CN104007349A - 基于小波变换的模糊控制孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子运用领域，尤其涉及一种用于分布式发电系统的孤岛检测方法，该方法通过小波变换和模糊控制，解决了传统孤岛检测方法对系统电能质量影响大的问题，判断孤岛效应时，将逆变器输出的电压和电流信号分离，电压分量经dq变换后，进行小波分析，再将信号模糊化控制，提取频率信号，与经dq变换的电流信号叠加后输入到电流控制框，再进行空间矢量调制，给逆变器提供驱动信号，对系统形成闭环反馈控制，当断路器断开时公共耦合点电压发生变化，利用小波检测电压和频率变化，可以快速判断系统的运行状况，从而检测出孤岛效应。

Description

基于小波变换的模糊控制孤岛检测方法

技术领域

本发明属于电力电子运用领域，涉及一种逆变器，尤其涉及一种用于分布式发电系统的基于小波变换的模糊控制孤岛检测方法。

背景技术

随着社会的发展，科技的进步，人类所消耗的资源越来越多，全球能源危机和环境污染问题日益严重。分布式并网发电将太阳能、风能、生物质能等新能源的能量转化为电能，并通过并网逆变器注入电网。在并网运行时，当电网因为某种原因停止向负载供电时，分布式并网发电系统仍继续向电网供电，从而使电网局部负荷仍处于供电状态，从而产生孤岛效应。

孤岛现象会对电气设备和检修人员带来很大的危害，因而针对并网系统，所有并网逆变器必须具有反孤岛功能。为了快速有效的检测出孤岛，许多抗孤岛方法被提出，其中主要分为被动式孤岛检测和主动式孤岛检测。被动式检测主要是利用孤岛形成瞬间分布式能源(DG)输出的各项参数出现瞬间波动，通常是计算总谐波畸变率(THD)或者电压不平衡度(VU)来检测孤岛，对于这种检测方法，当并网逆变器和本地负载之间的功率匹配度较好时，主电网断开后，系统中被测量的电气量在一定时间内变化较小往往不能超出检测阈值，检测存在较大的盲区。

主动式检测方法，由于人为加入一个小的扰动，孤岛状态下，这些扰动会引起电压或频率的不稳定，同时导致逆变器输出电流波形畸变，对系统的电能质量往往产生极大影响，使系统稳定性变差。

发明内容

为了解决现有技术中存在的孤岛检测中系统的电能质量受影响、系统稳定性变差等问题，本发明提出一种基于小波变换的模糊控制孤岛检测方法，本发明检测方法相比于传统主动检测方法，加入了小波分析以及模糊控制策略，对系统电能质量影响较小，具有更加好稳定性。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种基于小波变换的模糊控制孤岛检测方法，主要包括以下步骤：

(1)检测分布式电源的电压、频率和电流，判断是否符合孤岛检测条件，如果是执行步骤(6)，如果否执行步骤(2)；

(2)分布式电源经LC滤波后，对电压、电流信号分别进行dq变换，提取电压分量、电流分量和电压频率分量；

(3)利用锁相环对dq变换后的电压信号进行锁相，用小波变换分析电压信号并计算谐波电压检测量，判断谐波电压检测量是否超出预设值，并提取电压分量和电压频率分量反馈给步骤四中模糊控制环节；

(4)利用模糊规则控制信号，模糊化电压分量和电压频率分量输入值后，将输出值与步骤(2)中经dq变换后的电流分量叠加，输出后经PI调节，dq反变换输入SVPWM，再输入逆变器形成闭环控制；

(5)反馈过程中，检测电压和电压频率，判断是否符合孤岛检测条件；

(6)分布式电源为孤岛状态，检测结束。

进一步地，上述步骤(1)、(5)中的孤岛检测符合条件为电压频率f<f_min(49.5Hz)或者f>f_max(50.5Hz)。

进一步地，上述步骤(2)中对电压、电流信号分别进行dq变换,先将其变换到旋转坐标系下，通过以下公式(1)实现：

$\left[\begin{array}{c}{x}_d\\ x_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&theta;}& \cos (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})& \cos (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\\ -\sin \mathrm{\&theta;}& -\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})& -\sin (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\end{array}\right]$    公式(1)

式中x表示相应的电压、电流分量，三相电路各相电压和电流瞬时值分别用e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c表示，再通过公式(2)进一步变换，得到dq模型

三相并网逆变器的dq模型为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& \mathrm{\&omega;}\\ -\mathrm{\&omega;}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\frac{1}{L}\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]-\frac{1}{L}\left[\begin{array}{c}{e}_d\\ e_q\end{array}\right]$    公式(2)

式中e_d、e_q为电网电动势E_dq的d、q分量；v_d、v_q为交流侧电压矢量V_dq的d、q分量；i_d、i_q为交流侧电压矢量I_dq的d、q分量。

进一步地，上述步骤(3)中的小波变换分析过程包括以下步骤：

a、提取电源信号的电压分量和电压频率分量；

b、利用小波函数计算系统中谐波电压值，与设定值进行比较，判断是否大于设定值，如果是则继续检测0.05秒，如果否则返回开始处；

c、监测谐波电压值0.05秒，并继续与设定值比较，如果大于设定值，则检测电压频率是否大于50.5Hz或小于49.5Hz，如果是则返回监测点，如果否就继续监测0.02秒后返回开始处。上述设定值为10V-30V。

其中，上述提取谐波电压值的小波函数为：

式中s为尺度参数，u为平移参数。

进一步地，上述步骤(3)中，输入值电压频率分量设定为f(Hz)＝{Small,Medium,High}，电压分量设定为V(V)＝{Low,Medium,High}，输出值为Threshold＝{Low,Medium,High}，输入、输出都采用三角形隶属度函数，将输入量进行量化，并且把对应的模糊子集分档，采用T-S模型作为模糊规则。

当分布式电源并网运行时，采用三相电网电压进行锁相，检测电网电压的相位角，然后将检测到的相位与参考电流的幅值结合组成参考电流，保证了逆变器的输出电流与电网电压同频同相，有利于系统的稳定运行，孤岛发生时，锁相环使公共耦合点电压不发生突变，而电流则发生变化。本发明采用小波函数计算谐波电压值，并判断其是否产生突变，若突变则进一步检测电压频率信号，小波变换适用于孤岛检测这种产生瞬态突变信号的场合，对于信号频率的捕捉，准确快速，有利于加快系统孤岛检测速度。同时，引入模糊控制方法，能够对参数进行在线调整，能够缩短系统反应时间，更快的检测出孤岛效应。

通过仿真发现：电网因故障断开时，小波分析和模糊控制的运用，使频率快速变化，孤岛被迅速检测出来，并且仿真结果显示，并网电流THD为1.03％，对电网电能质量影响小。

附图说明

图1本发明中孤岛检测方法流程图；

图2本发明提出的孤岛检测单线图；

图3本发明提出的基于小波变换的模糊控制孤岛检测原理图；

图4本发明提出的频率正反馈原理图；

图5本发明提出的小波变换流程图；

图6本发明提出的模糊控制的隶属函数图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

为了解决传统孤岛检测方法对系统电能质量影响大，稳定性不好的问题，本发明提出了一种基于小波变换的模糊控制孤岛检测，如图1流程图所示，本发明包括：

(1)检测分布式电源的电压、频率和电流，判断是否符合孤岛检测条件，如果是执行步骤(6)，如果否执行步骤(2)；

(2)分布式电源经LC滤波后，对电压、电流信号分别进行dq变换，提取电压分量、电流分量和电压频率分量；

(3)利用锁相环对dq变换后的电压信号进行锁相，用小波变换分析电压信号并计算谐波电压检测量，判断谐波电压检测量是否超出预设值，并提取电压分量和电压频率分量反馈给步骤四中模糊控制环节；

(4)利用模糊规则控制信号，模糊化电压分量和电压频率分量输入值后，将输出值与步骤(2)中经dq变换后的电流分量叠加，输出后经PI调节，dq反变换输入SVPWM，再输入逆变器形成闭环控制；

(5)反馈过程中，检测电压和电压频率，判断是否符合孤岛检测条件；

(6)分布式电源为孤岛状态，检测结束。

上述步骤(1)、(5)中的孤岛检测符合条件为电压频率f<f_min(49.5Hz)或者f>f_max(50.5Hz)。

上述步骤(2)的计算过程包括：对电压、电流信号分别进行dq变换,先将其变换到旋转坐标系下，通过以下公式(1)实现：

$\left[\begin{array}{c}{x}_d\\ x_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&theta;}& \cos (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})& \cos (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\\ -\sin \mathrm{\&theta;}& -\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})& -\sin (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\end{array}\right]$    公式(1)

式中x表示相应的电压、电流分量，三相电路各相电压和电流瞬时值分别用e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c表示，再通过公式(2)进一步变换，得到dq模型

三相并网逆变器的dq模型为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& \mathrm{\&omega;}\\ -\mathrm{\&omega;}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\frac{1}{L}\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]-\frac{1}{L}\left[\begin{array}{c}{e}_d\\ e_q\end{array}\right]$    公式(2)

式中e_d、e_q为电网电动势E_dq的d、q分量；v_d、v_q为交流侧电压矢量V_dq的d、q分量；

i_d、i_q为交流侧电压矢量I_dq的d、q分量。

如图2所示孤岛检测单线图，分布式电源逆变，经LC滤波，通过断路器与公共电网相连，滤波后，电压和电流畸变小。

假定负载为RLC负载，其有功、无功、电压和频率的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{load}}=v^2/R\\ Q_{\mathrm{load}}=v^2(\mathrm{\&omega;C}-1/\mathrm{\&omega;L})\end{array}\right.$

式中：ω＝2πf，ω、f分别为孤岛系统内电压的角频率和频率；P、Q分别为负载输出的有功功率和无功功率；R、L和C表示由孤岛系统内负荷所等效的电阻、电感和电容。

如图3所示为基于小波变换的模糊控制孤岛检测原理图，在步骤(2)中逆变器输出有功正比于输出电流的d轴分量，输出无功正比于输出电流的q轴分量。因此，逆变器输出有功和无功可以通过控制输出电流的d轴和q轴的分量来实现。其中，电流q轴分量的大小的变化会引起电压电流输出向量角的变化，从而导致输出频率变化。

如图4所示为频率正反馈原理图，当检测计算出并网逆变器输出电压频率增加时，因为正反馈，逆变器输出的q轴的电流i_q增加，从而逆变器的输出无功Q与输出电压频率增加。当电压频率小于f_min或者大于f_max时，孤岛效应则被检测出来。同理，当频率减少时，改变往相反方向进行，孤岛效应同样也可以被检测出。

如如图5所示为本发明的小波变换流程图，首先提取电源信号的电压分量和电压频率分量；然后利用小波函数计算系统中谐波电压值，与设定值(10V-30V)进行比较，判断是否大于设定值，如果是则继续检测0.05秒，如果否则返回开始处。继续监测谐波电压值0.05秒，并继续与设定值比较，如果大于设定值，则检测电压频率是否大于50.5Hz或小于49.5Hz，如果是则返回监测点，如果否就继续监测0.02秒后返回开始处。

其中，上述提取谐波电压值的小波函数为：

式中s为尺度参数，u为平移参数。

此函数确保了小波分析的多尺度缩放。在加窗傅立叶变换中，时频分析尺寸固定，但是在小波变换中，时频分析面积固定，其高度和宽度成反比。选取此小波函数，可以检测dq变换后信号是否有突变。本发明选取的离散小波变换是连续小波变换的离散化，对原始信号进行频率分析。先将频率分解为低频和高频部分，而低频部分又再次分解为低频和高频部分，重复进行，通过该二进离散小波变换将频率轴划分为邻接的频带，实现信号的无重叠全频分解。

如图6所示为本发明模糊控制的隶属函数图，在模糊控制环节中，输入值电压频率分量设定为f(Hz)＝{Small,Medium,High}，电压值设定为V(V)＝{Low,Medium,High}，输出值为Threshold＝{Low,Medium,High}，输入、输出都采用三角形隶属度函数，可以简化计算过程，并且方便实际应用。将输入量进行量化，并且把对应的模糊子集分档，采用T-S模型作为模糊规则，即“ifEandECthenU”的形式。

If V is Low and

fis Small and

Then ThresholdisLow

If Vis Medium and

fis High and

Then Threshold is High

经计算，得到输出模拟量的模糊集合。运用模糊集合将输入量模糊化，得到输出量，通过模糊控制对系统电流更好的控制。

Claims (7)

1.一种基于小波变换的模糊控制孤岛检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)检测分布式电源的电压、频率和电流，判断是否符合孤岛检测条件，如果是执行步骤(6)，如果否执行步骤(2)；

(2)分布式电源经LC滤波后，对电压、电流信号分别进行dq变换，提取电压分量、电流分量和电压频率分量；

(3)利用锁相环对dq变换后的电压信号进行锁相，用小波变换分析电压信号并计算谐波电压检测量，判断谐波电压检测量是否超出预设值，并提取电压分量和电压频率分量反馈给步骤四中模糊控制环节；

(4)利用模糊规则控制信号，模糊化电压分量和电压频率分量输入值后，将输出值与步骤(2)中经dq变换后的电流分量叠加，输出后经PI调节，dq反变换输入SVPWM，再输入逆变器形成闭环控制；

(5)反馈过程中，检测电压和电压频率，判断是否符合孤岛检测条件；

(6)分布式电源为孤岛状态，检测结束。

2.如权利要求1所述的基于小波变换的模糊控制孤岛检测方法，其特征在于，所述步骤(1)、(5)中的孤岛检测符合条件为电压频率f<f_min(49.5Hz)或者f>f_max(50.5Hz)。

3.如权利要求1所述的基于小波变换的模糊控制孤岛检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中对电压、电流信号分别进行dq变换,先将其变换到旋转坐标系下，通过以下公式(1)实现：

$\left[\begin{array}{c}{x}_d\\ x_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&theta;}& \cos (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})& \cos (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\\ -\sin \mathrm{\&theta;}& -\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})& -\sin (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\end{array}\right]$    公式(1)

式中x表示相应的电压、电流分量，三相电路各相电压和电流瞬时值分别用e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c表示，再通过公式(2)进一步变换，得到dq模型

三相并网逆变器的dq模型为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& \mathrm{\&omega;}\\ -\mathrm{\&omega;}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\frac{1}{L}\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]-\frac{1}{L}\left[\begin{array}{c}{e}_d\\ e_q\end{array}\right]$    公式(2)

式中e_d、e_q为电网电动势E_dq的d、q分量；v_d、v_q为交流侧电压矢量V_dq的d、q分量；i_d、i_q为交流侧电压矢量I_dq的d、q分量。

4.如权利要求1所述的基于小波变换的模糊控制孤岛检测方法，其特征：所述步骤(3)中的小波变换分析过程包括以下步骤：

a、提取电源信号的电压分量和电压频率分量；

b、利用小波函数计算系统中谐波电压值，与设定值进行比较，判断是否大于设定值，如果是则继续检测0.05秒，如果否则返回开始处；

c、监测谐波电压值0.05秒，并继续与设定值比较，如果大于设定值，则检测电压频率是否大于50.5Hz或小于49.5Hz，如果是则返回监测点，如果否就继续监测0.02秒后返回开始处。

5.如权利要求4所述的基于小波变换的模糊控制孤岛检测方法，其特征：所述提取谐波电压值的小波函数为：

式中s为尺度参数，u为平移参数。

6.如权利要求4所述的基于小波变换的模糊控制孤岛检测方法，其特征：所述设定值为10V-30V。

7.如权利要求1所述的基于小波变换的模糊控制孤岛检测方法，其特征：所述步骤(3)中，输入值电压频率分量设定为f(Hz)＝{Small,Medium,High}，电压分量设定为V(V)＝{Low,Medium,High}，输出值为Threshold＝{Low,Medium,High}，输入、输出都采用三角形隶属度函数，将输入量进行量化，并且把对应的模糊子集分档，采用T-S模型作为模糊规则。