專利名稱：一種基于負載特性的孤島檢測裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種檢測裝置及方法，尤其涉及一種基于負載特性的孤島檢測裝置及方法。
背景技術：
當電力公司的供電，因故障事故或停電維修而跳脫時，各個用戶端的太陽能并網發(fā)電系統未能及時檢測出停電狀態(tài)而將自身切離市電網絡，而形成由太陽能并網發(fā)電系統和周圍本地負載形成的一個電力公司無法掌握的自給供電孤島，并網發(fā)電系統與本地負載形成獨立運行狀態(tài)，這種狀態(tài)就是太陽能并網發(fā)電的孤島效應。孤島效應不只發(fā)生在太陽能并網發(fā)電系統中，事實上，只要是分布式并網發(fā)電系統都有可能產生孤島效應問題。孤島產生原因可以歸結為以下幾個方面(1)大電網發(fā)電系統停止運行導致整個電網停電，但是光伏并網系統仍通過投閘開關連接在大電網上，其輸出容量有可能維持向電網供電并超過某一時間段；(2)大電網或配電網某處線路斷開或開關跳閘，造成光伏并網系統與所連接負載 (可能包括配電網上的部分負載)形成獨立供電系統，并可能進入穩(wěn)定運行狀態(tài)；(3)光伏并網系統投閘開關自主或意外斷開，但是并網發(fā)電系統與本地網絡形成孤島運行。在孤島狀態(tài)下電力公司就失去對線路電壓、頻率的控制，進而會帶來一系列的安全隱患及事故糾紛(1)影響配電系統上保護開關的動作程序；(2)電網不能控制電力孤島區(qū)域的電壓和頻率，可能會造成因供電電壓和頻率不穩(wěn)使得用戶的用電設備損壞；(3)危害輸電線路維修人員的安全；(4)影響電網手動或自動恢復運行。因此，電力公司要求并網的分布式發(fā)電系統能及時必須及時檢測出孤島并將分布式發(fā)電裝置與公共電網間的連線斷開。在美國電氣及電子工程師協會制訂的光伏系統并網國際標準IEEE Std. 929-2000中是這樣定義與電網接口的“無孤島逆變器(non-islanding inverter)，，的(I)PV逆變器輸出有功功率與負載消耗功率的失配度大于50% ；或本地負載功率因數小于95%時，電網失壓后必須在10個周波內停止向電網供電。(2)有功功率失配度在50%以內且本地負載功率因數大于95%時，逆變器應能在電網失壓后2s內停止對電網供電。上述指標所指的負載對象為品質因數Qf彡2. 5的并聯諧振負載。美國、德國、日本等對太陽能發(fā)電研究較早的國家從上個世紀末就著手開始制訂相關國家標準，并對其不斷修改、完善，以規(guī)范、引導國內光伏發(fā)電產業(yè)的發(fā)展。如美國制訂的光伏系統并網標準美規(guī)IEEE1547/IEEE1547. 1標準；德國制訂的光伏系統并網標準TUV(認證用最新標準DIN VDE 0126-1-1)；澳大利亞制訂的光伏系統并網標準澳規(guī)AS4777 標準；西班牙制訂的光伏系統并網標準RD 1663/2000認證；其它國家如加拿大、英國、荷蘭等緊隨其后，也制定了自己的國家標準，如英國制訂的光伏系統并網標準G83/1認證；意大利制訂的光伏系統并網標準DK5940認證。在孤島檢測的要求和技術指標上，不同國家相去甚遠，如荷蘭僅要求進行被動式電壓、頻率超限檢測，德國卻細致地規(guī)劃了主動式檢測方法及其測試要求；有的國家認為光伏系統孤島對繼電器的自動重合閘影響不大，因此在標準中允許的檢測時間較長(長達5秒)，而有的國家要求較短，如美國標準中規(guī)定孤島檢測時間為2秒；從電網電力恢復到逆變器重新并網的最短時間間隔方面的規(guī)定也相差甚遠，北美要求至少滯后5分鐘，德國僅要求滯后20秒。我國于2005年11月發(fā)布相關國家標準，即光伏系統并網的技術要求，該標準分別從2006年1月1日和2006年2月1日起實施。標準中對孤島檢測提出的要求包括(1)電網失壓時，防孤島效應保護必須在2s內動作，將光伏系統與電網斷開；(2)應至少采用主動與被動孤島檢測方法各一種。2009年8月頒布的CNCA/CTS 0004-2009《400V以下低壓并網光伏發(fā)電專用逆變器技術要求和試驗方法》防孤島效應保護方案的選取中提到基于并網逆變器的防孤島效應保護方案分為主動式防孤島保護方案和被動式防孤島保護方案。被動式方案通過檢測逆變器交流輸出端電壓或頻率的異常來檢測孤島效應。由于被動式方案的檢測范圍有限，因此為了滿足并網逆變器防孤島保護安全標準的要求，必須采用主動式方案。主動式方案通過有意地引入擾動信號來監(jiān)控系統中電壓、頻率以及阻抗的相應變化，以確定電網的存在與否。主動式防孤島效應保護方案主要有頻率偏移、電流脈沖注入引起的阻抗變動、電力線載波通訊等。被動式防孤島效應保護方案主要有電壓相位跳變、3次電壓諧波變動、頻率變化率檢測、有功功率變動、無功功率變動等。北京鑒衡認證中心認證技術規(guī)范《并網光伏發(fā)電專用逆變器技術要求和試驗方法》CGC/GF001 :2010(CNCA/CTS00X 2010)中也明確提到防孤島效應保護方案的選取方案基于并網逆變器的防孤島效應保護方案分為主動式防孤島保護方案和被動式防孤島保護方案。被動式方案通過檢測逆變器交流輸出端電壓或頻率的異常來檢測孤島效應。由于被動式方案的檢測范圍有限，因此為了滿足并網逆變器防孤島保護安全標準的要求，按照GB19939-2005 6. 3節(jié)規(guī)定，應至少設置各一種主動和被動防孤島效應保護。主動式方案通過有意地引入擾動信號來監(jiān)控系統中電壓、頻率以及阻抗的相應變化，以確定電網的存在與否。主動式防孤島效應保護方案主要有頻率偏移、電流脈沖注入引起的阻抗變動、電力線載波通訊等。被動式防孤島效應保護方案主要有電壓相位跳變、3次電壓諧波變動、頻率變化率檢測、有功功率變動、無功功率變動等。防孤島效應保護方案的選取應考慮以下規(guī)則a)要兼顧考慮檢測性能、輸出電能質量以及對整個系統暫態(tài)響應的影響；b)如果一個簡單且成本低的防孤島效應保護方案將孤島效應帶來的危害降低到其它的電力危害以下，那么該方案即為適當的。常規(guī)主動孤島檢測法都是向電網中注入一個擾動量，通過擾動量的變化來判斷孤島狀態(tài)。主動移頻式和主動移相式孤島檢測方法對頻率和相位產生擾動，這種擾動在光伏并網工作時始終存在，必然影響光伏系統輸出電流的質量，使得輸出電流畸變率提高。光伏系統并網技術要求〔GB/T 19939-2005〕中要求電流畸變率控制在一定范圍之內，即總諧波電流應小于逆變器額定輸出的5%，其中奇次諧波的畸變率小于4. 0%，偶次諧波的畸變率小于2. 0%。同時逆變器輸出電能質量需要滿足下列文件中的條款標準
GB/T 12325電能質量供電電壓允許偏差
GB/T 14549電能質量公用電網諧波
GB/T 15543電能質量三相電壓允許不平衡度
GB/T 15945電能質量電力系統頻率允許偏差
GB/T 17626.11 -2008電磁兼容試驗和測量技術電壓暫降、短時中斷和電壓變化的
抗擾度試驗(IEC 61000-4-11 :2004，IDT)GB/T 17626. 5-2008電磁兼容試驗和測量技術浪涌(沖擊)抗擾度試驗 (IEC61000-4-5 :2005， IDT)同樣逆變器電流控制策略、PWM調制策略、開關頻率、電網頻率波動等都會產生一定的電流畸變，只有孤島檢測算法引入的畸變應遠小于并網的技術要求，這些檢測辦法才可能被廣泛接受。因此，需要開發(fā)一種新的孤島檢測裝置及方法來解決現有技術存在的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是解決上述現有技術中存在的不足和問題，提供一種基于負載特性的孤島檢測裝置，它將負載特性的概念應用到新能源孤島檢測中，可以很好的檢測到孤島， 并且減少了孤島檢測時間。本發(fā)明還提供該基于負載特性的孤島檢測裝置的檢測方法。本發(fā)明的技術方案如下本發(fā)明的基于負載特性的孤島檢測裝置，其包括以下結構或單元并網母線側電流和電壓采集單元采集并網母線側電流和電壓的數據；電流和電壓調理電路將采樣得到的電壓和電流信號濾波、放大；算法控制單元分析采樣數據，根據電網狀態(tài)控制逆變系統與電網的通斷，并通過算法控制PWM信號輸出；驅動電路增強PWM控制信號的驅動能力；逆變單元通過PWM控制信號將直流信號逆變?yōu)榻涣餍盘?。本發(fā)明的基于負載特性的孤島檢測裝置，其進一步的技術方案是所述的并網母線側電流和電壓采集單元由電壓傳感器與霍爾電流傳感器組成，電壓傳感器與霍爾電流傳感器直接連接在逆變器輸出母線側，并與電流調理電路連接；所述的算法控制單元、逆變單元之間由驅動電路連接。本發(fā)明的基于負載特性的孤島檢測裝置，其進一步的技術方案是所述的逆變單元的控制電路由數字信號處理器TMS320F2812組成。本發(fā)明的基于負載特性的孤島檢測裝置的檢測方法，其包括以下步驟A)開始，并網母線側電流和電壓采集單元采集信號，檢測裝置檢測負載側與電網側之間的相位和頻率；
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B)通過所檢測到的電壓、電流判斷負載的特性；若電壓不在過零點，則返回重新采樣電壓、電流的相位和頻率，若電壓在過零點，則判斷電流是否處于過零點；C)若電流處在過零點，則判斷負載為阻性負載，若電流大于零則為容性負載，反之負載為感性；D)負載特性判定后，根據頻率的偏移量判定是否發(fā)生孤島故障；若感性負載時頻率的正偏移量小于設定幅值或阻、容性負載時頻率的負偏移大于設定值，則可確定孤島故障發(fā)生，否則返回重新采樣電壓、電流的相位和頻率，從而實現孤島保護。本發(fā)明的基于負載特性的孤島檢測裝置的檢測方法，其進一步的技術方案是所述的并網母線側電流和電壓采集單元采集信號輸入到逆變單元的控制電路的數字信號處理器TMS320F2812，通過負載特性檢測，頻率偏移，頻率正反饋來產生參考電流，控制PWM輸出ο本發(fā)明的基于負載特性的孤島檢測裝置的檢測方法，其進一步的技術方案還可以是所述的TMS320F2812輸出控制信號由驅動電路來放大。本發(fā)明的基于負載特性的孤島檢測裝置及方法中，逆變電路控制信號由DSP中孤島檢測算法和逆變算法相結合輸出，實現孤島保護。本發(fā)明的基本原理是通過實時對電網電壓、電流相位檢測，判斷電網負載特性， 對不同負載特性選擇不同的偏移方向，將給信號偏移量與給定頻率相比較，產生新的給定參考信號送給逆變器，作為控制信號，以實現孤島檢測。在該方法中，還加入了正反饋量，這樣進一步提高了檢測速度。本發(fā)明中，控制單元由數字信號處理器TMS320F2812組成，它根據由采集單元、電流調理電路傳送過來的電壓、電流信號來實現孤島的檢測。以TMS320F2812為核心的控制單元，其實現的基本思想是通過對給定電網頻率信號進行不同的偏移，在滿足電能質量要求下，快速檢測孤島。具體地實現過程如下(1)將采樣得到的電網側電壓頻率frequency、相位theta_U、電流相位theta_I進行相位偏差判斷，決定現在電網耦合點處的負載特性，如式(1)Δ theta = theta_U_theta_I①如果電流相位超前電壓相位，即式①中Atheta > 0，則說明該負載為容性負載； 如果電流相位滯后電壓相位，即式①中Atheta < 0，則說明該負載為感性負載；否則為阻性負載。(2)對于不同負載采用不同的頻率偏移方向，如果檢測到耦合點為容性，采用頻率負偏移；如果檢測到耦合點為感性，采用頻率正偏移。
權利要求
1.一種基于負載特性的孤島檢測裝置，其特征在于包括以下結構或單元并網母線側電流和電壓采集單元采集并網母線側電流和電壓的數據；電流和電壓調理電路將采樣得到的電壓和電流信號濾波、放大；算法控制單元分析采樣數據，根據電網狀態(tài)控制逆變系統與電網的通斷，并通過算法控制PWM信號輸出；驅動電路增強PWM控制信號的驅動能力；逆變單元通過PWM控制信號將直流信號逆變?yōu)榻涣餍盘枴?br> 2.根據權利要求1所述的基于負載特性的孤島檢測裝置，其特征在于所述的并網母線側電流和電壓采集單元由電壓傳感器與霍爾電流傳感器組成，電壓傳感器與霍爾電流傳感器直接連接在逆變器輸出母線側，并與電流調理電路連接；所述的算法控制單元、逆變單元之間由驅動電路連接。
3.根據權利要求1所述的基于負載特性的孤島檢測裝置，其特征在于所述的逆變單元的控制電路由數字信號處理器TMS320F2812組成。
4.根據權利要求1所述的基于負載特性的孤島檢測裝置的檢測方法，其特征在于包括以下步驟A)開始，并網母線側電流和電壓采集單元采集信號，檢測裝置檢測負載側與電網側之間的相位和頻率；B)通過所檢測到的電壓、電流判斷負載的特性；若電壓不在過零點，則返回重新采樣電壓、電流的相位和頻率，若電壓在過零點，則判斷電流是否處于過零點；C)若電流處在過零點，則判斷負載為阻性負載，若電流大于零則為容性負載，反之負載為感性；D)負載特性判定后，根據頻率的偏移量判定是否發(fā)生孤島故障；若感性負載時頻率的正偏移量小于設定幅值或阻、容性負載時頻率的負偏移大于設定值，則可確定孤島故障發(fā)生，否則返回重新采樣電壓、電流的相位和頻率，從而實現孤島保護。
5.根據權利要求4所述的基于負載特性的孤島檢測裝置的檢測方法，其特征在于所述的并網母線側電流和電壓采集單元采集信號輸入到逆變單元的控制電路的數字信號處理器TMS320F2812，通過負載特性檢測，頻率偏移，頻率正反饋來產生參考電流，控制PWM輸出ο
6.根據權利要求5所述的的基于負載特性的孤島檢測裝置的檢測方法，其特征在于所述的TMS320F2812輸出控制信號由驅動電路來放大。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于負載特性的孤島檢測裝置及方法，它將負載特性的概念應用到新能源孤島檢測中，可以很好的檢測到孤島，并且減少了孤島檢測時間。本發(fā)明的基于負載特性的孤島檢測裝置，其包括以下結構或單元并網母線側電流和電壓采集單元采集并網母線側電流和電壓的數據；電流和電壓調理電路將采樣得到的電壓和電流信號濾波、放大；算法控制單元分析采樣數據，根據電網狀態(tài)控制逆變系統與電網的通斷，并通過算法控制PWM信號輸出；驅動電路增強PWM控制信號的驅動能力；逆變單元通過PWM控制信號將直流信號逆變?yōu)榻涣餍盘枴?br> 文檔編號G01R31/00GK102222932SQ201110151740
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月8日 優(yōu)先權日2011年6月8日
發(fā)明者石泉 申請人:南京亞派科技實業(yè)有限公司