一種基于負(fù)序電壓正反饋的孤島檢測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測方法，主要是一種基于負(fù)序電壓正反饋 的孤島檢測系統(tǒng)及方法。其屬于新能源發(fā)電與控制系統(tǒng)及電力電子的交叉技術(shù)領(lǐng)域。 (二) 技術(shù)背景
[0002] 隨著分布式發(fā)電由獨(dú)立發(fā)電模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒕W(wǎng)發(fā)電模式，孤島問題也日益突 顯。所謂的孤島效應(yīng)是指當(dāng)出現(xiàn)事故、故障或是維修停電等其他原因而造成供電系統(tǒng)不能 進(jìn)行工作時，分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由于不能有效及時地檢測出供電系統(tǒng)的停電狀態(tài)而不能 及時地與電網(wǎng)切斷，從而造成逆變器給周圍的用電設(shè)備不斷地持續(xù)供電的電氣現(xiàn)象。孤島 效應(yīng)不僅會對整套配電系統(tǒng)以及用戶端的設(shè)備造成很大的危害，同時也會對人自身造成傷 害，因此孤島檢測具有十分重要的意義。
[0003] 傳統(tǒng)的孤島效應(yīng)檢測技術(shù)根據(jù)檢測方式的不同可以被劃分為兩大類:被動式和主 動式。被動式檢測技術(shù)通過監(jiān)測公共耦合點(diǎn)(PCC)處的電壓、相位、頻率和諧波的變化來判 斷孤島效應(yīng)的發(fā)生，雖然被動式方法易于實(shí)現(xiàn)，但這種方法存在較大的檢測盲區(qū)。主動式檢 測技術(shù)是指在系統(tǒng)中主動地加上一定的擾動信號，如有功/無功電流、相位、頻率或是有功/ 無功功率等。當(dāng)孤島發(fā)生時，這些擾動將會使PCC處的電壓幅值、頻率或是諧波發(fā)生變化，直 至超出正常范圍，從而檢測出孤島。雖然主動式檢測法的檢測盲區(qū)很小，但是這些擾動信號 會對系統(tǒng)正常運(yùn)行時的電能質(zhì)量造成影響。同時在實(shí)際中，電網(wǎng)也會出現(xiàn)短時的暫態(tài)現(xiàn)象， 如電網(wǎng)電壓幅值發(fā)生變化，在這種偽孤島的情況下，傳統(tǒng)的孤島檢測方法有可能會出現(xiàn)誤 操作。既能快速準(zhǔn)確地檢測出孤島，又不會對電能質(zhì)量造成破壞，是對孤島檢測的基本要 求。 (三)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了克服目前被動式與主動式孤島檢測法存在的不足，提供一種 基于負(fù)序電壓正反饋的孤島檢測系統(tǒng)及方法。該方法具有非破壞性和無盲區(qū)檢測等特點(diǎn)， 同時能夠有效地避免偽孤島情況下的誤操作。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案:一種基于負(fù)序電壓正反饋的孤島檢測系統(tǒng)，其特征在于它包 括DSP(Digital Signal Processing--數(shù)字信號處理器）控制芯片、采樣調(diào)理電路、P麗 (Pulse Width Modulation--脈寬調(diào)制）隔離驅(qū)動電路、DA數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、電源單元、通信 單元、擴(kuò)展電路單元和電壓電流保護(hù)電路單元;其中，所述DSP控制芯片和其他控制單元均 呈雙向連接。
[0006] 所述DSP控制芯片單元采用的數(shù)字信號處理器是美國TI德州儀器公司的 TMS320F2812 芯片。
[0007] 所述PWM隔離驅(qū)動電路采用TI公司的SN74LVCC3245,將PWM信號的3.3V電平轉(zhuǎn)換為 5V電平，然后將5V電平的PWM信號輸入隔離驅(qū)動單元，再驅(qū)動IGBT。
[0008] -種基于負(fù)序電壓正反饋的孤島檢測方法，其特征在于它包括以下步驟：
[0009] (1)光伏系統(tǒng)以三相三線制形式與電網(wǎng)連接，忽略零序分量。提取光伏系統(tǒng)的正、 負(fù)序電壓分量；
[0010] (2)將三相輸入電壓變換到dq坐標(biāo)系下，作為鎖相環(huán)的輸入信號，得到光伏系統(tǒng)下 單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)的控制模型；
[0011] (3)引入100Hz的交流量作為電流擾動量，通過負(fù)序電壓反饋不斷增大電壓不平衡 度，得到加入擾動后的并網(wǎng)逆變器的參考電流；
[0012] ⑷通過檢測PCC點(diǎn)的負(fù)序電壓來判斷孤島是否發(fā)生；
[0013]所述步驟(1)中提取光伏系統(tǒng)的正、負(fù)序電壓分量的算法為：
[0016] 為實(shí)現(xiàn)上述正負(fù)序分量的分解運(yùn)算，考慮到復(fù)變量中虛部j相對于實(shí)部的90°偏 移，可以通過帶90°滯后的濾波器和恒定比例增益來實(shí)現(xiàn)。
[0017] 所述步驟(2)中將三相輸入電壓變換到dq坐標(biāo)系下，作為鎖相環(huán)的輸入信號，得到 光伏系統(tǒng)下單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)的控制模型，即：
[0018] 將三相輸入電壓Uga、Ugb、Ugc變換到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，得到交流電壓的直流分 量Ud、u q;將q軸分量額定值與uq作差，得到偏差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后，與額定角頻率ω 〇相加，得到實(shí) 際角頻率，最后經(jīng)積分得到相位角Θ，即電網(wǎng)電壓的相位角，得到鎖相環(huán)的控制模型。
[0019] 所述步驟(3)中引入100Hz的交流量作為電流擾動量，通過負(fù)序電壓反饋不斷增大 電壓不平衡度，得到加入擾動后的并網(wǎng)逆變器的參考電流。
[0020] 本發(fā)明的工作原理:一種基于負(fù)序電壓正反饋的孤島檢測系統(tǒng)及方法。（見附圖1、 2、3)該系統(tǒng)包括：
[0021]光伏系統(tǒng)以三相三線制形式與電網(wǎng)連接，忽略零序分量。提取光伏系統(tǒng)的正、負(fù)序 電壓分量。將三相輸入電壓變換到dq坐標(biāo)系下，作為鎖相環(huán)的輸入信號，得到光伏系統(tǒng)下單 同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)的控制模型。引入100Hz的交流量作為電流擾動量，通過負(fù)序電壓反 饋不斷增大電壓不平衡度，得到加入擾動后的并網(wǎng)逆變器的參考電流。通過檢測PCC點(diǎn)的負(fù) 序電壓來判斷孤島是否發(fā)生。由檢測的實(shí)施流程(見附圖6)結(jié)合以下各組成部分的算法實(shí) 現(xiàn)對檢測對象的檢測。
[0022]由以上分析，提取光伏系統(tǒng)的正、負(fù)序電壓分量的算法為：
[0025]為實(shí)現(xiàn)上述正負(fù)序分量的分解運(yùn)算，考慮到復(fù)變量中虛部（j)相對于實(shí)部的90°偏 移，可以通過帶90°滯后的濾波器和恒定比例增益來實(shí)現(xiàn)。
[0026]將三相輸入電壓變換到dq坐標(biāo)系下，作為鎖相環(huán)的輸入信號，得到光伏系統(tǒng)下單 同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)的控制模型(見附圖2)即：
[0027]將三相輸入電壓Uga、Ugb、Ugc變換到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，得到交流電壓的直流分 量Ud、uq。將q軸分量額定值與uq作差，得到偏差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后，與額定角頻率ω 〇相加，得到實(shí) 際角頻率，最后經(jīng)積分得到相位角Θ，即電網(wǎng)電壓的相位角，得到鎖相環(huán)的控制模型。
[0028]引入100Hz的交流量作為電流擾動量，通過負(fù)序電壓反饋不斷增大電壓不平衡度， 得到加入擾動后的并網(wǎng)逆變器的參考電流。所使用的算法為：
[0029]擾動量公式為：
[0031 ]式中，f為電網(wǎng)額定頻率;in = KUmn;Umn為負(fù)序電壓幅值;K為反饋系數(shù)。
[0032]加入擾動后的并網(wǎng)逆變器的參考電流公式為
[0034]經(jīng)坐標(biāo)變換，得三相靜止坐標(biāo)系下的參考電流公式為
[0037]第4步中，通過檢測PCC點(diǎn)的負(fù)序電壓來判斷孤島是否發(fā)生。（見附圖3)其原理如 下：
[0038]當(dāng)電網(wǎng)電壓平衡時，umn = 0,對基準(zhǔn)電流沒有擾動，并網(wǎng)電流平衡；當(dāng)電網(wǎng)故障后， 由于電網(wǎng)電壓或者局部負(fù)載的不平衡，使得公共耦合點(diǎn)的電壓幅值不平衡，存在負(fù)序電壓， 基準(zhǔn)電流此時加入擾動，并會不斷加大PCC電壓幅值的不平衡度，直到超出閥值，實(shí)現(xiàn)孤島 保護(hù)。
[0039] 該發(fā)明以TMS320F2812單片機(jī)作為核心芯片，將負(fù)序電壓正反饋檢測方法應(yīng)用于 光伏系統(tǒng)孤島檢測中（見附圖6)。主要包括主電路部分，采樣調(diào)理濾波電路，DA轉(zhuǎn)換電路， DSP控制電路，隔離驅(qū)動電路等部分構(gòu)成(見附圖4)。主要實(shí)現(xiàn)功能如下：（1)逆變器輸出電 流、PCC電壓采樣，通過PI算法控制輸出電流/電壓跟隨給定信號。（2)通過數(shù)字鎖相環(huán)實(shí)時 獲取電網(wǎng)電壓的相位，作為系統(tǒng)中坐標(biāo)變換的旋轉(zhuǎn)角度。（3)根據(jù)相應(yīng)的孤島算法，加入相 應(yīng)的擾動，檢測PCC電壓、頻率是否超過閥值，同時做出孤島動作。（4)系統(tǒng)發(fā)生過壓、過流等 故障時，能及時檢測到故障并做出相應(yīng)的保護(hù)動作。
[0040] 通過對控制器參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，最終達(dá)到理想檢測效果。選擇合適的反饋系數(shù) K，提高孤島檢測的速度和準(zhǔn)確性。最終使系統(tǒng)得到較滿意的檢測效果。
[0041] 所述DSP控制芯片單元采用的數(shù)字信號處理器是美國TI德州儀器公司的 TMS320F2812芯片，其是定點(diǎn)32位的高速專用微處理器，將實(shí)時處理能力與控制器外設(shè)功能 集于一身，計算速度快，工作頻率最高可達(dá)150MHz，雖然為定點(diǎn)DSP，可以通過IQ-math庫的 調(diào)用進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，提高了系統(tǒng)的精度。另外，強(qiáng)大的外設(shè)模塊，如事件管理器EVA/EVB，16 路AD轉(zhuǎn)換通道，以及串行通信、總線通信模塊等，其PWM信號的輸出，中斷觸發(fā)對時序的控 制，信號處理等功能對整個控制系統(tǒng)的閉環(huán)以及其他設(shè)計，提供了一個理想的解決方案。 [0042]所述采樣調(diào)理電路(見圖7)主要有兩個運(yùn)算放大器構(gòu)成，第一個實(shí)現(xiàn)電壓抬升的 功能，由于采樣的模擬信號均為正弦量，存在負(fù)偏壓，而