CN107979091B - 一种快速正反馈主动移频式孤岛检测方法 - Google Patents

一种快速正反馈主动移频式孤岛检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速正反馈主动移频式孤岛检测方法，结合传统的正反馈主动移频式孤岛检测原理，在此算法基础上叠加反馈移频的二次方项进行改进，并阐述了其工作原理及对微电网系统的影响。通过理论分析及仿真验证表明改进算法后的正反馈主动移频式孤岛检测是可行的，缩短了孤岛检测时间，减小了检测盲区，提高了检测效率，理论上不会对微电网系统带来新的谐波污染。

Description

一种快速正反馈主动移频式孤岛检测方法
技术领域
本发明属于电力技术领域，涉及一种快速正反馈主动移频式孤岛检测方法。
背景技术
当电网发生故障停止供电时，需快速检测出分布式发电系统形成的微网电力孤岛，停止其与电网之间的并网连接，正反馈主动移频式孤岛检测技术是一种常用的主动孤岛检测方法，如图1中通过对公共耦合点(The point of common coupling，PCC)处电压频率进行实时采样收集，并对其做以一定的数值偏移处理，将偏移处理后的频率及相位作为微网逆变器输出电流的参考频率和相位，该频率下的逆变器输出电流作用于负载将会对微网电压频率造成扰动(如图2)。多年来人们对正反馈主动移频式孤岛检测的控制方法及检测算法等方面提出了诸多的改进思路，使得该检测技术理论不断完善。
基于现有技术中，急需一种快速正反馈主动移频式孤岛检测方法。
发明内容
本发明提出了一种快速正反馈主动移频式孤岛检测方法，该方法从提高检测速度及减小检测盲区方面考虑对正反馈主动移频式(Active frequency drift with positivefeedback，AFDPF)孤岛检测技术的检测执行算法进行了一些改进。
其技术方案如下：
这种快速正反馈主动移频式孤岛检测方法，算法的表达式为：
cfs＝cf0+k(f-fg)+[k(f-fg)]2·sign(f-fg)
其中当(f-fg)≥0时，sign(f-fg)＝1；当(f-fg)＜0时，sign(f-fg)＝-1。
式中：cfs为某时刻总的截断系数；cf0为初始截断系数；k为正反馈系数；f为PCC点某时刻电压频率；fg为工频电网电压频率，fg＝50Hz。
算法的盲区坐标范围表达式：
Figure BDA0001513802160000021
那么
Figure BDA0001513802160000022
其中用描述微网系统品质因数特性的Qf0及描述微网电容特性的Cnorm分别表示盲区范围坐标中的横轴及纵轴分量，即Qf0×Cnorm，算法的盲区坐标范围表达式中数值0.5表示微网系统电压频率允许波动范围设定为±0.5Hz，易知在初始截断系数cf0取值相同的情况下频率正反馈系数k值决定着盲区的大小，通过在检测算法中叠加反馈移频的二次方项即[k(f-fg)]2·sign(f-fg)，实际上将会对盲区范围进行缩小，且随着k取值的合理增大检测盲区逐渐缩小，若要实现检测无盲区需使得算法的盲区坐标范围表达式中△Cnorm<0，同时根据反馈增强原理，其检测速度相应也会提高。
本发明的有益效果为：
本发明的孤岛检测模块在执行检测算法过程中，对于相同的初始截断系数cf0、相同的正反馈系数k，本发明的这种快速AFDPF检测算法与传统的AFDPF检测算法相比较能够在更短时间内检测出微电网孤岛，并及时停止逆变器工作，在此过程中并网电流谐波总畸变率THD基本保持不变，即理论上并未对电网引入新的谐波干扰。本发明的改进实质是在原有移频算法基础之上叠加一个[k(f-fg)]2·sign(f-fg)项增量的移频，即适量的提高了原有算法的反馈移频力度，同时可以看出随着cf0、k值的逐渐增大，检测时间逐渐缩小，但过大的cf0会导致并网系统过高的THD。
结合表达式(1)及仿真结果，在电网正常运行状态下，PCC点由于受电网电压的钳制作用影响，其电压频率基本保持不变，即f与fg始终相等，差值为零，因此理论上负载电流每个周期的频率偏移只与初始截断系数cf0有关，而与正反馈系数k值无关，即微网电流谐波总畸变率THD由初始截断系数cf0决定。但实际电网电压可能存在波动，当电网电压频率在允许范围内偏离50Hz时，此时由于f与fg差值的存在，正反馈系数k值也将会影响到微网电流及电压的偏移量，使得微网电流谐波总畸变率THD在原来基础上稍微增大，进而可能影响电能质量。由表达式(4)，(5)可知，改进算法后的AFDPF孤岛检测法盲区范围明显缩小，同时在负载品质因数Qf数值允许的情况下，通过选取合适的截断系数cf0及正反馈系数k值可以减小甚至消除检测盲区。
通过对这种改进算法后的快速AFDPF检测法原理、盲区分布及检测速度进行理论分析，同时在MATLAB/Simulink中对其进行了仿真验证结果，并与传统的AFDPF检测效果进行了比较。结果表明改进算法后的这种快速AFDPF孤岛检测是可行的，其结合了闭环控制理论、主动移频技术及反馈增强原理的优点，能够快速检测出微电网孤岛，缩短了检测时间，减小了检测盲区，提高了检测效率。
本发明改进算法后的正反馈主动移频式孤岛检测是可行的，缩短了孤岛检测时间，减小了检测盲区，提高了检测效率，理论上不会对微电网系统带来新的谐波污染。
附图说明
图1微电网示意图；
图2正反馈主动移频法效果示意；
图3检测盲区示意；
图4主电路模型；
图5孤岛检测模块；
图6检测系统控制框图；
图7算法流程简图；
图8正常并网状态下PCC点电压及电流波形；
图9传统AFDPF检测法，其中，图9(a)PCC点电压和负载电流波形，图9(b)PCC点电压频率变化，图9(c)并网电流谐波总畸变率；
图10本发明改进算法后AFDPF检测法，其中，图10(a)PCC点电压和负载电流波形，图10(b)PCC点电压频率变化，图10(c)并网电流谐波总畸变率。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
1.基本原理
本发明从提高检测速度及减小检测盲区方面考虑对AFDPF的检测执行算法进行了一些改进，如图1中通过对PCC处电压频率进行实时采样收集，利用改进算法对其做以一定的数值偏移处理，将偏移处理后的频率及相位作为微网逆变器输出电流的参考频率和相位，该频率下的逆变器输出电流作用于负载将会对微网电压频率造成扰动，如图2。
图2中，Vpcc为PCC点电压，i为逆变器输出电流，tv为一个电压周期，tz为半个电流周期频率扰动截断时间。这种快速正反馈主动移频式孤岛检测算法表达式为
cfs＝cf0+k(f-fg)+[k(f-fg)]2·sign(f-fg)＝2tz/tv (1)
其中当(f-fg)≥0时，sign(f-fg)＝1；当(f-fg)＜0时，sign(f-fg)＝-1。
式中：cfs为某时刻总的截断系数；cf0为初始截断系数；k为正反馈系数；f为PCC点某时刻电压频率；fg为工频电网电压频率，fg＝50Hz。
则其移频角为
Figure BDA0001513802160000051
负载阻抗角为
θLoad＝arctan[R(ωC-1/ωL)](3)
其中R、L、C分别为本地负载的电阻值、电感值、电容值，ω为PCC点电压角频率。
本发明改进算法的盲区坐标范围表达式：
Figure BDA0001513802160000052
那么
Figure BDA0001513802160000053
其中，用描述微网系统品质因数特性的Qf0及描述微网电容特性的Cnorm分别表示盲区范围坐标中的横轴及纵轴分量，即Qf0×Cnorm(图3)。式(4)，(5)中数值0.5表示微网系统电压频率允许波动范围设定为±0.5Hz，易知在初始截断系数cf0取值相同的情况下正反馈系数k值决定着盲区的大小，通过在检测算法中叠加反馈移频的二次方项即[k(f-fg)]2·sign(f-fg)，实际上将会对盲区范围进行缩小，且随着k取值的合理增大检测盲区逐渐缩小(图3)，若要实现检测无盲区须使得式(5)中△Cnorm<0，同时根据反馈增强原理，其检测速度相应也会提高，因此选取恰当的k值极为重要。
改进算法的AFDPF孤岛检测工作原理：在电网正常工作情况下，由于PCC点受电网电压的钳制作用影响，引入的电流频率扰动不会对PCC点负载电压频率造成偏移。而当电网发生故障断开时，PCC点电压脱离电网电压钳制，经负载作用逆变器输出带有频率偏差的电流会拉动PCC点电压频率进行偏移，通过引入正反馈系数k来加速这种频率偏移，当电压频率超过设定范围，系统便检测出孤岛。
对于上述检测原理，若所设定的频率偏移角度θAFDPF始终大于或小于负载阻抗角θLoad时，那么频率将保持一稳定方向偏移，当超出频率设定范围后将成功检测出孤岛；而若当θAFDPF＝θLoad时，偏移作用将会被抵消，此时便无法检测出孤岛存在，即为检测盲区。
2.模型构建
图4为在MATLAB/Simulink仿真环境下搭建的DG并网仿真模型，用直流电压源DC模拟光伏电池，经过单相全桥逆变电路将其转换为可供交流负载使用及实现并网的交流电能AC，逆变模块采用双极性的脉宽调制(pulse wide modulation，PWM)控制方式。图5(即图4中的Subsystem模块)为搭建的微网孤岛检测仿真模型，通过采集PCC点电压(即图4中负载RLC两端电压)信号，经过锁相环PLL装置获取其频率及相位信息，通过在MATLAB/Simulink编译环境下编写S-Function函数对其进行相应移频处理，以此设定参考电流Iref相关参数，然后将经过滤波装置的逆变器实际输出电流Ig和参考电流Iref做以比较，其差值经PID控制器调节后与引入的电压前馈补偿量进行叠加，将叠加值作为调制信号与三角载波信号进行比较产生控制逆变器工作的PWM信号。
图6为整个光伏并网系统的控制框图，采用电流偏差(Iref-Ig)信号形成的闭环控制原理，即用检测偏差来消除系统误差，实现了对公共耦合点电流、电压频率及幅值的闭环反馈跟踪控制，同时在并网系统中引入电网电压前馈补偿，以减小电网电压对逆变器输出电流的影响。在仿真验证光伏并网控制及孤岛检测过程中，通过多次修正校准PID控制器参数，来改善并网系统的动态特性、减小静态误差，从而提高了整个微网控制及孤岛检测系统的稳定性。
以3kW光伏并网发电系统为例进行分析。
光伏发电直流侧电压UDG为320V，负载谐振频率f为50Hz，滤波电感L0为8mH，电网电压Ug为220V(50Hz)。
负载电阻R：
Figure BDA0001513802160000071
参考电流幅值Iref：
Figure BDA0001513802160000072
孤岛谐振条件：
Figure BDA0001513802160000073
RLC并联负载品质因数Qf：
Figure BDA0001513802160000074
联立式(6)～(9)得：负载电感L＝20.51mH，负载电容C＝495uF。
3.算法流程设计
图7为仿真所用MATLAB语言算法编制流程图。在微电网采用本发明快速正反馈主动移频式孤岛检测方法的情况下，采集PCC点电压频率，当其超过50.5Hz或低于49.5Hz时即检测出孤岛，否则继续执行移频算法cfs＝cf0+k(f-fg)+[k(f-fg)]2·sign(f-fg)，直至检测出孤岛。
4.仿真验证结果
图8为微电网系统无故障并网状态下，引入特定频率扰动后的波形。下面将以仿真实验验证并比较改进算法后的AFDPF相对于传统算法的优势，这里设定电网在0.2s时刻发生故障，微网进入孤岛状态，以最难检测状态即RLC负载发生并联谐振(谐振频率等于工频50Hz)为例，通过设定初始截断系数cf0及正反馈系数k，来仿真验证AFDPF算法改进前后在DG系统孤岛检测中的效果，并探讨它们各自对并网PCC点电压以及负载电流的影响。
本文在执行检测算法过程中先取一组初始截断系数cf0＝0.02，正反馈系数k＝0.1为例进行仿真。检测算法设定电压频率保护阈值为49.5～50.5Hz，仿真过程中为了在同一幅图中清晰反映PCC点电压以及负载电流的关系，这里仿真电流波形输出为实际值，而设置电压波形输出为其实际值的1/5。
4.1传统AFDPF检测法
由图9可以看出，系统在0.38s附近检测出孤岛，逆变器停止工作，孤岛检测阶段经历大约9个周波，检测时间为0.18s。传统AFDPF检测方法该过程在并网电流中引起的谐波总畸变率(Total harmonic distortion，THD)为2.76％，Qf0取品质因数Qf的值即2.5计算盲区△Cnorm＝-0.0231，由于其值小于零，所以在cf0＝0.02，k＝0.1情况下不存在检测盲区。
4.2本发明改进算法后的快速AFDPF检测法
由图10可以看出，系统在0.3s附近检测出孤岛，逆变器停止工作，孤岛检测阶段大约经历了5个周波，检测时间为0.1s，符合IEEE std.1547-2003对故障检测时间的要求(2s之内)。改进算法后的AFDPF孤岛检测方法该过程在并网电流中引起的谐波总畸变率THD为2.76％，也满足IEEE std.1547-2003中对谐波的要求(THD≤5.0％)，Qf0取品质因数Qf的值即2.5计算盲区△Cnorm＝-0.0262，同样由于其值小于零，所以在cf0＝0.02，k＝0.1情况下不存在检测盲区。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种快速正反馈主动移频式孤岛检测方法，其特征在于，算法的表达式为：
cfs＝cf0+k(f-fg)+[k(f-fg)]2·sign(f-fg)
其中当(f-fg)≥0时，sign(f-fg)＝1；当(f-fg)＜0时，sign(f-fg)＝-1；
算法的盲区坐标范围表达式：
Figure FDA0001513802150000011
Figure FDA0001513802150000012
其中用描述微网系统品质因数特性的Qf0及描述微网电容特性的Cnorm分别表示盲区范围坐标中的横轴及纵轴分量，即Qf0×Cnorm，算法的盲区坐标范围表达式中数值0.5表示微网系统电压频率允许波动范围设定为±0.5Hz，易知在初始截断系数cf0取值相同的情况下频率正反馈系数k值决定着盲区的大小，通过在检测算法中叠加反馈移频的二次方项即[k(f-fg)]2·sign(f-fg)，实际上将会对盲区范围进行缩小，且随着k取值的合理增大检测盲区逐渐缩小，若要实现检测无盲区需使得算法的盲区坐标范围表达式中△Cnorm<0，同时根据反馈增强原理，其检测速度相应也会提高。
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