt的頻率從標稱值(例如50或60Hz)偏離。通過產生在輸出電流相移和電壓頻率不追蹤彼此時從標稱的指數劇烈地偏離的指數310，協方差算法識別在輸出電流相移和電壓頻率之間的這種相關性。指數310的值可以比在孤島化配置期間沒有引入擾動時的指數的值大10-20倍。防孤島效應模塊122確定協方差指數310是否超出預定義的閾值(在下文更完全地討論)，并且如果是的話，指示電流控制器124在逆變器106的輸出電流Itjut中引入更大的正向的第二相移314。第二相移314優選地通過連續函數例如正弦函數產生。在本例中，第二相移314具有波峰和斜率。如所示，波峰是正十二度，其是第一相移304的波峰的200%。如所示，斜率是每個輸出電流Itjut的循環正六度，其也是第一相移304的斜率的200%。雖然連續地變化，但是第二相移314的波形類似于三角波。第二相移314的持續時間是四個AC循環。在所圖示的例子中，防孤島效應模塊122指示電流控制器124在輸出電流中為一個AC循環引入零度相移316。然后，防孤島效應模塊122指示電流控制器124引入具有-12度的波峰和每個循環-6度的斜率和四個AC循環的持續時間的、負向的、連續地變化的相移318。更大的擾動使輸出電壓頻率落到0FP/UFP窗口以外，由此使逆變器斷開或中斷輸出電 流的流動。包括第二相移314和負相移318的大的相移回路，其每AC循環一個地將輸出電流相移+6、+12、+6、0、-6、-12、-6度。在每個AC循環中的相移是均勻分布的。如果在第一相移304和負相移308的引入之后協方差指數不超出閾值，那么防孤島效應模塊122返回至回路的開始處，在引入下一個第一相移之前等待60個AC循環。當DG系統100被連接到輸電網絡102時，這些對輸出電流的小的擾動將不使輸出電壓頻率落到逆變器的0FP/UFP窗口以外。0FP/UFP窗口被在電網互相連接代碼中指定，電網互相連接代碼可以由管理機構變化。例如在美國，0FP/UFP窗口被在UL標準1741-1中指定。其他的管理機構具有指定0FP/UFP極限的相似標準。0FP/UFP窗口被存儲在0FP/UFP模塊108中。移動輸出電流的相位對輸出電壓頻率的影響在圖2中圖示，圖2是DG系統100中的多種參數的波形曲線圖200。所述參數包括逆變器106的輸出電流202、逆變器106的輸出電壓204、輸出電流206的相移、電壓頻率208和未歸一化的協方差指數210。在本例中，交流電流源108產生以60Hz的初始頻率的851A的電流。最開始地，電流相移是零。在10個AC循環之后，被形成為三角波的電流相移被引入并且電流頻率也通過電壓頻率反饋控制。三角波峰是6度并且其斜率是3度/AC循環，如圖2中所示的。描述了電流相移和電壓頻率之間的相關性的、未歸一化的協方差指數210，其表明在孤島化之后的這種強的關系O電流相移和電壓頻率的協方差被定義為[Θ(η) 一 nfl ] * [/( + m) 一 u f ]}
IAj= — [e(n)-Uffj*[f(n + m)-Uj·}(I)
N ,,=1其中θ (η)-逆變器的輸出電流相移；U0-θ (η)的平均值；f (η)_逆變器的輸出電壓頻率；uf_f (η)的平均值；并且m-與η不同的采樣時刻。
因為預期在電流相移之后對電壓頻率有立即的影響，所以在m = O時的協方差值被用于識別輸出電流相移和輸出電壓頻率之間的相關性
權利要求
1.一種防止與電網連接的分布式發電系統從輸電網絡孤島化的方法，包括 在所述分布式發電系統的逆變器的輸出電流中引入第一相移； 計算所述輸出電流的相移和所述逆變器的輸出電壓的頻率之間的協方差； 響應于所述協方差超出預定義的閾值，在所述逆變器的輸出電流中引入大于所述第一相移的第二相移； 響應于所述第二相移的引入，檢測所述輸出電壓頻率的偏離；以及 響應于所述檢測，使所述逆變器與被連接到所述逆變器的負載斷開連接。
2.根據權利要求I所述的方法，其中所述第一相移由連續函數產生。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述連續函數是正弦函數。
4.根據權利要求2所述的方法，其中所述第一相移具有波峰、斜率和持續時間，所述第一相移的所述波峰是至少5度，并且其中所述第一相移的斜率是每個所述輸出電流的循環至少2. 5度。
5.根據權利要求2所述的方法，其中所述第二相移由連續函數產生。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述第二相移具有波峰、斜率和持續時間，所述第二相移的波峰是所述第一相移的波峰的至少兩倍，并且其中所述持續時間是所述輸出電流的四個循環。
7.根據權利要求5所述的方法，其中所述第二相移的斜率是所述第一相移的斜率的雙倍。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述第二相移的波峰是至少十二度，所述第二相移的斜率是每個所述輸出電流的循環至少六度，并且所述持續時間是所述輸出電流的四個循環。
9.根據權利要求I所述的方法，其中所述檢測包括確定所述偏離是否使所述輸出電壓頻率落到所述逆變器的頻率保護窗口以外，其中所述檢測由所述逆變器的頻率檢測器執行。
10.根據權利要求I所述的方法，其中所述第一相移被選擇以使所述輸出電壓頻率在與所述逆變器相關聯的過頻率保護窗口或低頻率保護窗口以內，并且所述第二相移被選擇以使所述輸出電壓頻率落到與所述逆變器相關聯的過頻率保護窗口或低頻率保護窗口以外。
11.根據權利要求I所述的方法，其中計算所述協方差包括計算所述協方差的絕對值，以便產生指示在所述輸出電流相移和所述輸出電壓頻率之間的相關關系的孤島效應指數。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述孤島效應指數是未歸一化的，并且其中所 述預定義的閾值超過I. O。
13.根據權利要求I所述的方法，還包括 在引入所述第一相移之前，對于所述輸出電流的預定數量的循環不在所述逆變器的所述輸出電流中引入相移，所述預定數量的循環相應于小于兩秒的時間；以及 響應于所述逆變器通過電網連接到所述分布式發電系統，重復地在所述輸出電流中不引入相移然后在所述輸出電流中引入所述第一相移，直到所述協方差超出所述預定義的閾值。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述預定數量的循環是60。
15.一種防止與電網連接的分布式發電系統從輸電網絡孤島化的方法，包括 通過并網逆變器的相位發生器，在所述分布式發電系統的逆變器的輸出電流中將所述輸出電流的相位移動第一相移； 通過控制器計算包括所述第一相移以及所述逆變器的輸出電壓的頻率的相關函數；響應于所述相關函數的輸出超過閾值，所述相移發生器將所述輸出電流的相位移動大于所述第一相移的第二相移； 確定所述輸出電壓頻率是否落到所述逆變器的頻率保護窗口以外；以及響應于所述輸出電壓頻率落到所述頻率保護窗口以外，使所述逆變器中斷向被連接到所述逆變器的負載的輸出電流。
16.根據權利要求15所述的方法，其中所述第一相移根據第一連續函數被移動并且所述第二相移根據第二連續函數被移動。
17.根據權利要求16所述的方法，其中所述第一連續函數是正弦函數并且所述第二連續函數是正弦函數。
18.根據權利要求15所述的方法，其中所述第一相移至少持續所述輸出電流的四個循環。
19.根據權利要求15所述的方法，其中所述第一相移具有當所述逆變器被連接到所述輸電網絡時使得所述輸出電壓頻率保留在所述頻率保護窗口以內的波峰。
20.根據權利要求15所述的方法，其中所述第二相移具有當所述分布式發電系統從所述輸電網絡孤島化時使得所述輸出電壓頻率落到所述頻率保護窗口以外的波峰。
全文摘要
本發明提出一種防孤島效應的實施方式，其在逆變器的輸出電流中引入小的連續變化的相移模式。在與電網連接的模式中，這種相移模式不具有對逆變器的輸出電壓的頻率的影響。然而，當被孤島化時，相移將使電壓頻率從標稱偏離。輸出電流相位的改變因此與電壓頻率很好地相關，所以協方差指數被用于檢測孤島化配置。當該指數超出閾值時，較大的相移模式被引入輸出電流中，其大至足以使電壓頻率落到逆變器的斷開保護窗口以外而不損害逆變器的功率品質且確保逆變器的可靠斷開。
文檔編號H02J3/38GK102812609SQ201180008244
公開日2012年12月5日 申請日期2011年1月31日 優先權日2010年2月3日
發明者軍·尹, 志-圣·凡, 喬爾杰·加拉班迪克 申請人:贊特雷克斯科技公司