CN105262137B - 带电压频率绝对值正反馈的主动频率偏移防孤岛控制算法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带电压频率绝对值正反馈的主动频率偏移防孤岛控制算法及系统，其中方法包括如下步骤：S1：检测公共耦合点电压频率f和公共耦合点电流的幅值I，计算出逆变器输出电流i(ωt)；S2：判断公共耦合点电压频率f大于最大频率fmax或者小于最小频率fmin是否成立，若成立执行步骤S5，不成立则执行步骤S3；S3：每周期采用步骤S1所计算的逆变器输出电流i(ωt)给逆变器并网输出电流添加扰动，并检测添加扰动后的公共耦合点电压频率f′；S4：判断f′是否大于最大频率fmax，如果是则进入步骤S5，否则返回步骤S1；S5：采取防孤岛动作。本方法克服了主动频移法(AFD)检测盲区和总谐波系数THD较大的问题，并能很迅速的检测出孤岛现象。
Description
技术领域
本发明属于分布式并网发电防孤岛保护领域，特别涉及一种带电压频率绝对值正反馈的主动频率偏移防孤岛控制算法及系统。
背景技术
孤岛现象是指当电网失压时，光伏系统仍保持对失压电网中的某一部分线路继续供电的状态，从而形成了一个不可控的供电网络。具体的讲，就是当电力公司的供电因故障或停电检修而跳闸时(例如大电网停电)，分布式并网发电系统未能及时检测出停电状态而将自身切离供电网络，形成由并网发电系统和当地负载组成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。
一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响，包括：
1)危害电力维修人员的生命安全；
2)影响配电系统上的保护开关动作程序；
3)孤岛区域所发生的供电电压与频率的不稳定性质会对用电设备带来破坏；
4)当供电恢复时造成的电压相位不同步将会产生浪涌电流，可能会引起再次跳闸或对光伏系统、负载和供电系统带来损坏。
由此可见，作为一个安全可靠的光伏逆变系统，必须能及时检测出孤岛效应并避免所带来的危害。
主动频率偏移法(Active Frequency Drift,AFD)是较为常用的主动式孤岛检测方法，其基本原理是检测公共耦合点(Point of Common Coupling,PPC)处电压的频率，并加入固定的扰动，使之比上一周期PCC点出电压的频率略高(或略低)，再作为逆变器输出电流的参考频率。若逆变器输出电流半波已到达零点而电压未到达，则强制电流给定为零，直到电压过零则再次触发下一个半波。图1是AFD法的工作原理，图中UPCC为公共耦合点电压，i为加入主动频移法扰动后的逆变器输出电流。定义截断系数cf：电流过零点超前(或滞后)公共点电压过零点的时间间隔tz与公共点电压周期TV一半的比值，即：逆变器输出电流的频率为f＝fg+Δf，其中Δf＝cf·fg；电网正常运行时，PPC点电压受电网电压的钳制，频率保持不变；电网失压后，逆变器输出电流的频率将根据上个周期内测得的公共耦合点PCC的电流频率来改变，即：finv(k+1)＝finv(k)+Δf，因此PCC点的电压频率受电流频率的影响发生偏离，频率偏移到一定的阈值后就可以判断出孤岛现象。国家标准要求光伏并网逆变器输出电流的总谐波系数THD不得大于5％，因此根据文献的介绍，截断系数的最大取值为cf＝0.05，过大的截断系数会导致THD过大而影响电能质量，但过小的截断系数会使防孤岛现象很难被检测出，因此有较大的检测盲区。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题和难点，本发明提出了一种带电压频率绝对值正反馈的主动频率偏移防孤岛控制算法。
本发明实施例带电压频率绝对值正反馈的主动频率偏移防孤岛控制算法，包括如下步骤：
S1:检测公共耦合点电压频率f和公共耦合点电流的幅值I，计算出逆变器输出电流i(ωt)；
S2:判断公共耦合点电压频率f大于最大频率fmax或者小于最小频率fmin是否成立，若成立执行步骤S5，不成立则执行步骤S3；
S3:每周期采用步骤S1所计算的逆变器输出电流i(ωt)给逆变器并网输出电流添加扰动，并检测添加扰动后的公共耦合点电压频率f′；
S4:判断f′是否大于最大频率fmax，如果是则进入步骤S5，否则返回步骤S1；
S5:采取防孤岛动作。
本发明所述的带电压频率绝对值正反馈的主动频率偏移防孤岛控制算法中，步骤S2中所述最小频率fmin设定为49.5Hz，所述最大频率fmax设定为50.5Hz。
本发明所述的带电压频率绝对值正反馈的主动频率偏移防孤岛控制算法中，步骤S1中逆变器输出电流i(ωt)以如下公式表述：
其中，I为公共耦合点电流的幅值，f为公共耦合点电压频率，fg为并网电压频率，k和x分别为待定系数，其中x≥1；
-0.1＜k＜0.1，k≠0。
本发明还提供了一种带电压频率绝对值正反馈的主动频率偏移防孤岛控制系统，包括：
电压频率检测模块，用于检测公共耦合点电压频率f；
电流检测模块，用于检测公共耦合点电流的幅值I；
计算模块，用于根据检测的公共耦合点电压频率f和公共耦合点电流的幅值I计算出逆变器输出电流i(ωt)；
第一判断模块，用于判断公共耦合点电压频率f大于最大频率fmax或者小于最小频率fmin是否成立，若成立则采取防孤岛动作，不成立则启动添加扰动模块；
添加扰动模块，用于每周期采用计算的逆变器输出电流i(ωt)给逆变器并网输出电流添加扰动，并检测添加扰动后的公共耦合点电压频率f′；
第二判断模块，用于判断公共耦合点电压频率f′是否大于最大频率fmax，如果是则采取防孤岛动作，否则重新通过计算模块计算逆变器输出电流i(ωt)；
防孤岛动作模块，用于执行防孤岛动作。
本发明的有益效果：本发明以带电压频率正反馈的主动频移法为基础，减小了主动频移法导致的较大的THD，保证了电能质量；在电压频率正反馈中加入绝对值能控制频率扰动向着固定的方向，克服了主动频移法THD较大、检测盲区较大的问题，也克服了带电压频率正反馈的主动频移法公共点电压频率震荡的问题，可以实现任何情况下孤岛现象都能顺利检测的功能，具有工程实际意义。
附图说明
图1为现有技术中的主动频移法(Active Frequency Drift,AFD)的工作原理图；
图2为本发明实施例带电压频率绝对值正反馈的主动频移法流程图。
图3为本发明实施例用于孤岛检测的带有本地负载的电路原理框图；
图4为本发明实施例给定k＝0.05和x＝2时公共点电压和公共点电流波形图；
图5为本发明实施例给定k＝0.05和x＝2时公共点电压频率变化波形图；
图6为本发明实施例给定k＝0.05和x＝2时逆变器输出电流的总谐波系数分析。
图7为本发明实施例带电压频率绝对值正反馈的主动频率偏移防孤岛控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的具体实施方式进行说明。
为了减少电流扰动对电能质量带来的谐波干扰，而又不影响孤岛的检测特性，本发明提出了带电压频率正反馈的主动频移法，不直接改变电流的频率而是改变部分电流的幅值并引入电压频率正反馈，进而打破平衡检测出孤岛效应的发生。
图2为本发明实施例带电压频率绝对值正反馈的主动频率偏移防孤岛控制算法流程图，该算法包括以下步骤：
S1:检测公共耦合点电压频率f和公共耦合点电流的幅值I，计算出逆变器输出电流i(ωt)；
S2:判断公共耦合点电压频率f大于最大频率fmax或者小于最小频率fmin是否成立，若成立执行步骤S5，不成立则执行步骤S3；
S3:每周期用步骤S1所计算的逆变器输出电流函数i(ωt)给逆变器并网输出电流添加扰动，并检测公共耦合点电压频率f′；
S4:判断f′是否大于最大频率fmax，如果是则进入步骤S5，否则返回步骤S1；
S5:采取防孤岛动作。
本发明的一个实施例中，可定义逆变器输出电流函数为：
其中：I为逆变器输出电流幅值，f为公共耦合点电压频率，fg为并网电压频率，k和x为扰动系数，其中x≥1；-0.1＜k＜0.1，k≠0。
为了不影响电能质量，待定系数可设置为：k＝0.05，x＝2；
其检测数据设定如下：
GB/T15945-95中规定，对于电力系统允许的偏差，正常允许为正负0.2Hz，对于小容量系统可以放宽到0.5Hz。微型光伏并网逆变器属于小容量系统，则公共耦合点电压的最小频率设定为fmin＝49.5Hz，公共耦合点电压的最大频率设定为fmax＝50.5Hz。
在引入电压频率正反馈后，电网正常工作时公共点电压受电网电压的钳制，频率保持不变，即f＝fg，此时只有kI引入的非常小量的电流扰动，对电能质量几乎没有影响；而当电网断开时，由于加入了小量kI的电流扰动信号，没有了电网的钳制，公共点电压的频率会发生变化，即f≠fg，引入的电流扰动量会往频率变化的方向迅速增加，而公共点的电压频率又受电流频率的影响而发生偏移，当频率偏移到一定程度便可判断出孤岛现象发生。当设定k＞0或者本地负载为纯阻性负载时，扰动产生的电流频率增大导致公共点电压频率亦增大，则f-fg＞0，能迅速的判断出孤岛现象；但假若设定k＜0本地负载为容性负载或者感性负载时，电流在经过RLC负载后，有可能出现公共点电压频率f在电网电压频率fg两侧震荡而不超出孤岛检测阈值的现象，从而无法达到孤岛检测的效果。
综合上述分析，相比主动频移法，本发明的带电压频率正反馈的主动频移法减小了逆变器输出电流的总谐波系数THD，但如果公共点电压频率f在电网频率fg两侧震荡而不超过孤岛检测的阈值，则孤岛现象永远无法被检测到。因此可以将扰动方向固定，无论刚刚断开的前一两个周期内公共点电压频率如何变化，都试着使扰动方向固定，则可实现无盲区检测。
为了执行上述实施例的方法，本发明实施例还提供了带电压频率绝对值正反馈的主动频率偏移防孤岛控制系统，如图7所示，包括：
电压频率检测模块，用于检测公共耦合点电压频率f；
电流检测模块，用于检测公共耦合点电流的幅值I；
计算模块，用于根据检测的公共耦合点电压频率f和公共耦合点电流的幅值I计算出逆变器输出电流i(ωt)；
第一判断模块，用于判断公共耦合点电压频率f大于最大频率fmax或者小于最小频率fmin是否成立，若成立则采取防孤岛动作，不成立则启动添加扰动模块；
添加扰动模块，用于每周期采用计算的逆变器输出电流i(ωt)给逆变器并网输出电流添加扰动，并检测添加扰动后的公共耦合点电压频率f′；
第二判断模块，用于判断公共耦合点电压频率f′是否大于最大频率fmax，如果是则采取防孤岛动作，否则重新通过计算模块计算逆变器输出电流i(ωt)。
防孤岛动作模块，用于执行防孤岛动作。
如图3所示为本防孤岛测试的电路原理框图，整个防孤岛的系统由光伏阵列、逆变系统、本地并联RCL负载、电网等组成，其中光伏阵列为逆变系统提供直流源，逆变系统将该直流电源转变为220V工频的交流电，本地负载代表用户的家电，而电网即为我们熟知的供电网络。需要测量图中公共节点a处的电压频率、相位和逆变器输出电流的频率、相位。电路中的本地负载为一个并联的RCL负载，当电网正常运行时，希望本地负载的谐振频率fload与电网频率fg相同，同为50Hz。由于本地并联RCL负载的谐振为：故可以得到Matlab/Simulink仿真时本地负载中电感与电容值之间的关系。同时，本地负载的品质因数同样决定了电容和电感的取值。本地负载的品质因数Qf定义为：表示一个储能元件、谐振电路中所储能量与每周期损耗能量之比。品质因数Qf越大，防孤岛的难度越大，其检测结果更具有代表性和说服力。但是过大的品质因数Qf导致方案难以做出正确的判断，同时也脱离了实际的需求。考虑方案说服力和实际需要两方面，文献查得品质因数取值一般为：
根据防孤岛测试电路原理框图所制作的Simulink Model，模型的电路部分主要包括模拟光伏电池板的直流电压源，用于DC-AC变换的逆变器Inverter，本地负载RLCBranch，模拟并网电压的Vgrid，用于检测公共点数据的电压表和电流表，用于显示公共点电压波形和频率波形的示波器；控制部分主要包括单相离散型锁相环Discrete 1-phasePLL，内含带电压频率绝对值正反馈的主动频移控制算法的S-Function，对逆变器输出电流和公共点电流采样并增加扰动的电流产生的误差进行离散型PID控制的Discrete PIDController，最终用于控制逆变器中MOSFET管的PWM信号发生器PWM Generator。通过整个Simulink Model可以很好的对带电压频率绝对值正反馈的主动频移法进行仿真。仿真总时间为0.6s，在0.06s处断开电网。
图4为给定k＝0.05和x＝2时公共点电压和公共点电流波形图。可以观察到，在0s到0.06s时间内，逆变器输出电流虽然有很小的扰动，但由于电网的钳制作用，电流波形和电压波形均处于稳定状态；0.06s处断开电网，在0.06s到0.12s时间内，逆变器输出电流根据频率的变化产生了很大的扰动；在0.12s处，逆变器输出电流突然变为零，证明已经检测到孤岛现象并断开逆变器。整个从电网断开到孤岛现象被检测到，所花费的时间为0.06s，满足国家标准并且比主动频移法更迅速。如图5，我们可以看到公共点电压频率变化的波形图，波形图显示在0.12s处，其频率达到50.5Hz，孤岛现象被检测到。
Matlab/Simulink仿真过程中可以使用FFT Analysis对任意波形的总谐波系数THD进行分析。如图6所示，对逆变器输出电流的第一个周期波形进行FFT分析得到的结果为：THD＝2.60％，与主动频移法对比明显减小。因此可以判断带电压频率绝对值正反馈的主动频移防孤岛算法运行过程中的电能质量更好。
本领域的技术人员容易理解，以上所述，仅为本发明中较佳的具体实施方式，并不用以限制本发明，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种带电压频率绝对值正反馈的主动频率偏移防孤岛控制算法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:检测公共耦合点电压频率f和公共耦合点电流的幅值I，计算出逆变器输出电流i(ωt)；
S2:判断公共耦合点电压频率f大于最大频率fmax或者小于最小频率fmin是否成立，若成立执行步骤S5，不成立则执行步骤S3；
S3:每周期采用步骤S1所计算的逆变器输出电流i(ωt)给逆变器并网输出电流添加扰动，并检测添加扰动后的公共耦合点电压频率f′；
S4:判断f′是否大于最大频率fmax，如果是则进入步骤S5，否则返回步骤S1；
S5:采取防孤岛动作；
步骤S1中逆变器输出电流i(ωt)以如下公式表述：
其中，I为公共耦合点电流的幅值，f为公共耦合点电压频率，fg为并网电压频率，k和x分别为待定系数，其中x≥1；-0.1＜k＜0.1，k≠0。
2.根据权利要求1所述的带电压频率绝对值正反馈的主动频率偏移防孤岛控制算法，其特征在于，步骤S2中所述最小频率fmin设定为49.5Hz，所述最大频率fmax设定为50.5Hz。
3.一种带电压频率绝对值正反馈的主动频率偏移防孤岛控制系统，其特征在于，包括：
电压频率检测模块，用于检测公共耦合点电压频率f；
电流检测模块，用于检测公共耦合点电流的幅值I；
计算模块，用于根据检测的公共耦合点电压频率f和公共耦合点电流的幅值I计算出逆变器输出电流i(ωt)；
第一判断模块，用于判断公共耦合点电压频率f大于最大频率fmax或者小于最小频率fmin是否成立，若成立则采取防孤岛动作，不成立则启动添加扰动模块；
添加扰动模块，用于每周期采用计算的逆变器输出电流i(ωt)给逆变器并网输出电流添加扰动，并检测添加扰动后的公共耦合点电压频率f′；
第二判断模块，用于判断公共耦合点电压频率f′是否大于最大频率fmax，如果是则采取防孤岛动作，否则重新通过计算模块计算逆变器输出电流i(ωt)；
防孤岛动作模块，用于执行防孤岛动作；
逆变器输出电流i(ωt)以如下公式表述：
其中，I为公共耦合点电流的幅值，f为公共耦合点电压频率，fg为并网电压频率，k和x分别为待定系数，其中x≥1；-0.1＜k＜0.1，k≠0。
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