技术领域
[0001] 本
发明涉及并网逆变器控制技术领域，尤其涉及到一种基于相位-频率正反馈的孤岛检测方法。
背景技术
[0002] 随着
能源短缺和环境问题日益严重，
太阳能、
风能等
可再生能源的利用成为世界各国的研究热点。分布式电源逆变器的功能是将风机、光伏板等装置产生的
电能转换为符合国家入网标准的交流电。逆变器并网工作时，电
力系统内可能产生孤岛现象。所谓孤岛现象是指大
电网失电时，逆变器仍然向大电网传输电能，未能检测出大电网的停电状态并与之脱离，分布式电源与本地负载形成一个自给的
电压和频率不受大电网控制的供电系统。孤岛现象产生后，如果负荷容量大于分布式电源的容量，则可能引起微网内甩负荷或者光伏、风机等发电系统烧毁；如果大电网处于停电检修状态，与逆变器相连的线路仍然带电，很可能对检修人员造成人身伤害。目前，国内外相关组织和机构已经明确规定分布式并网系统必须具备孤岛检测能力。由此可见，孤岛检测关系到人员人身安全，电力系统的安全、可靠供电，是并网发电系统的必备环节。
[0003] 现有的孤岛检测主要有被动检测和主动检测方法。被动检测是指检测逆变器
输出电压、频率、相位和谐波等参数的变化情况来进行孤岛检测。该方法主要通过设定电压监测点的电压变化上限和下限，频率监测点的频率变化上限和下限，对实际的电压、频率进行越限检查来判断逆变器是否处于
孤岛运行状态。然而，被动检测存在很大的死区。当本地负荷与逆变器的输出功率匹配时，电网几乎不向逆变器和本地负荷传输功率。电网停电与否，对逆变器的输出电压和频率变化影响 很小，此时，被动检测失效。
[0004] 主动检测方法是指通过控制逆变器，使其输出功率按一定规律变化，
电流波形在一定
位置发生畸变，频率或者相位带有扰动。由于电网足够强大，电网的各个参数不会跟随逆变器的扰动而扰动，孤岛检测装置也就不会检测到这些扰动。一旦发生孤岛现象，逆变器的输出扰动就会迅速累积并超越设定的限值，从而检测出孤岛。这些方法工作死区小，检测速度快，
精度高，但是
算法复杂，对芯片运行速度要求高，并给电网带来谐波问题。
[0005] 因此，针对以上不足，本发明提供了一种基于相位．频率正反馈的孤岛检测方法。
发明内容
[0006] (一)解决的技术问题
[0007] 针对
现有技术的不足，本发明提出一种基于相位．频率正反馈的孤岛检测方法，能够简单、快速、准确的检测出孤岛现象，并且避免检测盲区，不给电网带来人为的瞬态扰动和谐波污染。
[0008] (二)技术方案
[0009] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于相位．频率正反馈的孤岛检测方法，它包括以下步骤：
[0010] S1、通过AD转换器采集逆变器并网点的电压
信号，利用
锁相环进行锁相，得到电网频率f和电压相位θ；
[0011] S2、通过对S1中所述的电网频率f累计次数N，计算电网频率平均值F；
[0012] S3、根据S2中所述的电网频率平均值F计算得到补偿
角dθ，对所述电压相位θ进行补偿，得到补偿后的输出相位
[0013] S4、根据S3中的输出相位 测量逆变器并网点的频率f‘，判断逆变器是否处于孤岛运行状态。
[0014] 其中Sl中所述的
锁相环为基于二阶广义积分器的锁相环；S3中补 偿角dθ计算公式为：
[0015] dθ=k·(F-50)+d
[0016] 其中，k和d分别是根据二阶广义积分器的相频特性曲线线性拟合出的比例系数和常系数；
[0017] 补偿后的逆变器输出相位 的计算公式为：
[0018]
[0019] 其中，θi是第i次S1中的电压相位，dθ是对锁相环输出相位的线性补偿角，F是S2中计算出的电网频率平均值，Fmin是线性补偿的频率下限，Fmax是线性补偿的频率上限，d是频率越限后的固定补偿角。
[0020] 其中S4中逆变器并网点的频率f’的计算公式为：
[0021]
[0022] 其中Δβ是锁相环的相频响应曲线关系式，τ是逆变器运行的工程误差，dθ是补偿角，PI是锁相环中的PI控制函数，f初始设定值是逆变器开始运行时的设定频率，θi是第i次AD转换器
采样后计算得到的锁相环输出相位， 是第i-1次AD转换器采样后逆变器的输出相位，Δt是两次采样的间隔时间。
[0023] 作为对本方案的一种优化，S3后还包括步骤：每次AD转换器采样，都执行一次步骤S1至S3，执行i次后，以S2中所述的频率平均值F作为基准频率，以S1中第i次计算得到的电压相位θi作为初始相位，利用二阶广义积分器得到参考相位Φ。
[0024] 其中构造参考相位Φ的过程为：
[0025] 频率平均值F、第i次AD转换器采样计算得到的电压相位θi与第i+j次AD转换器采样计算时的参考相位Φi+j关系为：
[0026] Φi+j=θi+2π·F·Δt·j
[0027] 其中i为S1至S3重复执行次数，j表示得到初始相位θi后AD转换器采样执行的次数。
[0028] 最后计算参考相位Φ与补偿后输出相位 的
相位差 根据相位差判断逆变器是否处于孤岛运行状态。
[0029] (三)有益效果
[0030] 本发明通过提供一种基于相位．频率正反馈的孤岛检测方法采用线性拟合的手段进行相位补偿，计算简单。与被动检测方法相比，检测参数是并网点的电压的幅值、频率、相位信息，不包含功率、电流等信息，不存在负荷功率与逆变器输出功率匹配造成的死区问题。与主动检测方法相比，本方法不加入任何相位、波形等扰动。相反地，本方法针对二阶广义积分器的相位随频率的移动特性，对其进行反向补偿，纠正了逆变器输出相位的不合理移动，减小了逆变器与电网相位差引起的谐波。
附图说明
[0031] 图1为双向储能逆变器孤岛检测时的一种
实施例电路图；
[0032] 图2a为本发明基于相位．频率正反馈的孤岛检测方法的一种算法
流程图；
[0033] 图2b为本发明基于相位．频率正反馈的孤岛检测方法的另一种算法流程图；
[0034] 图3a为二阶广义积分器的相频特性曲线；
[0035] 图3b为对二阶广义积分器的相频特性曲线线性拟合得到的相角补偿曲线；
[0036] 图3c为经过相角补偿后锁相环相频特性曲线；
[0037] 图4为孤岛发生前后电网电压与输出电压的比对图，；
[0038] 图5为孤岛发生时并网点电压的频率测量值；
[0039] 图6为孤岛发生时并网点输出相位与参考相位的相位差。；
[0040] 其中附图标记41为电网电压，标记42为输出电压。
具体实施方式
[0041] 下面对于本发明所提出的一种基于相位．频率正反馈的孤岛检测方法，结合附图和实施例详细说明。
[0042] 本发明适用于具有并网功能的数字控制式逆变系统。本发明的方法所述的基于相位．频率正反馈的孤岛检测方法主要是
修改二阶广义积分器的相频特性，对锁相环输出进行相位补偿，以使得逆变器工作在孤岛状态时锁相环发生正反馈，将工程误差无限放大，
频率偏移直至满足确定孤岛发生。
[0043] 下面以双向储能逆变器为例，其他例如光伏并网发电系统仍可使用本发明，在此不作为对本发明的限制。
[0044] 如图2a为本发明基于相位．频率正反馈的孤岛检测方法的一种算法流程图；
[0045] Sl、通过AD转换器采集逆变器并网点的电压信号，利用基于二阶广义积分器的锁相环进行锁相，得到电网频率f和电压相位θ。
[0046] 如图l所示，为双向储能逆变器孤岛检测时的电路图，系统采用常规的工频
变压器结构的逆变器。
[0047] 逆变器主要参数如下：
[0048] 额定功率：6kW
[0049] 电网电压：230V
[0050] 电网频率：50Hz
[0051] 变压器变比：1∶8
[0054] 电网频率在48～52Hz范围内，逆变器并网工作时，相位补偿后的锁相环输出相位与电网几乎没有相位差。本实施例中频率保护的上限和下限分别设定为50.5Hz和49.5Hz。电压检测电路对并网点电压进行放大，DSP片内AD转换器对电压信号进行采样；
[0055] 经过基于二阶广义积分器的锁相环得到电网频率f，对电网频率f 积分得到电网相位θ。
[0056] 计算过程为：测量到的电压波形通过二阶广义积分器构造出两路
正交信号’υ'和qv'，其中υ‘是与电压波形同相位的正弦信号，qv'是与电压波形相位相差90°的余弦信号。dq旋转
坐标系下的无功分量q与正交信号υ'、qv’、电压相位θ的关系为：
[0057] q=υ‘·cosθ+qυ’·sinθ
[0058] 以q做PI调节器的输入量，计算得到频率补偿值df，电网频率为[0059] f=df+f0
[0060] 其中，初始频率f0=50Hz；
[0061] 电压相位θ可以由频率f积分得到：
[0062] θi+1=θi+2πf·Δt
[0063] 其中，θi+1为第i+1次测量时电压的相位，θi为第i次测量时电压的相位，f为电网频率，Δt为两次测量间隔的时间差。
[0064] 由于PI调节器具有
负反馈作用，锁相环实现锁相功能，并得到了电网频率f和电压相位θ。
[0065] S2、通过对S1中所述的电网频率f累计次数N，计算电网频率平均值F。
[0066] 每采样240点，计算一次平均频率F：
[0067] 计算频率平均值的过程如下：
[0068]
[0069] S3、根据S2中所述的电网频率平均值F计算得到补偿角dθ，对相位进行补偿，得到补偿后的输出相位
[0070] 根据平均频率和二阶积分器的相频特性曲线拟合公式计算相位补偿角dθ。计算公式为：
[0071] dθ=k·(F-50)+d
[0072] 其中，k和d分别是根据二阶广义积分器的相频特性曲线线性拟合出的比例系数和常系数。
[0073] 需要说明的是：获取二阶积分器的相频特性曲线的方法是对二阶广义积分器进行Z变换，再绘制波特图。在实际应用中，也可采用DSP输出不同频率，比对相位差的方法。无论哪种方法，都需要对该相频特性曲线进行拟合。由于在48～52Hz范围内，该曲线线性度较好，本发明采用线性拟合的方法，其他例如二次多项式拟合精度更高。
[0074] 如图3a～3c所示，针对二阶广义积分器进行相位补偿后，锁相环的相位偏移维持在0°附近或者与频率存在很小的正相关关系。逆变器输出相位
[0075]
[0076] 其中，θi是第i次步骤S1中的电压相位，dθ是对锁相环输出相位的线性补偿角，F是计算出的电网频率平均值，Fmin是线性补偿的频率下限，Fmax是线性补偿的频率上限，d是频率越限后的固定补偿角。
[0077] S4、根据S3中的输出相位 测量逆变器并网点的频率f’，判断逆变器是否处于孤岛运行状态。
[0078] 逆变器并网点的频率f’的计算公式为：
[0079]
[0080] 其中Δβ是锁相环的相频响应曲线关系式，τ是逆变器运行的工程误差，dθ是补偿角，PI是锁相环中的PI控制函数，f初始设定值是逆变器开始运行时的设定频率，θi是第i次AD转换器采样后计算得到的锁相环输出相位， 是第i-1次AD转换器采样后逆变器的输出相位，Δt是两次采样的间隔时间。
[0081] 如图4所示，逆变器线路阻抗非常大，此时并网电流为零。孤岛发生前，由于电网对频率的钳位作用。逆变器的输出频率和相位都与电网相同，且不包含任何人为扰动，仅存在工程误差、计算截断误差等。孤岛发生后，逆变器失去电网信号，初始的相位误差作为相位差进入锁相环，如检测到自己的锁相环输出相位超前于输出电压相位，这个相位差作为锁相环PI输入值，使得锁相环频率降低。由于工程误差仍然存在，方向未发生变化，这样误差不断累积，形成相位．频率正反馈。
[0082] 为保证正反馈
加速运行，可以修改相位．频率曲线拟合公式的斜率，使得相位与频率正相关。
[0083] 如图5所示，频率f’越限检查是判断孤岛发生的条件之一。
[0084] 如图2b为本发明基于相位．频率正反馈的孤岛检测方法的另一种算法流程图所示：
[0085] 作为上述基于相位．频率正反馈的孤岛检测方法的改进，本发明还提供了一种检测方法，在上述方法的步骤S3后还包括步骤：每次AD转换器采样，都执行一次步骤S1至S3，执行i次后，以S2中所述的频率平均值F作为基准频率，以S1中第i次计算得到的电压相位θi作为初始相位，利用二阶广义积分器得到参考相位Φ。
[0086] 其中构造参考相位Φ的过程为：
[0087] 频率平均值F、第i次AD转换器采样计算得到的电压相位θi与第i+j次AD转换器采样计算时的参考相位Φi+j关系为：
[0088] Φi+j=θi+2π·F·Δt·j
[0089] 其中i为Sl至S3重复执行次数，j表示
权利要求4中得到初始相位θi后AD转换器采样执行的次数。
[0090] 最后计算参考相位Φ与补偿后输出相位 的相位差 根据相位差判断逆变器是否处于孤岛运行状态。
[0091] 如图6所示，参考相位以某个时间点的锁相环输出相位作为初始 相位，对电网频率进行积分。参考相位与实际输出相位之差越限，则说明进入孤岛运行状态。
[0092] 在此需要说明的是：参考相位的构造适用于电网频率非常稳定的环境。参考相位是根据某一时间点的相位和频率为基准，在以后每个采样时刻进行相位计算。当时间很长的时候，参考相位与实际输出相位误差很会大。这时需要使用当前的相位和频率重新构造参考相位，并将之前的相位差归零。在工程误差很小时，频率偏移很慢，而相位偏移较大。
[0093] 实施效果：
[0094] 一旦孤岛发生后，逆变器的工程误差迅速累积，频率迅速减小或者增大。根据工程误差的大小和设定限值的不同，以上检测方法可以在0.02s～1s范围内检测出孤岛运行状态。与现有的技术相比，本发明提出的孤岛检测方法不受电流、功率、负载阻抗的影响，几乎不存在检测盲区，不存在人为的频率、相位等扰动，也不向电网引入谐波。该检测方法简单、迅速、可靠、准确，特别是相位差检测更加敏感，提高了孤岛检测的速度。
[0095] 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的
专利保护范围应由权利要求限定。
