本發(fā)明屬于緊急保護電路領域，特別涉及一種光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的反孤島檢測方法。

背景技術：

光伏并網系統(tǒng)在保證并網電流質量的同時，還應該確保電網的安全性。電網的安全性包括對人的安全性和對設備的安全性兩部分。當電力公司因故障或檢修等原因供電系統(tǒng)停止運行，由于光伏并網系統(tǒng)的存在，使電網停電區(qū)的部分線路仍然保持帶電狀態(tài)，在小范圍內形成自給供電的孤島。雖然孤島的產生為部分負載提供電源繼續(xù)工作，但是在孤島狀態(tài)下，電力公司不了解線路上電壓和頻率的實際情況，可能損壞設備或危及人身安全。為了避免事故發(fā)生，提高并網的安全性，需要進行孤島檢測，判斷系統(tǒng)是否并網工作。

衡量一個系統(tǒng)反孤島主要指標是檢測時間，在光伏并網系統(tǒng)中孤島檢測時間越短越好，但是也要考慮并網電能質量。我國于2004年3月份，國家科技部能源研究所制定了光伏發(fā)電的反孤島規(guī)定，光伏系統(tǒng)除了具有過/欠壓、過/欠頻被動孤島保護檢測外，還應該具有至少一種主動式孤島保護檢測，并且電網斷電后必須在0.5～1秒內將光伏系統(tǒng)與電網脫離?，F(xiàn)有的孤島檢測方法可以分為被動檢測法、主動檢測法和開關狀態(tài)監(jiān)測法三大類。其中，被動檢測法不會對系統(tǒng)電能質量造成影響，但是當非計劃孤島發(fā)生時，若分布式電源(DG)的輸出功率和負載消耗的電能相差不大，則公共耦合點(PCC)處電壓、頻率等在允許變化范圍之內，該方法將無法檢測孤島，具有較大檢測盲區(qū)，通常與主動檢測法結合運用。主動檢測法通過在逆變型DG的控制信號中引入擾動信號，并監(jiān)測PCC處電壓、頻率等電氣量的響應，來判斷非計劃孤島是否發(fā)生，該方法減小了檢測盲區(qū)，但同時也對電能質量造成了一定影響。另外，當主動檢測法應用于多個DG時，若擾動信號產生的系統(tǒng)響應不同步，則會降低方法的有效性。開關狀態(tài)監(jiān)測法是通過檢測配電網側斷路器的開斷狀態(tài)，并基于通訊技術將此信號發(fā)送給DG來判斷微電網的運行模式，該方法不存在檢測盲區(qū)，也不影響電能質量，但是實現(xiàn)較為復雜，經濟性差。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明提出一種光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的反孤島檢測方法，其既繼承了主動頻移法的優(yōu)點，又提高了孤島檢測的速度和注入大電網的電能質量。

本發(fā)明所采用的技術方案是：一種光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的反孤島檢測方法，一種光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的反孤島檢測方法，其技術要點是，包括以下步驟：

步驟1：對當前光伏并網發(fā)電系統(tǒng)進行被動孤島檢測，若處于孤島狀態(tài)，則光伏逆變器 停止工作；若未處于孤島狀態(tài)，則獲取公共端負載有功功率變化以及電壓頻率的變化趨勢；

步驟2：若公共端負載電壓頻率變化趨勢為增加，則采用有功功率正反饋的形式，加大頻率偏移量；若公共端電壓頻率變化趨勢為減小，則采取有功功率負反饋的形式，加大頻率偏移量，在檢測到的公共端電壓頻率的基礎上添加偏移量作為光伏逆變器輸出電流的給定頻率；

步驟3：重復上述步驟1～步驟2。

步驟1所述的對當前光伏并網發(fā)電系統(tǒng)進行被動孤島檢測的步驟如下：

獲取交流側的電壓、電流；

獲取到當前光伏注入電網公共端處負載的有功功率值；

通過過零點檢測計算出公共端負載的頻率；

由所獲得的公共端處負載頻率和電壓值判斷是否超出設定的被動反孤島檢測的頻率和電壓閾值，若超出門檻值，則判定為孤島狀態(tài)。

若公共端負載電壓頻率變化趨勢為增加，則采用有功功率正反饋的形式，加大頻移步伐，具體為：

若f₀-f_k-1≥0，說明公共端負載頻率下降，則采取有功功率正反饋的形式(注：有功功率正偏移)，加大頻移的步伐，移頻后的光伏逆變器輸出的參考電流頻率公式為：

$f_k=f_{k-1}+\frac{k_p\left|{\mathrm{\ΔP}}_{k-1}\right|}{P}{\mathrm{\Δf}}_C+k_f(f_0-f_{k-1})$

式中，f_k為移頻后的光伏逆變器輸出的參考電流頻率；f_k-1為上一周期電網電壓頻率；k_p為功率增量反饋系數(shù)；k表示檢測次數(shù)，ΔP_k-1為兩個周期輸出功率差；P為公共端負載的有功功率；Δf_C為兩個周期的頻率偏移量；k_f為頻率增量正反饋系數(shù)；f₀為正常光伏并網時公共端負載頻率(即：大電網的頻率)；

參考電流公式為：i_ac(t)＝I_refsin2πf_kt

式中，i_ac(t)為參考電流，t為時間，

所述的公共端電壓頻率變化趨勢為減小，采取有功功率負反饋的形式，加大頻移的步伐，具體為：

若f₀-f_k-1＜0，說明公共點頻率上升，則有功功率負偏移，依然以有功功率正反饋的形式，加大頻移的步伐，移頻后的參考電流頻率公式為：

$f_k=f_{k-1}-\frac{k_p\left|{\mathrm{\ΔP}}_{k-1}\right|}{P}{\mathrm{\Δf}}_C+k_f(f_0-f_{k-1})$

式中，f_k為本周期參考電流頻率；f_k-1為上一周期輸出的電流頻率；k_p為功率增量反饋系數(shù)；k表示檢測次數(shù)，ΔP_k-1為兩個周期輸出功率差；P為公共端負載的有功功率；Δf_C為前后兩個周期公共端負載頻率偏移量；k_f為頻率增量正反饋系數(shù)；f₀為正常光伏并網時公共端負載頻率(即：大電網的頻率)；

參考電流公式為：

i_ac(t)＝I_refsin2πf_kt

式中，i_ac(t)為參考電流，t為時間。

本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果是：該光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的反孤島檢測方法，既繼承了主動頻移法的優(yōu)點，又提高了孤島檢測的速度和注入大電網的電能質量，應用此方法可以有效的檢測出微網并入大電網的孤島現(xiàn)象，而且對于新能源的并網反孤島能力也有較好的效果，故此項目的研究具有推動微網和新能源并網技術的發(fā)展，且能有效提高孤島的檢測能力。

附圖說明

下面結合圖1對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

圖1為本發(fā)明實施例中光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的反孤島檢測方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例中光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的被動孤島檢測的流程圖；

圖3為本發(fā)明現(xiàn)有技術的主動頻移法原理圖；

圖4為本發(fā)明實施例中光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的被動孤島檢測的流程圖。

具體實施方式

使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖1～圖4和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

本實施例中采用的光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的反孤島檢測方法其流程如圖1所示。包括以下步驟：

步驟101，初始化變量，用以設定參考電流、公共端頻率和有功功率等參考值。

步驟102，被動孤島檢測。

如圖2所示，首先檢測電網電壓是否過零，若電網電壓過零，則計算上一工頻周期頻率f_k-1，計算上一工頻周期功率P_k-1，計算ΔP_k-1，計算f₀-f_k-1，進行被動孤島檢測，具體為：首先根據(jù)采樣得到的交流電壓和計算得到的系統(tǒng)頻率判斷是否超出設定的被動反孤島檢測的 頻率和電壓閾值，如果超出范圍之外，直接判定為孤島狀態(tài)，結束本輪的孤島檢測。若未處于孤島狀態(tài)，則執(zhí)行步驟103，否則，逆變器停止工作并與電網斷開。

步驟103，采用反孤島檢測的方法對光伏并網發(fā)電系統(tǒng)進行檢測。

傳統(tǒng)的主動頻移孤島檢測方法為主動式孤島檢測方法。如圖3所示，通過每周期在光伏系統(tǒng)并網電流參考值加入一個死區(qū)時間，使并網電流與電網電壓之間形成相位差t_z。在電網正常時，受到交流側大電網鉗制作用公共端處負載電壓頻率依然保持不變；當脫離電網形成孤島時，公共端處負載電壓頻率會隨著光伏系統(tǒng)并網參考電流頻率的變化而變化，根據(jù)規(guī)定，當公共端處負載電壓頻率偏移達到某一閾值便可認為有孤島發(fā)生。

根據(jù)圖3得出公共端電壓和基波電流的相角差Δφ(即：移頻角)：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}=\frac{{\mathrm{wt}}_z}{2}=\frac{2{\mathrm{\πt}}_z}{2*T_{grid}}=\frac{\mathrm{\π}cf}{2}---\left(1\right)$

式中，w為角頻率；cf為頻移截斷系數(shù)，cf＝2t_z/T_grid，其中，t_Z為電流截斷時間；T_gird為公共端電壓的周期。

由式(1)可知，如果cf取值過小，移頻角Δφ較小，則達到預先設定的國標要求的過/欠頻頻率保護閾值的時間延長，不能實現(xiàn)檢測方法的快速性；如果cf取值過大，移頻角Δφ較大，則光伏注入大電網中的電流畸變變大，且諧波含量會增大，嚴重影響系統(tǒng)輸出的電能質量。因此如何選取cf值是主動頻移法的重要問題。為了減小主動頻移孤島檢測盲區(qū)和加快響應時間，使用正反饋的偏移量，可以加速cf的偏移，縮短達到過/欠頻頻率保護閾值的時間，公式如下：

cf_k＝cf_k-1+k_fF(Δf) (2)

式中，cf_k為本周期的截斷系數(shù)，cf_k-1為前一周期的截斷系數(shù)；k_f為頻率增量正反饋系數(shù)；F(Δf)為頻率增量正反饋函數(shù)；Δf為頻率差。

加入正反饋偏移量的主動頻移方法加快了頻率偏移速度，而且在頻率增量正反饋函數(shù)為負值時，cf值減小，相應的檢測盲區(qū)減小。目前常用的頻率增量正反饋函數(shù)選擇如下：

F(Δf)＝f₀-f_k-1 (3)

式中，f₀為正常光伏并網時公共端負載頻率(即：大電網的頻率)；f_k-1為上一周期公共端負載頻率。

將式(3)代入式(2)可知，cf值與上一周期公共端負載頻率和頻率增量正反饋系數(shù)k_f有關。如果k_f取值較大，在斷網時，cf值變化比較大，光伏注入大電網中的電流對大電網的輸出波形 質量有很大影響，而且大電網中電流的諧波含量增大；如果k_f取值較小，在斷網時，cf值變化比較小，孤島檢測的響應時間延長，可能會不能滿足光伏并網技術的要求。通過實際觀測，孤島現(xiàn)象發(fā)生時不僅僅頻率發(fā)生變化而且往往伴隨著有功功率的變化。因此，為了縮短孤島的檢測時間，本實施例中的反孤島檢測的方法將有功功率的變化情況引入到偏移量中，輸出電流頻率的表達式為：

$f_k=f_{k-1}+sign(f_0-f_{k-1})\frac{k_p\left|{\mathrm{\ΔP}}_{k-1}\right|}{p}{\mathrm{\Δf}}_C+k_f(f_0-f_{k-1})---\left(4\right)$

式中，f_k為本周期參考電流頻率；k_p為功率增量反饋系數(shù)，k_p＜1；ΔP_k-1為前后兩個周期公共端負載有功功率差；P為光伏注入電網的有功功率；Δf_C為前后兩個周期公共端負載頻率偏移量。

從式(4)可知，f_k值不僅與前一次公共端處負載電壓頻率和系數(shù)k_f有關，而且還和輸出有功功率相關。如果輸出有功功率變化大，即△P_k-1差值較大，由于值較大，作用進一步加大了移頻步長，故f_k值達到過/欠頻頻率保護閾值的時間縮短。如果△P_k-1差值較小，由于值較小，則參考電流頻率以f_k＝f_k-1+k_f(f₀-f_k-1)形式偏移，本周期檢測到的頻率與上一周期所測頻率基本保持不變。這避免非阻性負載時偏移量與負載相位一致，造成檢測失敗?；谟泄β首兓闹鲃宇l移檢測法不僅包含了有功功率的信息，而且還包含并網參考電流I_ref的變化，因此頻率偏移量能更好的反映整個系統(tǒng)的變化情況。

本實施例利用公共端交流電壓和電流的采樣值計算光伏注入電網時公共端負載的電壓頻率以及有功功率值，通過至少兩個周期后后計算出功率的差值ΔP_k-1和頻率f_k的變化情況，將有功功率的變換情況代入若沒有發(fā)生孤島情況，一方面由于ΔP_k-1較小，則幾乎為零；另一方面，受到交流側大電網頻率的鉗位作用，公共端處負載的電壓頻率也不變，因此k_f(f₀-f_k-1)幾乎不變，即f_k不變；如果發(fā)生孤島情況，公共端負載的有功功率變化較大，則和k_f(f₀-f_k-1)都發(fā)生變化，此時光伏并網逆變器輸出的參考電流的頻率f_k也變化較大，這使得公共點電壓和參考電流之間的頻移角很快 超出過/欠頻檢測頻率設定的閾值，從而檢測出孤島現(xiàn)象的發(fā)生。此種檢測方法的優(yōu)點在于未發(fā)生孤島現(xiàn)象時候注入電網的電能質量較好，沒有大的畸變出現(xiàn)，同時在出現(xiàn)孤島現(xiàn)象時候會快速超出設定的閾值，達到檢測孤島的能力。

如圖4所示，首先獲取前后兩個周期公共端負載電壓頻率變化趨勢，若頻率變化趨勢為增加，即f₀-f_k-1≥0，則說明公共端負載電壓頻率下降，采取有功功率正反饋的形式，計算移頻后光伏逆變器輸出的參考電流頻率，公式如下：

$f_k=f_{k-1}+\frac{k_p\left|{\mathrm{\ΔP}}_{k-1}\right|}{P}{\mathrm{\Δf}}_C+k_f(f_0-f_{k-1})$

如頻率變化趨勢為降低，則公共端負載電壓頻率上升，判斷f₀-f_k-1≤0，如果小于則采取有功功率負反饋的形式，公式如下：

$f_k=f_{k-1}-\frac{k_p\left|{\mathrm{\ΔP}}_{k-1}\right|}{P}{\mathrm{\Δf}}_C+k_f(f_0-f_{k-1})$

此時光伏逆變器輸出的參考電流，公式如下：

i_ac(t)＝I_refsin2πf_kt

重復執(zhí)行步驟102～103。

上述孤島檢測方法檢測速度快，檢測時間短，能有效避免系統(tǒng)重合閘失敗對光伏并網發(fā)電系統(tǒng)造成的危害，并且較大程度的提高了并入電網電流的電能質量。