（电力电子与电力传动专业论文）逆变器并网孤岛检测技术的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i s 砸b u t e dp o w e rg e n e r a t i o n ，s u c ha s p h o t o v o l t a i ca i l df i l e ic e l l ，鲥d - c o 衄e c t e dn l nm o d eh a sm o r ea 1 1 dm o r es h o w e di t s v i n u e b u tm ei s l a l l d i n gp h e n o m e n o ng d d c o n n e c t e dr u nm o d eb n 笋h a sh a z a r d st o 1 0 a d ，i n v e n e ra 1 1 d1 i f es 疵t y s o ，a l i 鲥d c o i l i l e c 伽i i l v e r t e r ss h o u l d h a v e 吐l ea b i l i t y o fd e t e c t i n gi s l a n d i n gs t a t i l sa n ds t o p p i n gt h en l nn l o d eo fg r i d c o n n e c t a sm ev a r i e t y o fi s 】锄d i n gd e t e c t i o nm e m o d sa n dr a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a l 啦皿a lp r o c e s s ( d s p ) ， d i g i t a lm o d ei st h em a i n s t r e 狮i ni s l a n d i n gd e t e c t l o n f i r s t 】y m i st h e s i si n t r o d u c e st h e b a c k 掣o u n do f 瑚a j l d i n gd 酣x 石o n o f g r i d - c o n n e c ti n v e r t e ra n dl h es y s t e me q u i v a l e n tm o d e a n dd e e p l yd i s c u s st b e 0 v p u v po f p ，u f pa n ds f s sd e t e c t j o nt h e o mn o n e d e t e c t i o nz o n e ，m e a s u r e p r e c i f ；i o n sa h l e c t j o no fv o l t a g ea n df r e q u e n c yt on d z a i l dc o n u n u n i c a t i o nb e t w e e n i s l a n d i i l gd e t e c t i o ns y s t e i na n di n v e r t 旺w h e r e ，t 1 1 em a i nf i l n c t i o n so fi n v e n e ra n d i s l a n d i n gd e t e c 石o na r er e a l i z e dt h r o u g hd s p1 m s 3 2 0 l 1 诧4 0 7 a l s o ，t h i st 1 1 e 币sh a s a 1 1 a i y z e dt h er e f 毫r e n c ew a v e f o n n sa b e r r a t i o nr a t i o no fa f dh o wm u c ha 符b c tt h e q u a u t yo fi n v e n e r so u 印u tc u r r e n t ( t h d ) a n dt h e n ，t h em a i nc i r c u i to fi s l a n d i n g d e t e c t i o ns y s t e ma j l dd s pc o n 0 1s o f t w 盯e sf 】o wc h a n s 盯ei n 仃o d u c e d l a ! ；t l y t h e e x p 嘶m e n t a lr e s u l t sa r ep r 0 v i d e d k e y w o r d s ： 跚d c o n n e c t e dh l v e n e r ；k l a n d i n gd e t e c d o n ；n o n e - d e t e c t i o nz 0 n e u 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 背景闭 第一章绪论 随着传统能源的不断枯竭，新兴能源发展迅速，如光伏发电、燃料电池等分 布式发电技术。为r 充分利用这些分布式发电技术的优点，满足用户对电能日益 增长的需要，保证用电的可靠性和电能质量，可将这些系统接成并网运行模式。 然而，由于故障或维护造成的有意或无意的主电网掉电，使得局部电网供用电不 平衡，会产生严重的后果：( 1 ) 孤岛中的电压和频率无法控制，可能对用户设备 造成损坏；( 2 ) 孤岛中的线路仍然带电，可能对维修人员造成危险：( 3 ) 非同相 合闸时，可能会造成线路再次跳闸，或者对逆变电源和其他与其相连的设备造成 损坏；( 4 ) 如果负载容量与逆变器容量不匹配，容易对逆变器造成损坏。所以， 不管是从安全性，还是可靠性方面考虑，分布式发电系统都应具备防止孤岛产生 的能力。 所谓孤岛状态是指包含有负载和逆变电源的局部电网从主电网中脱离出来， 并且在此局部电网中，逆变电源持续给负载供电的一种电气现象。如图1 1 所示， 当断路器断开后，它的左边系统就处于孤岛状态。 图1 1逆变电源并网系统 1 2 分布式电源并网标准 国际上相关部门针对分布式发电系统制定r 一系列的技术尺度和并网要求。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 2 0 0 3 年6 月发布的i e e es t d1 5 4 7 2 0 0 3 是第一个规范分布式电源系统并网的标准， 此标准考虑的是6 0 h z 的电网系统。所以针对中国的5 0 h z 市电，根据该标准按比例 修改后作为参考。下面是标准与孤岛状态检测相关的几个重要技术指标。 电压异常反应和影响时间 并网 ：作时，电网电压正常范同为标准电压的8 8 1 1 0 ，当电网相电压超出 正常范围( 如表1 1 所示) 时，菇网系统应该立即检测出并在规定的响应时间脱 离电网。 表1 1 并网系统电压异常响应时间 电压范围最大响应时间 ( 公其耦合点)( 周期) v 5 0 6 5 0 v 8 8 12 0 8 8 v 13 7 6 频率异常反应和反应时间 在i e e es t d1 5 4 72 0 0 3 标准中，频率是以6 0 h z 为标准，6 0 h zf 的系统正常范 围是5 9 3 16 0 5 h z 。根据功率情况分为两类，容黾大于3 0 k w 的装置其数据有可变 范围。 表1 2 并网系统频率异常响应时间 分布式系统容量( k w ) 频率范围( h z )响应时间( s ) 6 0 50 1 6 3 0 6 0 501 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 并罔同步要求 并网系统工作时，其相位、频率必须和电网电压同步，在系统和电网闭合之 前还必须使电压幅值跟踪电网电压，当该三个指标符合表1 3 所示的要求时，才 允许闭合连接装置，使系统和电网并联工作。 表1 3 系统并网同步参数要求 容量( k v a ) 频率差( h z )电压差( v )相位差( 度) 0 5 0 0 o 31 02 0 5 0 0 1 5 ( ) 0 o 21 5 1 5 0 0 io | ) 0 0 0 ，l3i o 并网电流谐波要求 并网系统不允许划电网造成污染，对交流谐波的要求如表1 4 所示。 表1 4 并网电流谐波指标 谐波次数( h ) h 1 】l l h 17 1 7 h 2 3 2 3 h 3 5 3 5 h总谐波 4 02 01 50 60 35 0 1 3 孤岛检测的系统等效模型圆圈跚 并网逆变电源一般都是接在带有一系列负载的公共耦合点上，并经过变电所 ( 变压器) 接向主电网，电力公司通过断路器来实现对电网的通断挎制，如图 1 1 所示。 逆变器并网运行时，输出电压是由电网控制的，逆变器所能控制的只是输入 电网的电流，包括电流幅值、相位和频率。其中频率和相位应与电网电压相同， 实际系统中一般都是通过与公共耦合点电压过零点同步来实现的，幅值都是根据 实际系统来可调的。因为在研究孤岛检测技术时，并不需要关心逆变电源内部控 制是如何实现的，关心的只是逆变电源的输出特性。所以，在研究孤岛检测技术 时，逆变电源可以等效为一个幅值可调、频率和相位都跟踪电网的受控电流源。 实际系统中，负载大多可以等效为r l 串联形式。如图1 2 ( a ) 所示。但是在 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 研究孤岛检测技术时，r l 串联形式的负载，孤岛状态很容易检测出来。如高 低频率保护( o 刚u f p ) 设定一个正常的频率范围： 触坼、五为电网频率正常 范围的最小值和最大值) ，出现孤岛状态时，系统结构可等效为如图1 2 ( b ) 所示。 由于逆变器总是企图保持输出电流的频率和相位都跟踪p c c 点电压，显然，电 网断开并达到稳态时的频率为零，而这个值肯定不在正常频率范围内，从而实现 了孤岛状态的检测。而研究孤岛检测技术的目的是为了寻找到一种能够检测出任 何负载下孤岛状态的技术，也即要考虑到检测比较困难的负载形式。所以，在研 究孤岛检测技术时，通常把负载等效为r i c 并联形式。很明显，只要等效负载 中的电容和电感值合适，上述频率偏移就不会太大，使得电网断开并达到稳态时 的频率在j f 常范围内，进而检测不出孤岛状态。因此，系统等效模型如图1 3 所 示。 p c c ( a ) r l 串联负载f b ) r l c 并联负载 图1 2 负载等效模型 p 十j qp + j 0 + p r f 一 图1 3 孤岛检测系统的等效模型 1 4 孤岛检测技术概述口】【3 2 】 孤岛检测方法根据技术特点，可以分为以下三大类：内部无源方法、内部有 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 源方法和外部方法。 1 4 1 内部无源方法 内部无源方法是通过监测选定的公共耦合点电压的参数( 幅值、频率、谐波) ， 并控制逆变器在条件满足时停j 上并网运行的一类方法。这类方法由于只是监测某 一参数或某些参数，并不改变逆变器的输出电流，所以输出电能质量较高。根据 选定参数的不同，它又有以下三种方法： a 过欠电压和高低频率保护( 0 巩p 、o f p ：f p ) | 2 j 1 5 】【6 l 【3 2 1 过欠电压和高，低频率保护是在公共耦合点( p c c ) 的电压幅值和频率超出 正常范围( ，u ) 、，止) 时，停i r 逆变电源并刚运行的一种检测方法。并 网逆变电源系统结构如图1 3 所示，电| ) c 习j e 常( 断路器s l 翔 合) 时，逆变电源输 出功率为| p 吖q ，负载功率为j p m 。d o q f 。础电网输出功率为尸叫q 。此时，公 共耦合点电压的幅值由电网决定，o v p ，u v p 、of p _ ，u f p 不会动作，即不会干扰 系统i 卜常运行。孤岛形成瞬间，如果p o ，也即，逆变器输出有功功率与负 载有功功率4 i 匹配，则公共耦合点电压v 。将发生变化；立u 果q o ，也即逆变 器输出无功功率与负载无功功率4 i 匹配，则公共耦合点电压v 。的频率将发生变 化。如果他们的变化超出正常范围，就会使o v p ，u v p 、o 刚u f p 动作，实现孤 岛状态检测。 这种方法成本低，容易实现，大多其他有源方法都是建寺在此基础上的。但 是，如果电网正常时p = q = o ，则存孤岛形成后，p c c 点电压的幅值和频率都 不会变化，o 删v p 、0 f p 几f p 检测失败。实际上，p 、q 并不完全要求等 于零才能发生这种现象，因为市电的电压和频率总是在一一个范围内波动，四种 0 v ，u n d e r 保护的门槛值不可能设得太小，否则会出现误操作。所以，o v p v p 和o f p ，u f p 的非检测区( n d z ) 较大，单独使用往往不能满足孤岛检测的要求。 b 电压相位突变检测( p j d ) 【2 】嘲【6 【3 2 】 电压相位突变检测是通过监测逆变电源输出电流和p c c 点电压之间的相位 差来检测孤岛状态的。由并网逆变器的工作原理可知，锁相环控制逆变器输出电 流与p c c 点电压在过零点同步，而在两个过零点之间波形是确定的正弦波。 如图1 3 所示，断路器s 1 闭合时，电压为波形确定的电网电压，它与逆变器 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 输出电流之间保持同步。而s 1 断开时，由于在电压v 。的两个过零点之间，逆变 电源输出电流的频率是固定的，负载的阻抗角必须与电网断开前相同，因此电压 v 。必须跳到新的相位，如图1 _ 4 中t 1 时刻前后的波形。在下一个电压过零点到 来时，p j d 就可以通过检测电压和逆变器电流之间的相位差目来检测孤岛状 态。 所有并网逆变器本身都具有同步逆变器输出电流和电压的功能，p j d 只 需增加检测它们之间的相位差，并在超过门槛值时停止逆变器并网运行的能力， 容易实现：也不影响逆变电源输出电能的质量。但是相位差门槛值很难确定，因 为某些负载( 尤其是电动机) 启动时，经常引起瞬时相位突变，如果门槛值设置 的太低，就会引起逆变电源误操作，如果设置的太高，当负载的阻抗角较小时， 检测就会失败。 a 。，_ 。 ，秘。 图1 4电压相位突变检测工作原理 c 电压谐波检测啪5 1 1 6 1 1 3 2 】 电压谐波检测通过监测电压的总谐波失真来检测孤岛状态。正常运行时， 由于电网的作用，p c c 点电压v 。为低失真的正弦波。孤岛时，有两种原因能够 促使电压谐波的增大。第一：逆变器产生的谐波电流将流入负载，负载阻抗 通常较大，谐波电流与负载阻抗相乘，v 。产生较大的谐波；第二：逆变器为电流 控制模式，呈现电流源特性，切断变压器原边的断路器s l ，逆变电源输出电流 将对变压器副边绕组进行励磁，由于变压器的磁滞特性和其他非线性特性，其电 压响应有很大的失真，进而增加的n 王d 。负载同样具有非线性，如整流器， 也会使产生失真。 电压谐波检测的门槛值很难确定，因为，选择门槛值时必须保证既要高于正 常运行时的t h d 值，又要低于孤岛时，由上述两种情况产生的t i d 。假设逆变 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 电源输出电流的t h d 为5 ( 最大允许值) ，对于阻性负载，电压h 的n d 也 为5 ；但是对r l c 负载，由于它有衰减高频的特性，t h d 可能低于5 。因 此，门槛值必须低于5 。实际上，电网电压失真也并不为零，通常情况下为l 2 ；还有些负载，如，整流器，能够产生电流谐波，这些都有可能导致t h d 的增大，逆变电源控制系统会误认为是孤岛形成时的t h d 增加：而且这种检测 方法利用的是元器件的非理想特性，很难用常规的方法来衡量n d z 的大小；在 实际系统中，所用元器件的理想程度也各不相同，相应的检测效率也会有很大的 区别。 1 4 2 内部有源方法 内部有源方法是对逆变器输出电流引进变化或扰动，促使系统处于孤岛状态 时公共耦合点电压的参数( 幅值、频率、谐波) 偏离正常值，并在超出设定范围 时，停止逆变器并网运行的一类方法。内部有源方法的检测效率相比无源方法都 得到了提高，但同时，由于引进了扰动，逆变器输出电能质量也在不同程度上受 到了影响。根据加入扰动的参数及其方式不同，它又有以下四种方法： 阻抗分析法2 1 逆变器并网运行时，都为电流控制，其输出表现为电流源特性，即 = ，s i n ( 耐+ 妒) ( 1 - 1 ) 其巾，l ! i n 。为逆变器的输出电流。厶。为系统设定的逆变器输出电流幅值，u 为输 出电流的角频率，庐为p c c 点电压与逆变器输出电流之间的相位差。从上式可 以看出，逆变器可以对三个参数( 幅值，i 。频率卯和。与v 。之间的相位差驴) 引进扰动来实现孤岛状态检测。阻抗分析法通过对逆变器输出电流幅值定期引进 扰动来实现孤岛状态检测。 如图1 3 所示，断路器s l 闭合时，由于电网对公共耦合点电压的箝位作用， 电压v 。的幅值变化很小；但在s l 断开时，由于负载阻抗较大，它与加入幅值扰 动的逆变器输出电流相乘后得到的电压v 。会有一个比较明显的变化。当比值 d v 拍f 超出设定范围时，逆变器停止并网运行，由于d v 舢有阻抗的量纲，所以 得名为阻抗分析法。 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 阻抗分析方法的理论效率很高，但是有两个原因会降低其效率。其一：p c c 点连接多台逆变器时，由各台逆变器扰动所引起的比值d v 埘f 相比单台时已经被 大大的减小，非检测区增大；其二：由于滤波器的延迟作用，扰动电流f 并不 会立即引起相应值的电压变化量v 。，使得d v 期f 比理论值要小，从而增大非检 测区。要消除它们的影响，必须使各台逆变器加入的扰动都保持同步，而且滤波 器没有延迟效应，但这在实际系统中很难办到。 b 滑模擐率漂移法( s m s ) 1 2 】【4 “矧 滑模频率漂移法控制逆变器输出电流与电压v 。之间的相位差为频率的函 数，在孤岛状态下，促使频率偏离正常值。这个函数要求：在额定频率处，逆变 器工作在单位功率因数，即输出电流和电压v 口之间的相位差为零；频率偏移额 定值时。相位差随频率增人的速度大于负载阻抗角的增人速度，如图1 5 所示。 其中目 ，) 为负载阻抗角的频率响应曲线，函( 厂) 为设定相位差频率响应曲线， 毋( ，) 在额定频率b 点附近的斜率大于口( d 的斜率。 电网正常时，电压由电网控制，频率1 ；会出现异常现象；电网断丌时， 系统稳定工作点必须是负载线和相位差频率响应曲线的一个交点，如果电压v 。 的频率有微小的波动，由于正反馈作用，相位差的s 型响应曲线会使电流和电压 之间的相位差进一步增加，使b 点成为系统不稳定 作点，直到新的 作点a 或c ( 此时毋( p 的斜率小于目t p 的斜率) 。如果a 点和c 点的频率超出o f p ，u f p 的限定值，孤岛状态就被检测出来。 弋 ；”z 7 i 1 够( ， 立l ，引l l。i 芽乏l ：髯二末： 笨 c1 02 c3 c4 c5 c6 07 c8 0 9 0 1 【j 0 n h 27 图1 5 负载和相位差的频率响应曲线 s m s 只需在原有并网逆变器的锁相环基础上稍加改动，比较容易实现；非 检测区( n d z ) 较小；由于正反馈的作用，效率不受多台逆变器并联影响。但是 洲 乩 牝 孔 0 孔 牝 托 一磬q)。孟 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 由于s m s 不停地对逆变器输出电流的相位进行修正，在一定程度上影响了逆变电 源输出电能质量，所以在设计时，要考虑孤岛检测效率和输出电能质量之间的折 中。 c 频率偏移法( a f d ) 2 】1 2 1 i 渊 a f d 对逆变器输出电流注入微小的畸变，当系统处于孤岛状态时，促使电 压v 。的频率发生偏移，再通过o f p 脚f p 来检测孤岛状态。输出电流畸变的加入 方式如图1 6 所示，其中叱为公共耦合点电压波形，f i 。为逆变器输出电流波形， 虚线正弦波为k 的基波，2t 为逆变器输出电流正弦波部分的周期，t u 为电压v 。 ( 也即电网电压) 的周期，t z 是零点时间。a f d 设定斩波率萨2 叽，。前半周期 第一部分，逆变器输出电流是半个正弦波，频率为1 ， ( 1 一忉t 。】，电流在过零瞬间 到电网电压过零之间一直保持为零；后半周期第一部分，逆变电源输出电流为正 弦波的负半周，输出电流在再次过零时刻到电网电压过零时刻之间一直保持为 零。由于d 为预先设定值，所以系统稳定工作时，不管是孤岛状态，还是正常 运行，逆变器输出电流和公共耦合点电压之间的相位差都是一定的( c 厂n 2 ) 。 如果系统处于正常【：作状态，由于电网的作用，公共耦合点电压的频率不会 出现异常现象；孤岛时，此畸变电流加到负载上，电压由电流和负载荚同决 定，在达到稳态时，电流和电压v 。间的相位差为盯n ，2 ，的频率由负载特性 决定，大小为负载阻抗角等于一盯n ，2 时的频率，如果此频率超出正常范围，孤 岛状态就被椅测出来。 图1 6a f d 的主要波形 a f d 只需对原有逆变器的电流参考波形加入畸变，容易实现，效率较高 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 但是输出电流波形畸变会降低逆变器输出电能质量，所以需在检测效率和电能质 量方面进行折中。增大叮值，可以减小n d z ，但是叮值增大的同时，逆变器输 出电流的t i d 也随之增大。经过对a f d 的改进，可以得到另外两种方法：相位 突变法和s a n d i a 频率偏移法。 图1 7 相位买变法的主要波形 为了改进逆变电源输出电能质量，相位突变法并非在每个周期都插入零点时 间t z ，而是每隔几个周期才插入一个t z ，如图1 7 所示。相位突变法在一定程度 改善了输出电能质量，但是并没有从本质上改善，而且是以检测速度为代价的。 s a n d i a 频率偏移法( s f s ) 在a f d 的基础上，使斩波率c 厂对电压的频率 引进正反馈，其定义如下式 c ，= 瓯+ k ( 无一、兀) ( 1 。2 ) 其中：嘶为额定频率下的斩波焉莲，k 为误差增益， 为叱的频率，南为额定频率。 s f s 在对频率引入正反馈后，在频率发生波动时，相当于增大了m d 的盯值， 使得正常工作时有相同输出电流t h d 的情况下，n d z 进一一步减小，或者相同 n d z 情况下，正常工作时输出电流t h d 减小，从面缓解了检测效率与t h d 之 间的矛盾。 d s 雠d 培电压儡移法( s v s ) 【2 1 【3 2 1 s v s 对电压的幅值运用正反馈，如果v 。幅值降低，减小逆变电源输出电 流，如果幅值升高，增大逆变器输出电流，如下式 ，细= ，o + 七( k ) ( 1 3 ) 其中：厶n v 为逆变器的输出电流，南为逆变器的输出电流设定值，为额定电网 l o 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 电压，k 为输出电流对p c c 点电压误差的增益。正常工作时，电压v 。受电网控 制，幅值不会出现异常现象；电网断开时，由于正反馈作用，逆变器输出功率与 负载功率不匹配或电压的微小波动都能够使v 。的幅值进发生偏移，当超出电 压设定范围时，逆变器停止并网运行。 对于公共耦合点电压微小的幅值或频率误差，正反馈都可以使逆变电源输出 电流的幅值或频率朝着相同的方向发生偏移，并进一步扩大公共耦合点电压的幅 值或频率误差，这样公共耦合点电压和逆变电源输出电流的幅值或频率误差之间 相互加速增大，直到o v p v p 或o f p ，u f p 动作为止。这种加速孤岛时保护动 作的方法，可以减小正常运行时电能质量的下降，并且在多台逆变器情况下也不 影响检测效率。 与其他有源方法相同，s v s 容易实现；并且与a f d 、s f s 、s m s 等利用频 率来检测的方法结合使用时，具有很高效率。但是，电网正常时，v 。也不会是理 想的额定值，s v s 会使逆变器的传输功率离开额定i 作点，如果传输功率偏大， 可能会损坏逆变器，或长期运行，降低逆变器寿命；如果传输功率偏小，又会影 响效率，这个变化量的人小取决于电网的强度。对于较弱的电网，使用s v s 检 测方法的并网逆变电源不能使用的太多，以免造成电网电压不稳定。 1 4 3 外部方法 逆变电源外部方法是通过电网对逆变器的控制，或者电嘲与逆变器之间的通 信来控制逆变器在一定条件卜停止并i 删运行的一类方法。外部方法都有很高的检 测效率，但是由于需要在电网上安装附件，成本会相应提高，而且安装和审批都 比较复杂。根据电网对逆变器的控制方式不同，它又有以下两种方法： 阻抗插入法嘲1 3 2 l 阻抗插入法是通过一个常开开关s 3 在电网侧b 点插入一个低阻抗负载，如图 1 8 所示，此常开开关s 3 与断路器s l 联动，在断路器s 1 断开延迟一段时间后， 常开开关s 3 闭合。孤岛时，插入的的低阻抗负载能够打破原有的逆变器与负载 之间的平衡，造成k 幅值或频率的偏移，从而实现孤岛检测。常开开关s 3 闭合 与断路器s 跳闸之间的延迟是必须的，因为有可能在加入阻抗前的负载跟逆变 器输出功率不匹配，孤岛状态能够检测出来，但是加入阻抗后，总负载正好与逆 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 变器输出功率匹配，使孤岛状态检测不出来，这样插入的阻抗并没有缩小n d z 只是改变了n d z 的位置。 f 勺c 酣十c s ，p c c 卜一 s 图1 8 阻抗插入法检测示意图 b 电力线载波通讯法( p l c c ) 1 2 】1 3 0 j 3 2 】 包含p l c c 孤岛检测方法的系统结构如图1 9 所示。电网端的发送器t 通过 电力线本身发送信号来传递信息，用户端的接收器r 检测电网上是否有t 发送 的信号，如果枪测f i 到此信号，晓明电网已经断开。为了保讪e 检测的高效性，p l c c 信号必须具有三个特点：( i ) 电网端发送，用户端接收；( 2 ) 必须采用连续信号。 如果信号是断续的，接收器就很难判断是孤岛引起的还是t 没有发送信号引起 的接收1 i 到选定信号：( 3 ) 选定信号必须能够很好的在分饰网络里传播。由于变 压器的串联电感会阻碍任何高频信号，所以必须选用低频信号，通常选择次谐波 ( 它在系统中容易传播，并且不易被复制) 。 p l c c 没有n d z ，相应速度快；多台逆变器连接情况下也不影响检测效琦夏。 但是p l c c 要求有个比较昂贵的发送器t ，小范围应用受到限制；而且审批和 安装都比较复杂。 图19p l c c 检测系统结构示意图 断开信号传送法( s p d ) 与p l c c 法类似，也是依赖于电网与逆变器之间的 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 通讯。不同之处在于，s p d 系统中发送器安装在继电器上，它通过无线电波、电 话线或着其它方式与分布式电源上的接收器进行通讯，而不是通过电力线。如果 s p d 通过电话线来传递信息，必须额外增加成本，如果用无线电波传送，审批比 较麻烦，而且在有些地方可能接收不到信号而使孤岛检测失败。 1 5 本文选题意义与研究内容 本文研究逆变器并网孤岛检测技术的目的是为了提高用户使用电网的安全 性和为负载供电的可靠性。在检测出孤岛状态时，逆变器从并网运行模式转换成 独立运行模式，独立运行时所带的一些重要负载可以继续工作，逆变器就起到 u p s 的功能。 本文的主要内容包括以下几个方面： 第一章介绍孤岛检测技术的背景，分布式电源并蚓的标准，系统等效模型以 及现有技术概括。 第二章根据本课题具体项目，介绍过欠电压和高低频率保护的工作原理， n d z 大小，频率和电压的测量精度对n d z 大小的影响和检测结果在两个d s p 间的通讯。 第三章分析a f d 的1 ：作原理，n d z 的数学模型，输出电流畸变波形的实现 及其对电能质量的影响和频率榆测设计。 第四章介绍一些硬件电路的实现与d s p 软件编程，并给出孤岛检测的实验 结果。 第五章是对本文的总结和展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章过，欠电压和高h 氏频率保护设计 第= 章过欠电压和高低频率保护设计 2 1 非检测区 2 1 1 非检测区的数学模型 过，欠电压保护利用电压幅值来检测孤岛状态，是所有其他利用电压检测孤岛 技术的基础，高，低频率保护利用频率来检测孤岛状态，是所有其他利用频率检 测孤岛技术的基础。在研究其他利用电压和频率的孤岛检测技术的效率时，都可 以过欠电压和高1 氐频率保护的效率为基准，而非检测区是比较检测效率的有效 途径。 过欠电压保护( o v p 巾v p ) 过欠电压保护是监测公芡耦合点( p c c ) 电压的幅值如果y 出现异常 现象超出正常工作范围( n ，) ，就停止逆变器并网运行的一种方法。其 中、班为电网电压i f 常范围的最小值和最大值，并网发电系统标准规定：= 8 8 、= 1 1 0 ，为标准电网电压。 逆变器并阀系统结构如图1 3 所示。理想条件下，由于控制器中负反馈的作 用，在孤岛形成后并达到稳态时，逆变器输出电流，跟随电流给定值，与孤岛形 成前相同。所以，可以认为孤岛形成前后，逆变器输出电流是不变的。同理，由 于锁相环的作用，公共耦合点电压与逆变电源输出电流之间的相位羞曲也可以认 为是不变的，即 ，= ，n ( 2 1 ) 妒= 戎 ( 2 2 ) 其中，而、曲。分别为与，、砂对应的在孤岛形成前的值。一般并网逆变器都要求 控制相位差为o ，或者接近于o 。即 纯= o ( 2 3 ) 孤岛形成前，逆变器的输出电流为 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章过，欠电压和高，低频率保护设计 肚k 挑忡s 死酬。2 躐( 2 - 4 ) 负载的电阻为 。鲁一篆 其中，为孤岛形成前p c c 点的电压。孤岛形成后 电压为 ( 2 5 ) 并达到稳态时，p c c 点的 y = ，r c o s 妒( 2 6 ) 把( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 _ 4 ) 和( 2 5 ) 四式代入( 2 6 ) 式可以解得 ( 1 - 矧 口， 从上式可以看出，只要孤岛形成前j p o ，p c c 电压幅值就会发生变化。要使 o v p ，u v p 检测失效，即，在出现孤岛状态时，系统检测不出来，必须满足 k y k( 2 - 8 ) 所以，联寺式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 两式可以解得 1 一旦 竺 1 旦1 k屹州 若实际系统满足上式则它处在非检测范i 嗣内。 b 高低频率保护( o f p 御f p ) 高，低频率保护是监测p c c 点电压的频率，如果，超出正常工作范围， 正) ，就停止逆变器并网运行的一种方法。其中止、办为正常电网频率的上下限值。 i e 髓s t d1 5 4 7 2 0 0 3 标准规定：额定电网频率肛6 0 h z ，五= 5 9 3 h z 、正= 6 0 5 h z ， 因为我国额定电网频率采用的是而= 5 0 h z ，所以根据比例计算， = 4 9 4 1 7 h z 、 办= 5 0 4 1 7 h z 。 与o v p ，u v p 相同，公共耦合点电压与逆变电源输出电流之间的相位差庐在 孤岛形成前后也可以认为是不变的，即 庐= 戎= o( 2 1 0 ) 系统正常工作时，逆变器输出的无功功率和有功功率分别为 浙江大学硕士学位论文第二章过，欠电压和高，低频率保护设计 q = k ，os i n 晚= q 幻耐一q p = ，o c o s = 乞谢一舻 识：a r c t a n 鱼a d 垒 “ 匕蒯一p 负载的无功功率、有功功率和品质因数分别为 盱略( 去w = 普 驴尺仨 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 一1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 ，1 6 ) l ：二垒皇堕鲨缝望! ：! 堡垒 垒堕竺b 1 7 ) r ：二丝坐堕! 堕堡! 电网断开并达到褪态时，负载的阻抗角为 妒= a r c t a n 尺( 壶一葩) 口 其中，u 为孤岛状态下并达到稳态时，p c c 点电压的角频率。联立( 2 一lo ) 和( 2 1 8 ) 两式可以解得 ：三一 ( 2 1 9 ) 、7 l o 把( 2 1 7 ) 式中的电感l 和电容c 代入( 2 1 9 ) 式，可计算出孤岛状态下并达到稳态 时，p c c 点电压的角频率。为 ：鱼鱼些丝( 2 2 0 )u = f 三兰= 兰；三= = = = = = =( 2 - 烈j ) 一q + ( q ) 2 + 4 鳞吃。 浙江大学硕士学位论文第二章过，欠电压和高，低频率保护设计 从上式可以看出，孤岛形成前，只要q 0 ，p c c 电压的频率就会发生变化。 要使o 舢f p 检测失败，电网断开并达到稳态时p c c 点电压的频率必须满足 q 皑 ( 2 _ 2 1 ) 其中u1 、u2 为分别与办，五对应的角频率。联立( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 两式可以解得 q ，( 嚣一等) 等 q ，( 等一薏) t z 珑， 若实际系统满足上式，则它处在o 删f p 的非检测范围内。从上式可以看出， 这种方法的非检测区与品质凶数存在着正比关系，品质因数越大，非检测区 ( n d z ) 也很大。 观察( 2 ，9 ) 和( 2 2 2 ) 两个数学关系式可知，非检测区的数学模型是界定p 和 q 与负载有功功率间比值的取值范围，而尸和q 为逆变器输出和负载之间 的有功功率和无功功率的失配量。为此，定义如下两个物理量： 有功功率失配系数：电网正常时，电网提供的有功功率与负载有功功率问的 比值 无功功肆夏失配系数：电网正常时，电网提供的无功功率与负载无功功率间的 比值 0 p 1 0 “ 0 v p ，u 砰 o f p ，蚶p q f = i 0 f p 【脚e o f = 2 j ) 瓮 图2 1o v p u v p 和o f p u f p 的非检测区 把o v p p 和o f p ，i 脚的非检测区画在一个图上，如图2 1 所示。其中水 平坐标表示逆变器输出电能与负载之间的有功功率失配系数，纵坐标表示无功功 浙江大学硕士学位论文第二章出欠电压和高f 氐频率保护设计 率的失配系数；垂直方向两条直线之间的区域为0 v p ，u v p 的n d z ，水平方向外 边两条直线之间的区域为负载品质因数q 产2 5 时o 刑u f p 的非检测区，里边两 条直线之间区域为q 严1 ，o 时o f p 卿的非检测区。从图中可以看出，0 v p 厂u v p 和o 删f p 同时使用，孤岛检测的非检测区得到大大缩小。 2 1 2 测量耩度对非检测区的影响 电压测量精度对o v p 阿v p 非检测区的影响 假设0 v p 九j v p 的电压检测精度为n ，则p c c 点电压的幅值测量误差为 y = 卵k ( 2 2 3 ) 所以，p c c 点电压的幅值测量值为 y = y + yf 2 2 4 1 考虑电压幅值的测量误差后，要使系统处于孤岛状态而不被检测来必须满足 v y + k( 2 2 5 ) 其中，电网断开并达到稳态时的电压幅值y 在2 1 节( 2 7 ) 式中已经给出，所 以联立( 2 7 ) 、( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 和( 2 2 5 ) 四式可以解得 卜静 筹小和 口z s ， 圪耐 。 电压测量精度对o v p u v p 非检测区的影响如图2 2 所示，其中两条实线之间 的区域为o v p u v p 的理论n d z ：任何同类型同粗细的两条直线之蚓的区域为n d z 边界因测量精度引起的误差范围，n d z 边界位于这个区域内；虚线、点划线、点 线分别为测量精度n 等于o 2 、1 、5 时n d z 的边界范围，细线为右边界误 差范围，粗线为左边界误差范围。从图中可以看出，电压测量精度越高，n d z 的 边界与理想值越接近，在n = o 2 时，测量精度引起的n d z 误差很小，可以忽略 不计。 浙江大学硕士学位论文第二章过，欠电压和高，低频率保护设计 i i一 理论哪z q = 0 2 x一 1r 一 一 d q = l x “ ) 一 悟 一 i 一 一 i 一 ，一 ，1r 甲、1 = 5 x 一、 一 一划_ j i ：i l i；： 一 iji： ii；： 老e ” 图22 电压测量精度对o v p ，u v p 的n d z 的影响 b 频率测量精度对o f 删f p 非检测区的影响 假设o f p ，u f p 的频率测量精度为 ，则p c c 点电压的频率测量误差为 珊= 小 ( 2 2 7 ) 所以，p c c 点电压的频率测量值为 + = 国+ 删 ( 2 2 8 ) 考虑v 。频率的测量误差后，要使系统处于孤岛状态而不被榆测出来，必须满足 q 哆 ( 2 2 9 ) 电网断开后并达到稳态时p c c 点电压的频率m 如2 1 节( 2 2 0 ) 式，所以联立 ( 2 2 0 ) 、( 2 2 7 ) 、( 2 2 8 ) 和( 2 2 9 ) 网式可以解得 一商 n r 5 2 ( 实际电路中通常如此选择) 。从上面的分析过程及式( 2 4 0 ) 浙江大学硕士学位论文 第二章过，欠电压和高h 氐频率保护设计 可以看出，选择r 5 + n r 5 2 和r 6 + n r 6 2 就可以大大提高测量精度。 ( 4 ) 由运放引起的测量精度 ) 输入偏量电流和输入失调电漉 实际运算放大器在它们的输入管脚都会吸收少量电流，分别用i p 和i n 表示流 入运放同相输入端和反相输入端的电流。由于运放内部电路的原因，i p 和i n 不可 避免的存在着失配，将两电流的均值称为输入偏置电流 ，。：掣皇 ( 2 4 1 ) 他们的差值成为输入失调电流 ，叩= ，p 一，( 2 4 2 ) i b 的数量级通常比i o s 大。考虑运放输入偏置电流和失调电流的影响时，忽略输 入失调电压的影响，并假设电阻是理想的，将第一级降压电路的输入置零后的等 效电路如图2 5 所示，由欧姆定律可知，同相输入端的电压为 k = 一( b ，r ) ，( 2 4 3 ) 利用叠加定理可得，运放的输出电压为： 匕f ( 1 + 鼽删。 舛， j r 图2 5 考虑输入偏置电流和失调电流的第一级等效电路 把式( 2 4 1 ) 、( 2 4 2 ) 、( 2 4 3 ) 代入( 2 4 4 ) 可得 ( k 。，= ( 1 + 鲁 ( r r 2 ) 一( b r ) k 一 ( 日，r ) + ( 恐r ) k 2 ) ( 2 4 5 ) 从上式中可以看出，在设计中使得r l = r 3 ，r 2 = r 4 ，即r 1 膘2 = r 3 低，则可消除 由输入偏置电流引起的误差。此时误差公式可简化为 浙江大学硕士学位论文 第二章出欠电压和高，低频率保护设计 ( v 。) ，= 一r ( 2 _ 4 6 ) 将第二级偏置电路的输入置零后的等效电路如图2 6 所示，由欧姆定律可知， 同相输入端的电压为 k = 一r ( 2 4 7 ) 图2 6 考虑输入偏置电流和失调电流的第二级等效电路 运放输出电压为： v 。+ = ，+ 啬卜 陋4 s ， 代入偏置电流和失调电流表达式可得 盯= ( - + 击 ( 恐，r 仙) 一r ( 也r 恻+ r m 2 ) ( 2 4 。) 可以看出，在设计中使得r 5 = 民= r 7 ，r 8 = r 5 偬r 7 ，则可消除由输入偏置电流引 起的误差。此时误差公式可简化为 ( v 。+ ) ，= 一r ，。， ( 2 5 0 ) 从式( 2 4 6 ) 和( 2 5 0 ) 可以看出，运放输出电压误差与输入失调电流有关，按比 例缩小所有的电阻可以降低误差。然而，缩小电阻会增加功率耗散，因此需要进 行折中。 b ) 叭失调电压 理想情况下，将运算放大器的输入短接，输出电压应该为零，但是，实际运 放并非如此。为了使输出电压等于零，必须在两个输入管脚间加入一个合适的校 正电压，这个校正电压称为输入失调电压v o s 。实际运算放大器可用理想的或无 失调的运算放大器的一个输入端上串联一个微小的电压源s 来表示，如图2 7 所示。这样，由于s 的存在，v n = v p + s ，而不再是v n = v p 。 浙江大学硕士学位论文 第二章过，欠电压和高，低频率保护设计 v h v p 图2 7 实际运放的等效模型 考虑输入失调电压引起的误差时，假设外围电阻都是理想的，忽略输入偏置 电流和失调电流的影响，并将第一级降压电路的输入置零后的等效电路如图2 8 所示。经过分析可知，理想运算放大器对于v b s 来说相当于一个同相放大器，所 以输出电压 h 。，= ( + 割 陋s - ， 图2 9 考虑输入失调电压的第二级等效电路 立 暾羲 浙江大学硕士学位论文第二章过，欠电压和高，1 氏频率保护设计 ( o ) 。= ( 1 + 篇 = 3 ( 2 - 5 2 ) 本次课题选取3 5 0 v 的电压b 对应3 3 v 的a ，d 采样电压，则2 2 0 v 。电压对 应的，d 采样电压为2 2 0 2 05 3 3 ( 3 5 0 2 ) = 1 4 6 7 v ，所以由运放引起的电压总 测黾精度为 编：蚍比鳓业刨 p s s ， 联立( 2 - 4 6 ) 、( 2 5 0 ) 、( 2 - 5 1 ) 、( 2 - 5 2 ) 和( 2 - 5 3 ) 五式可得 编= 鲣韭镙 ( 2 _ s 4 ) 综上所述，电压测量的总精度为 7 7 = 叩