CN101931219A - 一种基于相位偏移的自抗扰孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位偏移的自抗扰孤岛检测方法，该方法是通过构建逆变器输出电流相角控制函数

，实现对逆变器输出电流的周期性扰动，从而使得孤岛发生后公共耦合点(PCC)处电压频率发生偏移，能够保证及时有效的检测出孤岛现象的发生。由上述可知，逆变器输出电流相角控制函数由两部分组成：一部分是稳态控制函数θ₀[k]，其主要作用是破坏系统可能存在的稳定运行点，保证扰动的有效性；另一部分是逆变器输出电流相角的主体函数

，它的作用是一方面保证二次孤岛发生时该方法能够有效的检测出孤岛，另一方面是防止系统瞬态扰动影响可能造成的误判，从而保证系统的正常运行。因此，与原有技术相比，本发明所提出的孤岛检测法不仅能够防止由于瞬态扰动的作用所导致的误判，确保系统运行安全，而且可以保证在最恶劣条件下孤岛发生时能够快速、准确的检测出孤岛，大大减小检测盲区。

Description

一种基于相位偏移的自抗扰孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及分布式并网发电系统的孤岛检测方法，尤其涉及到一种基于相位偏移的自抗扰孤岛检测方法。

背景技术

随着能源短缺与环境问题日益严重，太阳能、风能等作为可再生能源备受关注，可再生能源利用已成为世界各国争相发展的热点，分布式并网发电系统则是可再生能源进入大规模利用的必然趋势。分布式并网发电系统在满足人们用电需求的同时，也给电网带来了诸多安全隐患与事故，其中由孤岛所引起的安全问题也尤为突出。所谓孤岛现象是指当大电网失电时，与之相连的分布式并网发电系统未能及时检测出停电状态并脱离大电网，仍继续向本地负载提供电能，从而形成一个自给供电系统。孤岛一旦产生后，就可能会对设备和人身安全造成巨大危害。目前，国内外相关组织和机构已明确规定分布式并网系统必须具备孤岛检测能力。因此，孤岛检测直接关系到人员的人身安全以及整个系统的安全、可靠运行，已成为分布式并网发电系统不可缺少的关键环节。

通常，孤岛检测方法可分为被动检测法和主动检测法两大类。被动检测法通过观察电网的电压、频率以及相位的变化，能快速检测出孤岛状况，但是随着分布式发电系统并网规模的增大，电源与负载功率平衡的可能性也在增加，就给被动检测法带来了困难，即会出现孤岛检测盲区。主动检测法则是通过对正常的控制信号施加扰动，以破坏分布式发电系统输出与负载的平衡状态，从而弥补了被动检测方法的不足。因而，主动检测法在分布式并网发电系统中得到了广泛应用。近年来，自动相位偏移法(APS：Automatic Phase-shiftMethod)引起了人们的极大关注，并由于其自身的优越性使其成为工程应用最多的主动孤岛检测方法之一。其主要思路是通过引入稳定运行点破坏函数以保证不间断的对逆变器输出电流的相角实施扰动。在实际中，一旦孤岛发生后，倘若孤岛检测速度过慢，在重合闸再次合上以前仍没有断开并网发电系统即二次孤岛现象，极有可能对电网产生剧烈振荡，造成重大事故。特别是，随着高速重合闸装置的大规模使用，这种情况在APS方法中将很可能出现。此外，APS法还存在着另外一种严重的情况即误判，也是必须避免的。众所周知，当电网电压受到瞬间扰动后，这种电网电压瞬态扰动的影响势必就会造成PCC处电压幅值和频率的变化。由于APS检测法并没有对逆变器输出电流相位和频率变化的最大步长限制，所以在这种瞬态扰动作用下就可能出现误判，从而导致分布式并网逆变器停止工作。因此，如何提高孤岛检测速度以及增强其抗扰能力已经成为制约分布式并网发电系统发展的瓶颈，是分布式并网发电系统目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于相位偏移的自抗扰孤岛检测算法，以保证在二次孤岛发生时快速、有效地检测出孤岛现象，以及防止由于系统瞬态扰动的影响而造成误判等缺陷。

为了完成上述目的，本发明提供了一种基于相位偏移的自抗扰孤岛检测方法：

(1)通过电压采样电路将PCC处电压过零时上升沿或下降沿信号送入数字处理器，并实时计算PCC处电压频率f[k-1]，进而得到自抗扰孤岛检测法中的f^*[k-1]；

(2)判断PCC处电压频率是否超出了阈值设定的范围，若超出了阈值范围，则确定孤岛发生；若PCC处电压频率在阈值设定的范围内，则进一步判断PCC处电压频率是否处于稳定运行点，即本周期获得的PCC处电压频率是否与上个周期的频率相等；若PCC处电压频率不是处于稳定运行点，则返回步骤(1)；若PCC处电压频率处于稳定运行点，则进入步骤(3)；

(3)PCC处电压达到稳定运行点，则通过稳态控制函数θ₀[k]调整逆变器输出电流的相角，从而有效的破坏该稳定运行点；

(4)通过相角控制函数θ[k]确定当前周期逆变器输出电流的相角，从而确定了孤岛发生后PCC处电压频率。

按照步骤(1)所述，f^*[k-1]关于PCC处电压频率f[k-1]的函数表达式为：

$f^{*}[k-1]=\left\{\begin{array}{cc}f[k-1]-\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }& f[k-1]\&le;f_{\mathrm{grid}}-\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }\\ f[k-1]& f_{\mathrm{grid}}-\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }<f[k-1]\&le;f_{\mathrm{grid}}-\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }\\ f[k-1]-\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }& f_{\mathrm{grid}}-\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }<f[k-1]\&le;f_{\mathrm{grid}}\\ f[k-1]+\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }& f_{\mathrm{grid}}<f[k-1]\&le;f_{\mathrm{grid}}+\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }\\ f[k-1]& f_{\mathrm{grid}}+\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }<f[k-1]\&le;f_{\mathrm{grid}}+\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }\\ f[k-1]+\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }& f_{\mathrm{grid}}+\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }<f[k-1]\end{array}\right.$

式中，f[k-1]为第k-1个周期PCC处电压频率；Δf_min和Δf_max分别为频率最小变化量和频率最大变化量；f_grid为电网电压频率。

按照步骤(3)所述，稳态控制函数θ₀[k]用于破坏可能存在的稳定运行点，其表达式为：

θ₀[k]＝θ₀[k-1]+Δθ×sgn(Δf_ss)

式中

Δθ是一常量，为频率变化步长最小Δf_min时对应的相位偏移量；

Δf_ss是稳态频率变化量，为当前稳态运行点频率与上次稳态运行点频率之差；

θ₀[k]＝0， $\&ForAll;k\&le;0;$

$\mathrm{sgn}\left(\mathrm{\&Delta;}{f}_{\mathrm{ss}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{\&Delta;}{f}_{\mathrm{ss}}>0\\ 0& \mathrm{\&Delta;}{f}_{\mathrm{ss}}=0\\ -1& \mathrm{\&Delta;}{f}_{\mathrm{ss}}<0\end{array}\right.$

按照步骤(4)所述，逆变器输出电流的相角控制函数为：

$\mathrm{\&theta;}\left[k\right]=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_{\max }\&CenterDot;\left(\frac{f^{*}[k-1]-f_{\mathrm{grid}}}{\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }}\right)+{\mathrm{\&theta;}}_0\left[k\right]$

式中

α为反馈系数；θ_max为对应频率变化步长最大为Δf_max时的最大偏移相位角。

本发明创新点在于：一方面通过引入参数f^*[k-1]来防止并网运行时由于瞬态扰动的作用使得PCC处电压频率出现突变而造成的误判，保证系统的正常运行；另一方面它能够保证在最恶劣条件下，在重合闸以前快速、准确地检测出孤岛发生并断开开关，从而避免了二次孤岛的发生，大大减小了检测盲区。

附图说明

图1为本发明自抗扰孤岛检测法的算法流程。

图2为本发明自抗扰孤岛检测法阻性负载孤岛发生前后PCC处电压频率的变化。

图3为本发明自抗扰孤岛检测法容性负载孤岛发生前后PCC处电压频率的变化。

图4为本发明自抗扰孤岛检测法感性负载孤岛发生前后PCC处电压频率的变化。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述的自抗扰孤岛检测方法主要是通过对逆变器输出电流的相位进行周期扰动，以使得孤岛发生后PCC处电压频率发生偏移直至确定孤岛发生。

本发明适用于数字控制并网逆变系统，本发明的技术方案是通过构建具有如下形式的逆变器输出电流相角控制函数θ[k]，以实现对逆变器输出电流进行周期性扰动，达到孤岛检测的目的。

$\mathrm{\&theta;}\left[k\right]=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_{\max }\&CenterDot;\left(\frac{f^{*}[k-1]-f_{\mathrm{grid}}}{\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }}\right)+{\mathrm{\&theta;}}_0\left[k\right]$

其中，α为反馈系数；θ_max为对应频率变化步长最大为Δf_max时的最大偏移相位角；f_grid为电网电压频率；f^*[k-1]是关于PCC处电压频率f[k-1]的函数。

f^*[k-1]的控制函数可表示为：

$f^{*}[k-1]=\left\{\begin{array}{cc}f[k-1]-\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }& f[k-1]\&le;f_{\mathrm{grid}}-\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }\\ f[k-1]& f_{\mathrm{grid}}-\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }<f[k-1]\&le;f_{\mathrm{grid}}-\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }\\ f[k-1]-\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }& f_{\mathrm{grid}}-\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }<f[k-1]\&le;f_{\mathrm{grid}}\\ f[k-1]+\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }& f_{\mathrm{grid}}<f[k-1]\&le;f_{\mathrm{grid}}+\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }\\ f[k-1]& f_{\mathrm{grid}}+\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }<f[k-1]\&le;f_{\mathrm{grid}}+\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }\\ f[k-1]+\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }& f_{\mathrm{grid}}+\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }<f[k-1]\end{array}\right.$

式中，f[k-1]为第k-1个周期公共耦合点处电压频率，Δf_min和Δf_max分别为频率最小变化量和频率最大变化量。

根据上述可知，逆变器输出电流相角控制函数由两部分组成：一部分是稳态控制函数θ₀[k]，其主要作用是用来破坏系统可能存在的稳定运行点，保证扰动的有效性；另一部分是逆变器输出电流相角的主体函数

其主要作用一方面是保证二次孤岛发生时有效的检测出孤岛，进一步减小检测盲区；另一方面是防止系统瞬态扰动影响可能造成的误判，保证系统的正常运行。

函数θ[k]中的稳态控制函数θ₀[k]表达式为：

θ₀[k]＝θ₀[k-1]+Δθ×sgn(Δf_ss)

式中

Δθ为一常量，是频率变化步长最小Δf_min时对应的相位偏移量；

Δf_ss为稳态频率变化量，是当前稳态运行点频率与上次稳态运行点频率之差；

θ₀[k]＝0， $\&ForAll;k\&le;0;$

$\mathrm{sgn}\left(\mathrm{\&Delta;}{f}_{\mathrm{ss}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{\&Delta;}{f}_{\mathrm{ss}}>0\\ 0& \mathrm{\&Delta;}{f}_{\mathrm{ss}}=0\\ -1& \mathrm{\&Delta;}{f}_{\mathrm{ss}}<0\end{array}\right.$

另外，逆变器输出电流相角的主体函数

通过引入变量f^*[k-1]来防止并网运行时由于瞬态扰动的影响使得PCC处电压频率出现突变，以及保证孤岛在最恶劣条件下发生时，即孤岛发生时负载谐振频率与PCC处电压频率相等且均为电网电压频率，能够快速有效地检测孤岛。

当PCC处电压频率变化量为最大变化量Δf_max时，逆变器输出电流的相角最大变化量对应为θ_max。此时，由于Δf_max的作用将频率箝制在一定的变化范围之内，从而有效的防止了电网电压瞬态扰动的影响而造成的误判。而由于f^*[k-1]中引入了变量Δf_min，从而有效的避免了孤岛发生的最恶劣条件。

自抗扰孤岛检测法参数选取范围如下：

自抗扰孤岛检测法中涉及如下参数：反馈系数α；频率变化最大步长Δf_max及其对应的最大相角偏移量θ_max；频率变化最小步长Δf_min对应的最小相角偏移量Δθ。

一般工程上参数选取范围具体要求如下

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}\&GreaterEqual;\frac{\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }}{{\mathrm{\&theta;}}_{\max }}\\ \frac{f_{\mathrm{grid}}{Q}_f}{\mathrm{\&pi;}{f}_{\mathrm{grid}}-Q_f}<\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }\&le;\frac{f_{\mathrm{grid}}\&CenterDot;{\cos }^{-1}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{{\cos }^{-1}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)+\mathrm{\&pi;}}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\max }=|\frac{1}{f_{\mathrm{grid}}\&PlusMinus;\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }}-\frac{1}{f_{\mathrm{grid}}}|\&CenterDot;2\mathrm{\&pi;}{f}_{\mathrm{grid}}\\ 0.01\mathrm{Hz}\&le;\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }\&le;\frac{f_{\mathrm{grid}}\&CenterDot;{\cos }^{-1}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{{\cos }^{-1}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)+\mathrm{\&pi;}}\\ \mathrm{\&Delta;\&theta;}=|\frac{1}{f_{\mathrm{grid}}\&PlusMinus;\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }}-\frac{1}{f_{\mathrm{grid}}}|\&CenterDot;2\mathrm{\&pi;}{f}_{\mathrm{grid}}\end{array}\right.$

其中，Q_f为品质因数，一般满足Q_f≤2.5；λ为功率因数，根据GB/T19939-2005规定，λ≥0.9。

下面通过Matlab软件对本发明的孤岛检测法进行仿真验证。具体仿真参数如下：并网逆变系统额定输出功率为1kW；电网电压有效值为220V；电网频率f_grid＝50Hz；自抗扰孤岛检测法的仿真参数分别为α＝10，θ_max＝18°，Δf_max＝3Hz，Δf_min＝0.01Hz和Δθ＝3.6°。频率保护的上限阈值为50.5Hz，下限阈值为49.5Hz。

实施例1

对于并联RLC负载，若其谐振频率f₀等于电网电压频率f_grid，即为阻性负载，则有R＝48.4Ω，L＝6mH，C＝1700μF。此时，自抗扰孤岛检测法在孤岛发生前后PCC处电压频率的变化如附图2所示。可见，即使在最恶劣条件下发生孤岛，自抗扰孤岛检测法也能快速、有效的检测处孤岛。

实施例2

若并联RLC负载在电网电压频率处为感性负载，即f₀＞f_grid，选取负载的参数为：R＝48.4Ω，L＝6mH，C＝1400μF。此时，自抗扰孤岛检测法在孤岛发生前后PCC处电压频率的变化如附图3所示。可见，若负载为感性负载，则孤岛发生时在逆变器输出电流相角控制函数的作用下，PCC处电压频率将向上发生偏移，直至超出阈值设定的范围。

实施例3

若并联RLC负载在电网电压频率处为容性负载，即f₀＜f_grid，选取负载的参数为：R＝48.4Ω，L＝6mH，C＝4700μF。此时自抗扰孤岛检测法在孤岛发生前后PCC处电压频率的变化如附图4所示。可见，若负载为容性负载，则孤岛发生时在逆变器输出电流相角控制函数的作用下，PCC处电压频率将向下发生偏移，直至超出阈值设定的范围。

实施效果：

由以上仿真结果分析可知，一旦孤岛发生后，PCC处电压频率向谐振频率方向发生频移，且本发明所提出的孤岛检测法在孤岛发生后的下一个周期内即可确认孤岛发生。此外即使负载特性发生变化时，也能快速、准确的检测孤岛。因此，现有技术相比，本发明所提出的孤岛检测法不仅防止由瞬态扰动的作用所导致的误判，大大减小了检测盲区，而且它保证在最恶劣条件下孤岛发生时快速、准确的检测出孤岛，避免了二次孤岛的发生，确保系统运行安全。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种基于相位偏移的自抗扰孤岛检测方法，其特征在于：

(1)通过电压采样电路将PCC处电压过零时上升沿或下降沿信号送入数字处理器，并实时计算PCC处电压频率f[k-1]，进而得到自抗扰孤岛检测法中的f^*[k-1]；

(2)判断PCC处电压频率是否超出了阈值设定的范围，若超出了阈值范围，则确定孤岛发生；若PCC处电压频率在阈值设定的范围内，则进一步判断PCC处电压频率是否处于稳定运行点，即本周期获得的PCC处电压频率是否与上个周期的频率相等；若PCC处电压频率不是处于稳定运行点，则返回步骤(1)；若PCC处电压频率处于稳定运行点，则进入步骤(3)；

(3)PCC处电压达到稳定运行点，则通过稳态控制函数θ₀[k]调整逆变器输出电流的相角，从而有效的破坏该稳定运行点；

(4)通过相角控制函数θ[k]确定当前周期逆变器输出电流的相角，从而确定了孤岛发生后PCC处电压频率。

2.根据权利要求1所述的一种基于相位偏移的自抗扰孤岛检测方法，其特征在于：按照步骤(1)所述，f^*[k-1]关于PCC处电压频率f[k-1]的函数表达式为：

$f^{*}[k-1]=\left\{\begin{array}{cc}f[k-1]-\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }& f[k-1]\&le;f_{\mathrm{grid}}-\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }\\ f[k-1]& f_{\mathrm{grid}}-\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }<f[k-1]\&le;f_{\mathrm{grid}}-\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }\\ f[k-1]-\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }& f_{\mathrm{grid}}-\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }<f[k-1]\&le;f_{\mathrm{grid}}\\ f[k-1]+\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }& f_{\mathrm{grid}}<f[k-1]\&le;f_{\mathrm{grid}}+\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }\\ f[k-1]& f_{\mathrm{grid}}+\mathrm{\&Delta;}{f}_{\min }<f[k-1]\&le;f_{\mathrm{grid}}+\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }\\ f[k-1]+\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }& f_{\mathrm{grid}}+\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }<f[k-1]\end{array}\right.$

式中，f[k-1]为第k-1个周期PCC处电压频率；Δf_min和Δf_max分别为频率最小变化量和频率最大变化量；f_grid为电网电压频率。

3.根据权利要求1所述的一种基于相位偏移的自抗扰孤岛检测方法，其特征在于：按照步骤(3)所述，稳态控制函数θ₀[k]用于破坏可能存在的稳定运行点，其表达式为：

θ₀[k]＝θ₀[k-1]+Δθ×sgn(Δf_ss)

式中

Δθ是一常量，为频率变化步长最小Δf_min时对应的相位偏移量；

Δf_ss是稳态频率变化量，为当前稳态运行点频率与上次稳态运行点频率之差；

θ₀[k]＝0， $\&ForAll;k\&le;0;$

$\mathrm{sgn}\left(\mathrm{\&Delta;}{f}_{\mathrm{ss}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{\&Delta;}{f}_{\mathrm{ss}}>0\\ 0& \mathrm{\&Delta;}{f}_{\mathrm{ss}}=0\\ -1& \mathrm{\&Delta;}{f}_{\mathrm{ss}}<0\end{array}\right.$

4.根据权利要求1所述的一种基于相位偏移的自抗扰孤岛检测方法，其特征在于：按照步骤(4)所述，逆变器输出电流的相角控制函数为：

$\mathrm{\&theta;}\left[k\right]=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_{\max }\&CenterDot;\left(\frac{f^{*}[k-1]-f_{\mathrm{grid}}}{\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }}\right)+{\mathrm{\&theta;}}_0\left[k\right]$

式中

α为反馈系数；θ_max为对应频率变化步长最大为Δf_max时的最大偏移相位角。

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