一种改进的间歇性无功功率扰动孤岛检测方法

摘要

本发明公开了一种改进的间歇性无功功率扰动孤岛检测方法，该方法对逆变器控制器施加周期性的无功功率扰动，每个无功功率扰动周期分为无功扰动时间和非无功扰动时间。在每个无功扰动周期的起始时刻，把频率检测模块所检测出电压频率赋给无功扰动量计算模块，再通过无功扰动量计算模块计算出本周期所需的最小无功功率扰动量，该无功扰动量能在孤岛发生时确保公共耦合点频率偏移出允许范围之外，间歇性无功功率扰动信号模块根据算得无功扰动量生成本周期的间歇性无功扰动信号，对逆变控制器施加周期性的间歇无功扰动，达到检测孤岛的目的。本发明能及时有效的检测出孤岛现象，并能减小检测孤岛所需要的无功功率扰动量，对并网功率因数的影响较小。

权利要求

1.一种改进的间歇性无功功率扰动孤岛检测方法，改进的间歇性无功功率扰动孤岛检测系统包括孤岛测试主电路、频率检测模块、无功功率扰动控制环路、逆变器控制器以及频率判定模块；孤岛测试主电路包括基于PWM调制的单相或三相并网逆变器、RLC负载、用于连接电网的断路器以及公共电网；频率检测模块用于每采样周期检测公共耦合点电压频率；逆变器控制器用于控制逆变器输出指定的无功功率量；频率判定模块用于判定孤岛是否发生；无功功率扰动控制环路包括无功功率扰动量计算模块和间歇性无功功率扰动信号模块，其特征在于该方法具体检测步骤包括：步骤一，在每一个采样周期内，频率检测模块检测出公共耦合点的电压频率；

步骤二，在每个无功功率扰动周期T的初始时刻，无功功率扰动量计算模块根据此时频率检测模块所提供的频率值f，计算出本周期无功功率扰动时间内逆变器应该输出的无功功率扰动量Q，当f≤50Hz时，本周期输出无功功率扰动量为：当f>50Hz时,输出无功功率扰动量为：

其中P为逆变器输出的有功功率，Qf为负载品质因素，fmin为电网频率所允许的最小值，fmax为电网频率所允许的最大值；

步骤三，间歇性无功功率扰动信号模块根据无功功率扰动量Q生成本周期的间歇性无功功率扰动信号，每个无功功率扰动周期T分为无功功率扰动时间T1和非无功功率扰动时间T2，在无功功率扰动时间T1内，输出的无功功率扰动量为固定值Q，Q为无功功率扰动量计算模块根据本扰动周期初始时刻电压频率计算所得的无功功率扰动量，非无功功率扰动时间T2内输出的无功功率扰动量为零；

步骤四，逆变器控制器根据生成的间歇性无功功率扰动信号控制逆变器发出间歇性的无功功率；频率检测模块测得频率值，由频率判定模块对公共耦合点电压的频率值进行判断，如果频率大于50.5Hz或者小于49.5Hz，并且持续1个工频周期，则认定此时电网与并网逆变器脱开，发生孤岛。

说明书

一种改进的间歇性无功功率扰动孤岛检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及到分布式发电系统和并网逆变器应用领域中的孤岛检测技术，尤其是一种无改进的间歇性无功功率扰动孤岛检测方法。

背景技术

[0002] 由于化石能源等不可再生能源的快速消耗以及环境问题的日益严重，新能源分布式发电逐渐受到了广泛的关注。在新能源分布式发电中，风能、光伏，燃料电池等产生的电能，经过功率变换器变换成合格的电能并入电网。并网逆变器作为新能源和电网之间的接口，可以对电能进行变换并进行电能质量控制。通常分布式发电系统包括单相或三相并网逆变器，断路器，本地负载及公共电网。并网逆变器与本地负载经过断路器与公共电网连接，连接点为公共耦合点(PCC)。当外电网发生故障而断开时，并网逆变器和本地负载脱离电网形成局部带有发电装置的电网结构，称之为孤岛。孤岛产生的原因很多，主要包括电网故障、断路器损坏及自然灾害等导致的线路破坏。孤岛的发生一般是不可预知的，可能会带来分布式发电装置和本地负载因电压或频率失控造成的损坏，甚至对人身安全构成一定的威胁。所以，分布式发电系统必须采用一种有效的孤岛检测方法来检测孤岛的发生。

[0003] 孤岛检测方法通常被分为三类：(1)无源孤岛检测方法；(2)有源孤岛检测方法；(3)外部通信孤岛检测方法。通常用非检测区（NDZ）来衡量孤岛检测方法的有效性，非检测区表示的是特定的孤岛检测方法在给定本地负载特性条件下不能检测出孤岛状态的区域。

[0004] 无源孤岛检测方法通过检测公共耦合点的电压幅值、频率、相位和谐波等系统电量参数来判断孤岛的发生。过/欠电压法（OVP/UVP），超/欠频率法（OFP/UFP）是最常用的无源孤岛检测方法。过/欠电压法通过检测公共耦合点电压幅值是否超出电网电压允许范围来判定孤岛的发生，而超/欠频率法通过检测公共耦合点电压频率是否超出电网频率允许范围来判定孤岛的发生。GB/T 19939-2005(光伏系统并网技术要求)规定电网频率不能超出49.5Hz到50.5Hz的范围。无源孤岛检测方法实现简单，不影响并网电能质量，但是当逆变器输出有功和无功功率与负载消耗的有功和无功接近的时候，无源孤岛检测方法可能失效，落入非检测区。

[0005] 有源孤岛检测方法是通过并网逆变器对公共耦合点引入扰动，促使孤岛发生后系统的电量参数(包括电压幅值、频率等)超出允许范围，从而判定孤岛的发生。有源孤岛检测方法包括频率偏离法（AFD），滑模频率偏移法（SMS），Sandia频率偏移法，无功功率扰动法（RPV）等。有源孤岛检测方法减小甚至消除非检测区，同时会对并网电能质量有一定的影响。传统的间歇性无功功率扰动方法是在一个扰动周期内引入恒定量的正无功扰动和负无功扰动，可以消除非检测区。但是传统的无功功率扰动方法会对并网逆变器输出的无功功率引入较大的扰动量，降低逆变器输出功率因数，存在着比较大的缺陷。

[0006] 外部通信检测方法通过在电网和分布式发电装置之间建立通讯联系来检测孤岛的发生，但是过高的成本限制了外部通信检测方法的应用。

发明内容

[0007] 本发明针对现有技术的不足，提出了一种的主要目的在于提出一种改进的间歇性无功功率扰动孤岛检测方法。该方法通过在无功扰动周期的初始时刻检测公共耦合点电压频率，计算出本周期所需引入的最小无功扰动量，从而成功检测孤岛的发生。

[0008] 一种改进的间歇性无功功率扰动孤岛检测系统包括孤岛测试主电路、频率检测模块、无功功率扰动控制环路、逆变器控制器、以及频率判定模块；孤岛测试主电路包括基于PWM调制的单相/三相并网逆变器、RLC负载、用于连接电网的断路器以及电网；频率检测模块用于每采样周期检测公共耦合点电压频率；逆变器控制器用于控制逆变器输出指定的无功功率量；频率判定模块用于判定孤岛是否发生；间歇性无功功率扰动控制环路包括无功功率扰动量计算模块和间歇性无功功率扰动信号模块。

[0009] 该方法具体检测步骤包括：

[0010] 步骤一，在每一个采样周期内，频率检测模块检测出公共耦合点的电压频率；

[0011] 步骤二，在每个无功扰动周期T的初始时刻，无功功率扰动量计算模块根据此时频率检测模块所提供的频率值f，计算出本周期无功扰动时间内逆变器应该输出的无功扰动量Q，当f ≤50Hz时，本周期输出无功扰动量为：

[0012]

[0013] 当f >50Hz时,输出无功扰动量为：

[0014]

[0015] 其中P 为逆变器输出有功功率，Qf为负载品质因素，fmin为电网频率所允许的最小值，fmax为电网频率所允许的最大值；

[0016] 步骤三，间歇性无功功率扰动信号模块根据无功扰动量Q 生成本周期的间歇性无功功率扰动信号，每个无功功率扰动周期T分为无功扰动时间T1和非无功扰动时间T2，在无功扰动时间T1内，输出的无功扰动量为固定值Q，Q 为无功功率扰动量计算模块根据本扰动周期初始时刻电压频率计算所得无功扰动量，非无功扰动时间T2内输出的无功扰动量为零；

[0017] 步骤四，逆变器控制器根据生成的间歇性无功功率扰动信号控制逆变器发出间歇性的无功功率。

[0018] 同时，频率检测模块测得的频率值，由频率判定模块对公共耦合点电压的频率值进行判断，如果频率大于50.5Hz或者小于49.5Hz，则认定此时电网与并网逆变器脱开，发生孤岛。

[0019] 有益效果：本发明提出的孤岛检测方法简单可行，相比传统的无功功率扰动孤岛检测方法，只需在软件中增加一个无功功率扰动控制环路，在每周期输出无功扰动前，根据频率检测模块得到的公共耦合点电压频率计算出本周期的无功功率扰动量，所得无功扰动量是在孤岛时能促使公共耦合点电压频率偏移出频率允许范围的最小值。从而与传统的间歇性双边无功功率扰动方法相比，每周期只需要引入单边的无功扰动，并且可以将无功扰动量减小。最终使得并网系统获得较高的并网功率因数和有效的孤岛检测能力，本发明适用于太阳能、风力、燃料电池等新能源分布式发电系统，能成功的检测出并网逆变器孤岛现象的发生，满足国标要求的孤岛检测时间，并且对并网功率因数的影响较小。

附图说明

[0020] 图1 改进的间歇性无功扰动孤岛检测系统构成示意图；

[0021] 图2 改进的间歇性无功功率扰动方法输出无功功率时序图；

[0022] 图3 改进的间歇性无功扰动孤岛检测方法实施流程图。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图对本发明的技术方案进一步详细阐述。

[0024] 如图1所示，一种改进的间歇性无功功率扰动孤岛检测系统包括孤岛测试主电路、频率检测模块5、无功功率扰动控制环路、逆变器控制器8、以及频率判定模块9；孤岛测试主电路包括基于PWM调制的的单相或三相并网逆变器1、RLC负载2、用于连接电网的断路器3、以及公共电网4；频率检测模块5用于每采样周期检测公共耦合点电压频率；逆变器控制器8用于控制逆变器输出指定的无功功率量；频率判定模块9用于判定孤岛是否发生；间歇性无功功率扰动控制环路无功功率扰动量计算模块6和间歇性无功功率扰动信号模块7。

[0025] 该方法具体检测步骤包括：

[0026] 步骤一，在每一个采样周期内，频率检测模块检5测出公共耦合点的电压频率；

[0027] 步骤二，在每个无功扰动周期T的初始时刻（t0），无功功率扰动量计算模块6根据此时频率检测模块5所提供的频率值f，计算出本周期无功扰动时间内逆变器应该输出的无功扰动量Q，当f ≤50Hz时，本周期输出无功扰动量为：

[0028]

[0029] 当f >50Hz时,输出无功扰动量为：

[0030]

[0031] 其中P 为逆变器输出有功功率，Qf为负载品质因素，fmin为电网频率所允许的最小值，fmax为电网频率所允许的最大值；

[0032] 步骤三，间歇性无功功率扰动信号模块7根据无功扰动量Q 生成本周期的间歇性无功功率扰动信号，每个无功功率扰动周期T分为无功扰动时间T1和非无功扰动时间T2，在无功扰动时间T1内，输出的无功扰动量为固定值Q，Q 为无功功率扰动量计算模块6根据本扰动周期初始时刻电压频率计算所得无功扰动量，非无功扰动时间T2内输出的无功扰动量为零；

[0033] 步骤四，逆变器控制器8根据生成的间歇性无功功率扰动信号控制逆变器发出间歇性的无功功率。

[0034] 同时，频率检测模块测得的频率值，由频率判定模块9对公共耦合点电压的频率值进行判断，如果频率大于50.5Hz或者小于49.5Hz，并且持续1个工频周期，则认定此时电网与并网逆变器脱开，发生孤岛。

[0035] 本发明方法输出无功的时序参照图2，原理如下：

[0036] 并网逆变器输出无功功率是周期性变化的，每个无功功率扰动周期T分为无功扰动时间T1和非无功扰动时间T2，在无功扰动时间T1内，输出的无功扰动量为固定值Q，非无功扰动时间T2内输出的无功扰动量为零。如图2所示，可得逆变器输出无功功率 的表达式为：

[0037]

[0038] 考虑到孤岛检测时间不能大于2s，设定扰动周期 ，无功扰动时间，间歇时间 。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，凡是根据本发明的设计步骤，对时间参数和无功参数所做的任何修改，均落入本发明保护范围之内。

[0039] 本发明方法工作流程图如图3所示，原理如下：

[0040] 每个采样周期进入中断程序，频率检测模块检测公共耦合点电压的频率，由频率判定模块进行孤岛状态判定。具体的判定方法为：频率检测模块得到公共耦合点电压的频率，如果该频率大于50.5Hz或者小于49.5Hz，认为电网发生异常，如果连续1个工频周期内电网频率一直处于异常状态，则认定孤岛发生，孤岛保护模块关闭逆变器。若此时电网频率未超出允许范围，逆变器控制器正常工作。流程图中counter为工频周期计数器，初值为0，每隔20ms，计数值加1。可令间歇性无功扰动的周期T为2s，则counter计数到100个周期时，重新置位为0，输出无功扰动时间T1定为200ms，即counter为0到9时，输出无功扰动，而counter为10到99时，不输出无功扰动。本发明提出的间歇性无功功率扰动法的无功扰动量与无功扰动前PCC点频率有关，故当counter为0的时候，将此时PCC点频率获取并赋给f，根据f 大小用不同的公式可计算出本周期所需最小的无功扰动量Q，当counter为0到9时，输出无功扰动量为Q，当counter为10到99时，输出无功扰动量为0，当counter计数到100个周期时，重新置位为0。通过图3所示的流程图，可得到如图2所示的无功功率输出时序，并且有效的检测出孤岛的发生。