CN102290802A - 基于同步旋转坐标系下的主动频率偏移孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

基于同步旋转坐标系下的主动频率偏移孤岛检测方法，涉及一种主动频率偏移孤岛检测方法。本发明能够应对分布式电源在中低压配电网中的接入需求。本发明提出的基于同步旋转坐标系下的主动频率偏移孤岛检测算法与被动式孤岛检测算法相比较，当负载功率与逆变器输出功率相匹配时，不存在检测盲区，与传统的主动频率偏移算法相比较，其畸变位置不是发生在电流过零处，有功电流不会发生波动，从而直流母线电压不会因此而波动。本发明适用于孤岛检测。

Description

基于同步旋转坐标系下的主动频率偏移孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及一种主动频率偏移孤岛检测方法。

背景技术

由于光伏并网发电系统与电网直接相连，因此需要考虑电网故障情况下系统的保护措施，当电网断开后，光伏发电系统作为孤立电源继续向本地负载继续供电，这就形成了“孤岛效应”。孤岛效应对于电气负载以及电网维护人员都可能造成巨大损害，因此相应国际标准中都明确提出光伏并网逆变器必须具有符合其标准的反孤岛功能，也即在孤岛现象发生后，在规定的时间内光伏系统能够检测出孤岛现象的发生并及时停止发电，消除孤岛现象。

孤岛检测方法一般分为两大类：远程检测和本地检测。本地检测又可以分为两类：被动式孤岛检测算法和主动式孤岛检测算法。

被动式孤岛检测算法比较有代表性的是以下两种方法，一是电压谐波检测法，该方法通过检测电网接入点电压的总谐波畸变率来判断孤岛现象的发生。其优点在于当并网逆变器与本地负载功率匹配时不存在检测盲区，然而实际系统中的非线性因素可能导致在电网正常情况下接入点电压总谐波畸变率高于现行标准，这样就可能因为检测阈值过小而在电网正常的情况下出现误判断。二是过欠压、过欠频检测法，该方法通过检测接入点电压幅值、频率是否出现异常来判断孤岛是否形成，该方法比较实用，但当并网逆变器与本地负载功率匹配时存在检测盲区。

主动式检测法中比较具有代表性的有扰动注入法和正反馈频率偏移法。扰动注入法通过周期性向输出电流中加入特定的扰动信号，同时通过检测接入点电压是否出现相应扰动来判断孤岛的存在。与电压谐波检测法相比，这种方法稳定性和准确性较高。然而当多台并联的逆变器同时进行谐波注入时会产生相互干扰，同时谐波的注入也必将影响逆变器输出电流的总谐波畸变率。正反馈频率偏移法通过控制逆变器输出电流的相位、频率等持续发生变化，从而导致接入点电压相位、频率跟随发生变化，电压的变化将进一步体现在电流控制中，这样就会形成一种正反馈过程，最终接入点电压的频率超出正常的工作阈值而检测出孤岛的存在。传统的频率偏移法在引入相角(频率)非线性变化的同时，在实际的有功、无功电流中也引入了非线性的畸变，而有功电流波动又会引起直流母线电压的波动。

发明内容

本发明为了应对分布式电源在中低压配电网中的接入需求，从而提供一种基于同步旋转坐标系下的主动频率偏移孤岛检测方法。

基于同步旋转坐标系下的主动频率偏移孤岛检测方法，它由以下步骤实现：

步骤一、利用三相锁相环对交流电网电压进行锁相，获得交流电网电压在同步旋转坐标系下的矢量角度θ；

步骤二、根据步骤一获得的交流电网电压的矢量角度θ确定电流矢量角度θ_i；

步骤三、根据步骤一获得的交流电网电压的矢量角度θ和步骤二获得的电流矢量角度θ_i以及有功电流的给定值i_{d_ref}确定无功电流的给定值i_{q_ref}，并采用电流控制器获得控制电压；

步骤四、采集光伏逆变器输出电压的频率和幅值，判断是否发生孤岛效应，将判断结果作为检测结果输出，实现基于同步旋转坐标系下的主动频率偏移孤岛检测。

步骤一中获得交流电网电压在同步旋转坐标系下的矢量角度θ的过程具体为：

通过三相锁相环对交流电压进行锁相，得到的相角即为当前时刻电网电压矢量与αβ坐标系下中α轴夹角θ，由于电网电压矢量定向，该角度θ也即dq旋转坐标系中d轴与α轴夹角；

步骤二中获得电流矢量角度θ_i的过程为：

dq旋转坐标系下电量的频率体现为矢量的矢量角的变化率，具体的电压、电流角频率分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_i=d{\mathrm{\θ}}_i/\mathrm{dt}\\ \mathrm{\ω}=\mathrm{d\θ}/\mathrm{dt}\end{array}\right.$

电流、电压的频率差为：

Δω＝ω_i-ω

设加入的频率偏移量与电压频率的比值为D，则电流频率加大为电压频率的(1+D)倍，

$D=\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{\mathrm{\ω}}$

整理后，获得加入频率偏移后电流、电压矢量角关系：

θ_i＝(1+D)·θ，θ∈(0，π]

采用主动频率偏移法，通过控制电流矢量角θ_i来控制电流矢量的旋转角速度，对各相相电流的频率进行提升，取θ_i的值为：

${\mathrm{\θ}}_i=\left\{\begin{array}{cc}(1+D)\·\mathrm{\θ}+D\·\mathrm{\π}& \mathrm{\θ}\∈(-\mathrm{\π},\mathrm{\π}/(1+D)-\mathrm{\π}]\\ 0& \mathrm{\θ}\∈(\mathrm{\π}/(1+D)-\mathrm{\π},0]\\ (1+D)\·\mathrm{\θ}& \mathrm{\θ}\∈(0,\mathrm{\π}/(1+D)]\\ \mathrm{\π}& \mathrm{\θ}\∈(\mathrm{\π}/(1+D),\mathrm{\π}]\end{array}\right..$

步骤三中，获得无功电流的给定值i_{q_ref}的过程为：

对电压和电流矢量角的关系作进一步的整理，得：

$\tan \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)=\tan ({\mathrm{\θ}}_i-\mathrm{\θ})=\frac{i_q}{i_d}$

根据上式，对无功电流给定值进行控制，具体取值为：

$i_{q\_\mathrm{ref}}=\left\{\begin{array}{cc}{i}_{d\_\mathrm{ref}}\·\tan (D\·(\mathrm{\π}+\mathrm{\θ}))& \mathrm{\θ}\∈(-\mathrm{\π},\mathrm{\π}/(1+D)-\mathrm{\π}]\\ i_{d\_\mathrm{ref}}\·\tan (-\mathrm{\θ})& \mathrm{\θ}\∈(\mathrm{\π}/(1+D)-\mathrm{\π},0]\\ i_{d\_\mathrm{ref}}\·\tan (D\·\mathrm{\θ})& \mathrm{\θ}\∈(0,\mathrm{\π}/(1+D)]\\ i_{d\_\mathrm{ref}}\·\tan (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})& \mathrm{\θ}\∈(\mathrm{\π}/(1+D),\mathrm{\π}]\end{array}\right..$

有益效果：本发明提出的基于同步旋转坐标系下的主动频率偏移孤岛检测算法与被动式孤岛检测算法相比较，当负载功率与逆变器输出功率相匹配时，不存在检测盲区，与传统的主动频率偏移算法相比较，其畸变位置不是发生在电流过零处，有功电流不会发生波动，从而直流母线电压不会因此而波动，能够满足分布式电源在中低压配电网中的接入需求。

附图说明

图1是三相并网逆变器进行孤岛检测时的主电路图；图2为三相并网逆变器的控制框图；图3为同步旋转坐标系原理图；图4为本发明中主动频率偏移法的控制框图；图5为本发明中主动频率偏移法电压电流波形示意图，其中标记51为电流波形曲线，标记52为电压波形曲线；图6为本发明中主动频率偏移法的接入点电压锁相环输出电压幅值和频率仿真示意图；图7为本发明中主动频率偏移法的接入点电压波形仿真示意图；图8为本发明中主动频率偏移法的电网电流波形仿真示意图；图9为本发明中主动频率偏移法的逆变器电流波形仿真示意图；图10为本发明中主动频率偏移法的负载电流波形仿真示意图。

具体实施方式

结合图1说明本发明的具体实施方式，基于同步旋转坐标系下的主动频率偏移孤岛检测方法，它由以下步骤实现：

步骤一、利用三相锁相环对交流电网电压进行锁相，获得交流电网电压在同步旋转坐标系下的矢量角度θ；

步骤二、根据步骤一获得的交流电网电压的矢量角度θ确定电流矢量角度θ_i；

步骤三、根据步骤一获得的交流电网电压的矢量角度θ和步骤二获得的电流矢量角度θ_i以及有功电流的给定值i_{d_ref}确定无功电流的给定值i_{q_ref}，并采用电流控制器获得控制电压；

步骤四、采集光伏逆变器输出电压的频率和幅值，判断是否发生孤岛效应，将判断结果作为检测结果输出，实现基于同步旋转坐标系下的主动频率偏移孤岛检测。

本发明的检测过程具体为：

图1为三相并网逆变器进行孤岛检测时的主电路图，其中三相开关S1、S2分别为逆变器的网侧分离开关和负载分离开关，其中三相负载应为可变RLC负载，谐振频率应为电网频率。

图2三相并网逆变器的控制框图，本发明的控制系统采用了电网电压定向的矢量控制的方法，在控制系统中体现出来的过程量均为两相旋转坐标系下的电压、电流标量。图3给出了同步旋转坐标系原理图。

在本发明的控制系统中首先通过三相锁相环对交流电压进行锁相，锁相得到的相角即为当前时刻电网电压矢量与α轴夹角θ，由于采用电网电压矢量定向，该角度θ也即dq旋转坐标系中d轴与α轴夹角。

dq坐标系下电量的频率体现为矢量的矢量角的变化率，具体的电压、电流角频率分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_i=d{\mathrm{\θ}}_i/\mathrm{dt}\\ \mathrm{\ω}=\mathrm{d\θ}/\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(1\right)$

为了在dq坐标系下实现对三相电流频率的提升，记电流、电压的频率差为：

Δω＝ω_i-ω                 (2)

记加入的频率偏移量与电压频率的比值为D，这样相当于将电流频率加大为电压频率的(1+D)倍，

$D=\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{\mathrm{\ω}}---\left(3\right)$

综合公式(1)、(2)、(3)，得到加入频率偏移后电流、电压矢量角关系如下：

θ_i＝(1+D)·θ，θ∈(0，π]      (4)

参考传统的主动频率偏移法，可以通过控制电流矢量角θ_i来控制电流矢量的旋转角速度，从而控制各相相电流的频率，达到频率提升的目的，具体的，取θ_i：

${\mathrm{\θ}}_i=\left\{\begin{array}{cc}(1+D)\·\mathrm{\θ}+D\·\mathrm{\π}& \mathrm{\θ}\∈(-\mathrm{\π},\mathrm{\π}/(1+D)-\mathrm{\π}]\\ 0& \mathrm{\θ}\∈(\mathrm{\π}/(1+D)-\mathrm{\π},0]\\ (1+D)\·\mathrm{\θ}& \mathrm{\θ}\∈(0,\mathrm{\π}/(1+D)]\\ \mathrm{\π}& \mathrm{\θ}\∈(\mathrm{\π}/(1+D),\mathrm{\π}]\end{array}\right.---\left(5\right)$

为了不会对有功电流引入扰动而引起直流母线波动，对电压和电流矢量角的关系作进一步的分析，由图3可知：

$\tan \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)=\tan ({\mathrm{\θ}}_i-\mathrm{\θ})=\frac{i_q}{i_d}---\left(6\right)$

由公式六可知，可以通过控制无功电流给定值，使得电流矢量角与电压矢量角之间存在一定的差值，从而控制电流频率，具体的取：

$i_{q\_\mathrm{ref}}=\left\{\begin{array}{cc}{i}_{d\_\mathrm{ref}}\·\tan (D\·(\mathrm{\π}+\mathrm{\θ}))& \mathrm{\θ}\∈(-\mathrm{\π},\mathrm{\π}/(1+D)-\mathrm{\π}]\\ i_{d\_\mathrm{ref}}\·\tan (-\mathrm{\θ})& \mathrm{\θ}\∈(\mathrm{\π}/(1+D)-\mathrm{\π},0]\\ i_{d\_\mathrm{ref}}\·\tan (D\·\mathrm{\θ})& \mathrm{\θ}\∈(0,\mathrm{\π}/(1+D)]\\ i_{d\_\mathrm{ref}}\·\tan (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})& \mathrm{\θ}\∈(\mathrm{\π}/(1+D),\mathrm{\π}]\end{array}\right.---\left(7\right)$

图4给出了本发明中主动频率偏移算法实现框图。

为了验证该主动频率偏移算法的有效性，采用Simulink软件对该算法进行了仿真。图5为逆变器A相电压、电流波形(其中畸变因数D＝0.05)，由图5看出，该算法成功在单相电流中加入频率畸变，与传统单相主动频率偏移算法比较，其畸变产生位置有所不同，该主动频率偏移算法的畸变并不影响相电流过零点处波形。

具体的仿真条件为：三相负载：R＝3.2Ω，L＝10.2mH，C＝940μF；逆变器直流母线电压V_dc＝650V，交流线电压U_l＝380V，交流输出功率P＝15kW。0.3s之前逆变器不工作，负载功率由电网提供，0.3s逆变器工作，由于此时逆变器输出功率与负载匹配，由电网电流波形可以看出此时电网提供有功、无功功率可近似为零，网侧并网开关0.4s断开，系统处于孤岛运行。

图6至图10为主动频率偏移法进行孤岛检测的结果，其中图6为接入点电压锁相环输出电压幅值和频率；图7为接入点电压波形；图8为电网电流波形；图9为逆变器电流波形；图10为负载电流波形。为了突出算法有效性，取上文中提出的频率提升因子D＝0.1。由图6中的锁相环输出可以看到，当孤岛形成后由于频率正反馈的作用接入点电压频率升高，在0.45s左右超出正常频率范围(49.5Hz，50.5Hz)，此时逆变器停止工作，系统反孤岛功能得以实现。

Claims (4)

1.基于同步旋转坐标系下的主动频率偏移孤岛检测方法，其特征是：它由以下步骤实现：

步骤一、利用三相锁相环对交流电网电压进行锁相，获得交流电网电压在同步旋转坐标系下的矢量角度θ；

步骤二、根据步骤一获得的交流电网电压的矢量角度θ确定电流矢量角度θ_i；

步骤三、根据步骤一获得的交流电网电压的矢量角度θ和步骤二获得的电流矢量角度θ_i以及有功电流的给定值i_{d_ref}确定无功电流的给定值i_{q_ref}，并采用电流控制器获得控制电压；

步骤四、采集光伏逆变器输出电压的频率和幅值，判断是否发生孤岛效应，将判断结果作为检测结果输出，实现基于同步旋转坐标系下的主动频率偏移孤岛检测。

2.根据权利要求1所述的基于同步旋转坐标系下的主动频率偏移孤岛检测方法，其特征在于步骤一中获得交流电网电压在同步旋转坐标系下的矢量角度θ的过程具体为：

通过三相锁相环对交流电压进行锁相，得到的相角即为当前时刻电网电压矢量与αβ坐标系下中α轴夹角θ，由于电网电压矢量定向，该角度θ也即dq旋转坐标系中d轴与α轴夹角。

3.根据权利要求1所述的基于同步旋转坐标系下的主动频率偏移孤岛检测方法，其特征在于步骤二中获得电流矢量角度θ_i的过程为：

dq旋转坐标系下电量的频率体现为矢量的矢量角的变化率，具体的电压、电流角频率分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_i=d{\mathrm{\θ}}_i/\mathrm{dt}\\ \mathrm{\ω}=\mathrm{d\θ}/\mathrm{dt}\end{array}\right.$

电流、电压的频率差为：

Δω＝ω_i-ω

设加入的频率偏移量与电压频率的比值为D，则电流频率加大为电压频率的(1+D)倍，

$D=\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{\mathrm{\ω}}$

整理后，获得加入频率偏移后电流、电压矢量角关系：

θ_i＝(1+D)·θ，θ∈(0，π]

采用主动频率偏移法，通过控制电流矢量角θ_i来控制电流矢量的旋转角速度，对各相相电流的频率进行提升，取θ_i的值为：

${\mathrm{\θ}}_i=\left\{\begin{array}{cc}(1+D)\·\mathrm{\θ}+D\·\mathrm{\π}& \mathrm{\θ}\∈(-\mathrm{\π},\mathrm{\π}/(1+D)-\mathrm{\π}]\\ 0& \mathrm{\θ}\∈(\mathrm{\π}/(1+D)-\mathrm{\π},0]\\ (1+D)\·\mathrm{\θ}& \mathrm{\θ}\∈(0,\mathrm{\π}/(1+D)]\\ \mathrm{\π}& \mathrm{\θ}\∈(\mathrm{\π}/(1+D),\mathrm{\π}]\end{array}\right..$

4.根据权利要求1所述的基于同步旋转坐标系下的主动频率偏移孤岛检测方法，其特征在于步骤三中，获得无功电流的给定值i_{q_ref}的过程为：

对电压和电流矢量角的关系作进一步的整理，得：

$\tan \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)=\tan ({\mathrm{\θ}}_i-\mathrm{\θ})=\frac{i_q}{i_d}$

根据上式，对无功电流给定值进行控制，具体取值为：

$i_{q\_\mathrm{ref}}=\left\{\begin{array}{cc}{i}_{d\_\mathrm{ref}}\·\tan (D\·(\mathrm{\π}+\mathrm{\θ}))& \mathrm{\θ}\∈(-\mathrm{\π},\mathrm{\π}/(1+D)-\mathrm{\π}]\\ i_{d\_\mathrm{ref}}\·\tan (-\mathrm{\θ})& \mathrm{\θ}\∈(\mathrm{\π}/(1+D)-\mathrm{\π},0]\\ i_{d\_\mathrm{ref}}\·\tan (D\·\mathrm{\θ})& \mathrm{\θ}\∈(0,\mathrm{\π}/(1+D)]\\ i_{d\_\mathrm{ref}}\·\tan (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})& \mathrm{\θ}\∈(\mathrm{\π}/(1+D),\mathrm{\π}]\end{array}\right..$

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