一种电流前馈扰动孤岛检测方法与流程

本发明属于光伏并网技术领域，尤其涉及一种电流前馈扰动孤岛检测方法。

背景技术：

所谓孤岛效应是指当配电网因停电检修或者系统故障与分布式电源跳脱，而太阳能等分布式发电系统未能检测到这一故障，而继续向周围的负载供电，形成了一个孤岛，这个孤岛脱离了电力公司的掌控。这样的一个孤岛由于脱离了供电公司的掌控，不能够被检测人员及时的检测到，这样就对检测人员的人身安全造成了极大的危险。同时孤岛发电系统发出的电压的频率以及相位等都无法进行控制，这样的电压可能会对用户的设备以及配电网造成极大的危害。由此可见，如果孤岛效应没有被及时的检测到，所造成的后果是无法估计的。那么，如果能及时的发现孤岛的运行，这将具有十分重大的意义。光伏序列发出的电由逆变器逆变，并且通过合闸开关和电网并网。当合闸开关处于闭合状态时，光伏系统并网运行；当合闸开关断开时，系统就处于孤岛运行的状态。孤岛运行会影响系统的正常运行，同时会威胁到工作人员的人身安全。具体情况如下：电力公司的检修人员的人身安全将要受到威胁；发电系统上的保护开关的正常工作将会受到影响；孤岛发生区里的供电质量将会下降；孤岛消除以后，并网时会造成相位不同步；由此可见，对孤岛检测方法的研究可以将孤岛运行产生的危害降到最低，这些工作具有十分重要的现实意义。被动式检测方法和主动式检测方法是孤岛检测方法中两个很重要的方法。被动检测方法，利用配电网与分布式电源分离后，检测仪器检测到逆变器输出的电压的频率以及相位都发生了变化，这就表明系统处于孤岛运行状态。这就是被动检测方法。这种检测方法存在较大的检测盲区，这是这种检测方法最大的一个缺点。被动检测方法主要包括这些方法：谐波电压检测方法；频率变化法；电压相位突然变化的方法；过/欠电压等等。谐波电压检测法，由于电网正常工作时，电能质量一般较好，这是因为通过逆变器的电流的少量谐波也会通过公共连接点流入电网，而电网的阻抗很小，这样电网的电压的畸波率就很低。同时，在和大电网并网运行的时候，电能的质量也会受大电网自愈功能的影响。因此，电压的畸波率总是低于阈值。当电网因为检修或者系统故障而停电的时候，分布式电源附近的逆变器以及其他的用电设备的阻抗都会比较大，同时由于没有大电网的自愈功能，公共连接点的电压就是发生畸变，使得电压的畸变率超过阈值，从而就可以被孤岛检测系统检测到。这种方法即使在功率匹配的情况下也能有效的检测到孤岛效应，同时在系统连接多处变压器和逆变器的时候，它的有效率也不会受到影响。然而电压谐波检测法也存在检测阈值参数的设计问题。如果阈值设计得较低，就有可能会导致误跳闸的情况。但是如果把阈值设计得较高的话，就不能够保证孤岛检测的有效性。因此这种方法不能够广泛使用。欠/过压以及欠/过频率检测法，这种检测方法是针对孤岛发生以后，电压的幅值以及频率会发生变化而提出的一种检测方法。这种方法的原理是这样的：当电网因为检修或者系统故障而停电的时候，如果逆变器输出的功率不能够满足负载的要求即(△P≠0)时，公共连接点的电压的幅值以及频率就会发生偏离，一旦超出了规定的正常范围，就会被检测系统检测到，系统就会马上跳闸。但是这种检测方法存在较大的检测盲区。就是当逆变器输出的功率能够满足负载的要求即(△P＝0)时或者△P很小的时候，孤岛运行时公共连接点的电压的幅值以及频率就不会发生很大的变化，这样就不能够被检测系统检测到。这种检测方法对设备的要求很简单，而且成本低廉，但是存在较大的非检测区域，这就限制了这种检测方法的应用和发展。主动检测方法就是通过控制逆变器的输出，扰动其输出的功率、电压以及频率，如果系统运行正常，由于大电网的自愈功能，公共连接点的功率、电压以及频率就不会超出正常范围。但是如果系统处于孤岛运行的状态，公共连接点的功率、电压以及频率就会受到扰动的影响，超出正常阈值，这样就会被检测系统检测到。主动检测方法主要包括有功功率输出检测法，无功功率输出检测方法，主动频率检测法等等。主动检测法检测效果比较好，检测时间短，同时没有较大的检测盲区，但是主动检测法的算法比较复杂，而且由于扰动还降低了系统的电能质量。有功功率扰动法在太阳能并网系统中，如果大电网处于正常工作的状态，由于电力系统的自愈能力，即使不断的扰动并网系统的输出功率，公共连接点的电压也会被钳制，与电网电压一致。但是一旦大电网出现故障而断电，电力系统就失去了自愈能力，扰动其并网系统的输出功率，公共连接点的电压就会发生变化，持续这一扰动，电压的变化就会积累，当电压超出了孤岛检测的阈值的时候，检测系统就会检测到孤岛的发生，从而切断电源。这就是有功功率扰动检测法的工作原理。这种检测方法易于实现，算法简单，对设备的要求不是很高，同时不需要增加电力设备，对于单台逆变器来讲，这种算法的检测盲区比较小，甚至当并网系统输出的功率能够满足负载需求的时候，有功功率的扰动就会打破这种平衡，使得公共连接点的电压发生变化。但是这种检测方法对于多台逆变器同时并网的时候有局限性。就是当扰动使得不同的逆变器的输出电压的变化方向不一致的时候，可能会使得各种变化相互抵消，在公共连接点的电压就可能不会超过检测阈值。这就是这种检测方法的检测盲区。基于相位偏移的检测方法这种方法参考的是电流以及电压的相位差偏移。当系统正常运行的时候，逆变器输出的电流的相位与电网电压一致。在负载一定的情况下，系统的电压电流的相位差与频率成正比。所以正常运行的时候，相位差没有波动，频率也固定在50HZ。当孤岛效应发生时，当频率有变化的时候，电压与电流的相位就会发生偏移。当这种偏移超过了阈值，就会被检测系统检测到。但是当系统的变化到达A或者B的时候，系统就会达到新的平衡，当系统达到平衡的时候，检测系统就不能检测到孤岛效应了。主动频率漂移检测，一般情况下，光伏发电系统是属于电流控制型的输出系统，也就是说将电网电压进行采样，光伏发电系统的电流频率就跟随电网电压的变化而变化。主动频率漂移检测方法就是给光伏发电系统的电流的频率一个小的扰动，如果系统没有孤岛运行，公共连接点的电压的频率都会和电网电压一致，而光伏发电系统输出的电流的频率是和电网电压匹配的，因此，给系统的一个小扰动不会影响到电流的相位以及频率。但是如果系统发生孤岛运行，公共连接点的电压的频率就会不受电网的自愈功能的影响，光伏发电系统输出的电流的频率就会受扰动的影响，不断的积累增加，直至输出的电流的频率超出了阈值，被孤岛检测系统检测到。这种检测方法比较容易实现，而且花费比较低，同时实用性很强，所以受到人们的广泛重视。但是由于给定系统的扰动是单一的一个方向，如果系统发生故障且逆变器的频率变化与扰动的方向相反，这样就会减弱甚至抵消扰动的作用，会导致电流的频率变化速度很慢而延迟检测的时间。为了克服这一缺点，相关文献提出了新的方法。即正反频率扰动检测法；这种检测方法的扰动不是单一方向上的扰动，而是根据频率的变化趋势决定扰动的方向，这样就便于频率偏移的积累，减短检测的时间。拿感性负载进行分析，先给系统一个扰动信号，fe＝4％，在扰动信号的扰动下，光伏系统的输出频率就有所增加，由于是感性负载，系统的频率就会上升，所以最终光伏系统的输出频率的变化就会大于扰动信号，即|Δf|＞|Δf'|。如果先给系统一个扰动信号，fe’＝—4％，在扰动信号的扰动下，光伏系统的输出频率就有所降低，由于是感性负载，系统的频率的减小的幅度就会被削弱，所以最终导致光伏系统的输出频率的变化就会小于扰动信号的绝对值，即|Δf|＜|Δf'|。由于当输出信号为fe＝4％时，|Δf|＞|Δf'|，因此继续不停地输入扰动信号fe＝4％，f的值就不断的增加，直到超过了检测阈值fi，就会被检测到孤岛，从而使得合闸开关断开。如果是容性负载的情况，情况就和上面的情况相反。

综上所述，传统检测方法存在检测盲区的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电流前馈扰动孤岛检测方法，旨在解决传统检测方法存在检测盲区的问题。

本发明是这样实现的，一种电流前馈扰动孤岛检测方法，所述电流前馈扰动孤岛检测方法通过负载的电流前馈，同时对逆变器的电流进行扰动，将扰动作为控制信号来控制逆变器的输出。使逆变器的输出电流持续受到重复的微小的扰动，公共连接点的电压变化就会积累，当电压超出了孤岛检测的阈值的时候，检测系统就会检测到孤岛的发生，从而切断电源，起到保护电路的作用。

进一步，所述扰动的公式为：

I_d＝k(I_a-I_b+I_h)；

其中:

在式中：电流幅值扰动量为I_d，系数是k，通过负载的电流幅值是I_a，正常运行时通过负载的电流峰值是I_b，周期扰动量是I_h，设置预设值为1s。

进一步，设置逆变器输出的电流为：

I_o＝[I_m+k(I_a-I_b+I_h)³]sin(2πft)；

在第K个周期孤岛运行，并且第N个周期的I_b值为I_a(k－N+1)，……，I_a(k)；把逆变器的输出电流用下式表示：

I_o＝{I_m+k[I_a(k)-I_a(k-N+1)+I_h]³}sin(2πft)。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述电流前馈扰动孤岛检测方法的配电网点修系统。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述电流前馈扰动孤岛检测方法的太阳能等分布式发电系统。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述电流前馈扰动孤岛检测方法的光伏并网系统。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述电流前馈扰动孤岛检测方法的孤岛发电系统。

本发明提供的电流前馈扰动孤岛检测方法，没有不可检测区域，在逆变器输出的功率和负载对功率的需求一致的情况下，也能迅速的检测到孤岛的运行。同时不管是对单台逆变器来讲还是多台逆变器，都能非常有效的检测到孤岛运行。在仿真中设置电网在0.08s断电，系统处于孤岛运行的状态，即由逆变器独立向用户供电。仿真的结果如图5所示。可以从图5看出，孤岛运行的时候，由于光伏并网系统输出的功率能够满足负载对功率的需求，公共连接点的电压就不会发生变化。但是由于电流的持续扰动，电压就按照上述分析的第一种情况变化，即公共连接点电压持续减小，在0.126秒的时候电压已经减小到检测系统设置的阈值，在此时合闸开关断开，保护系统。这一检测时间满足了孤岛检测国际标准。

由于常规的检测方法都存在检测盲区，针对常规检测方法的优缺点，本发明提出了电流前馈扰动检测法，经过仿真结果证明，能够在最差的情况下快速的检测到孤岛运行，从而保护电路，因此可以判断本发明没有检测盲区。

附图说明

图1是本发明实施例提供的电流前馈扰动孤岛检测方法流程图。

图2是本发明实施例提供的检测原理示意图。

图3是本发明实施例提供的实施例的电流前馈扰动孤岛检测方法流程图。

图4是本发明实施例提供的系统仿真模型示意图。

图5是本发明实施例提供的孤岛检测仿真结果示意图；

图中：a、PCC点电压；b、负载电流。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的电流前馈扰动孤岛检测方法包括以下步骤：

S101：检测公共连接点PCC的电压，若电压超过阀值，判定孤岛发生。继电器动作，保护电路；

S102：检测负载电流I_a，与负载的正常电流峰值是I_b进行比较；

S103：根据比较结果对逆变器的电流进行扰动，若I_a＞I_b时给逆变器的电流一个k_m的扰动，否则给一个-k_m的扰动；

S104：在电流反复扰动的作用下，如果公共连接点PCC的电压依然保持在正常范围，表明系统运行正常；

S105：在电流反复扰动的作用下，如果公共连接点PCC的电压超过阀值，则判定孤岛发生。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

1、电流前馈扰动检测法算法

当系统正常运行的时候，逆变器流出的电流受大电网的钳制作用，基本保持不变；但是当系统发生故障的时候，系统就失去了大电网的自愈功能，逆变器流出的电流就会发生变化。基于这种原理，本发明提出了电流前馈扰动孤岛检测法。将通过负载的电流前馈，同时对逆变器的电流进行扰动，将这种扰动作为控制信号来控制逆变器的输出。扰动公式如式：

I_d＝k(I_a-I_b+I_h) 4-3

其中:

在式中：电流幅值扰动量为I_d，系数是k，通过负载的电流幅值是I_a，正常运行时通过负载的电流峰值是I_b，周期扰动量是I_h，设置预设值为1s。

在电流前馈扰动孤岛检测方法下，设置逆变器输出的电流为下式，这样做是为了加快检测速度：

I_o＝[I_m+k(I_a-I_b+I_h)³]sin(2πft) 4-5

I_b的确定是一个比较棘手的问题。从理论上讲，大电网正常工作的时候，在较短的时间内电流的峰值是不会发生变化的，也就是说I_b(k)＝I_b(k-1)。由此可得，假设系统在第K个周期孤岛运行，并且第N个周期的I_b值为I_a(k－N+1)，……，I_a(k)。那么可以把逆变器的输出电流用下式表示：

I_o＝{I_m+k[I_a(k)-I_a(k-N+1)+I_h]³}sin(2πft) 4-6

这种检测方法的不可检测区域比较小，几乎没有检测盲区。为了证明这一结论，对孤岛运行时可能出现的情况做了详尽的分析。当系统孤岛运行的时候，流过负载的电流的几种情况见图2。

第一种情况(I_a＝I_b)：当系统的运行处于正常状态的时候，就算逆变器受到一些扰动，由于大电网的自愈能力，在公共连接点输出的电压也会基本保持稳定。如果大电网出现了故障，公共连接点的输出电压就由逆变器的输出电流以及负载的性质决定。当逆变器的输出电流受到重复的微小的扰动，即I_h＝－k_m，电流持续减小，公共连接点的电压就会发生变化，并且将变化积累，这样就会超出检测的阈值，从而被检测到孤岛运行。这样就迫使继电器动作，从而起到保护电路的作用。图2a所表示的就是这种情况。

第二种情况(I_a＞I_b)：假设电网在第k周期发生故障，如果这个时候负载的电流比系统正常运行的时候高，即I_a(k)＞I_b(k)＝I_a(k－N+1)。式4-5决定逆变器输出的电流，这样的话就会使逆变器流出的电流峰值在不断的增加，公共连接点的电压也在增加。为了使连接点的电压快速增大，迅速超过阈值，缩短检测时间，给电流这样一个微小的扰动，即I_h＝k_m作用。实验证明系统会迅速的检测到孤岛的运行，图2b所表示的就是这种情况。

第三种情况(I_a<I_b)：假设电网在第k周期发生故障，如果这个时候负载的电流比系统正常运行的时候低，即I_a(k)<I_b(k)＝I_a(k－N+1)。式4-5决定逆变器输出的电流，这样的话就会使逆变器流出的电流峰值在不断的减小，公共连接点的电压也在减小。为了使连接点的电压快速减小，迅速超过阈值，缩短检测时间，给电流这样一个微小的扰动，即I_h＝－k_m作用。实验证明系统会迅速的检测到孤岛的运行，图2c所表示的就是这种情况。

通过上面对各种情况的分析，可以看出，这种检测方法没有不可检测区域，就算是在逆变器输出的功率和负载对功率的需求一致的情况下，也能迅速的检测到孤岛的运行。同时不管是对单台逆变器来讲还是多台逆变器，这种算法都能非常有效的检测到孤岛运行。该算法的流程图见图3。

1：检测公共连接点PCC的电压，若电压超过阀值，判定孤岛发生。继电器动作，保护电路。

2：检测负载电流Ia，与负载的正常电流峰值是Ib进行比较。

3：根据比较结果对逆变器的电流进行扰动，若I_a＞I_b时给逆变器的电流一个k_m的扰动，否则给一个-k_m的扰动。

4；在电流反复扰动的作用下，如果公共连接点PCC的电压依然保持在正常范围，表明系统运行正常。(大电网的自愈功能)

5：在电流反复扰动的作用下，如果公共连接点PCC的电压超过阀值，则判定孤岛发生。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

为了证明本发明方法的可行性以及有效性，在MATLAB里面进行仿真分析，仿真模型图见图4。

设置仿真参数如下：配电网电压幅值为220V，频率设定为50Hz；设定逆变器输出的额定电流的有效值为5A。为了证明该检测方法没有检测盲区，设定孤岛检测的最差的情况。最差的情况是指：①光伏并网系统输出的功率能够满足负载对功率的需求；②电网频率等与负载的谐振频率；③电容很大电感很小。

在仿真中设置电网在0.08s断电，系统处于孤岛运行的状态，即由逆变器独立向用户供电。仿真的结果如图5所示。可以从图5看出，孤岛运行的时候，由于光伏并网系统输出的功率能够满足负载对功率的需求，公共连接点的电压就不会发生变化。但是由于电流的持续扰动，电压就按照上述分析的第一种情况变化，即公共连接点电压持续减小，在0.126秒的时候电压已经减小到检测系统设置的阈值，在此时合闸开关断开，保护系统。这一检测时间满足了孤岛检测国际标准(IEEE Std.2000-929和UL1741)。

在PV并网系统中，大电网会由于各种原因发生故障，从而处于孤岛运行的状态。由于常规的检测方法都存在检测盲区，针对常规检测方法的优缺点，本发明提出了电流前馈扰动检测法，经过仿真结果证明，这种检测方法能够在最差的情况下快速的检测到孤岛运行，从而保护电路，因此可以判断这种检测方法没有检测盲区。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。