CN108680822B - 一种自适应的孤岛检测方法及其中的容性负载判定方法 - Google Patents

一种自适应的孤岛检测方法及其中的容性负载判定方法 Download PDF

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Abstract

一种自适应的孤岛检测方法及其中的容性负载判定方法，步骤1，开始检测判断是否为容性负载，若是容性负载则采用主动频率偏移法进行检测，若不是容性负载则采用主动电流扰动法进行检测；若是容性负载则采用主动频率偏移法进行检测累计检测t1，若检测结果为否重新采用主动频率偏移法进行检测，若是则采用主动电流扰动法进行检测直至检测出孤岛，结束整个流程；若不是容性负载则采用主动电流扰动法进行检测进行检测累计检测t2，若检测结果为否重新采用主动电流扰动法进行检测，若是则采用主动频率偏移法进行检测直至波形扰动消失，结束整个流程。本发明以主动频率偏移法和电流扰动法为基础，将这两种方法相结合，进行自适应检测。

Description

一种自适应的孤岛检测方法及其中的容性负载判定方法
技术领域
本发明涉及光伏发电系统孤岛检测领域，特别是涉及一种自适应的孤岛检测方法及其中的容性负载判定方法。
背景技术
随着光伏发电的发展，人们对于孤岛问题越来越重视。孤岛现象（Islanding）是指电网断电时，分布式电源仍向本地负载供电，从而形成一个公共电网系统无法控制的自给供电孤岛。孤岛现象可能对整个配电网的系统设备及用户端的设备造成不利的影响，例如：对电力公司输电线路维修人员的安全危害；电力孤岛区域所发生的供电电压与频率的不稳定现象；当电力公司供电恢复时所造成的相位不同步问题等等。已有的孤岛效应的检测方法分为很多种，按照检测位置分可分为两类，一类是电网端检测，另一类是逆变端检测。而逆变端检测又可以分为两类，一类是被动式检测，一类是主动式检测。
主动式检测方法的基本原理是周期性的主动给电网一个固定信号，这个信号可以是频率，可以是幅值等，这就相当于周期性的给电网一个固定的扰动，虽然可能会产生谐波，影响电能质量，但由于电网的钳制作用，这些影响基本可以忽略不计。当电网出现故障时，电网系统形成孤岛效应以后，这些扰动就会迅速叠加，从而使幅值或者频率超过并网的允许范围，从而触发孤岛效应的保护，最终保护整个电路系统。这些主动检测方法主要包括：主动频率偏移法（AFD）、频率突变检测法（FJD）、自动相位偏移法（APS）等。
其中主动频率偏移法如图6所示其原理是通过锁相模块实时确定Pcc电压的频率和相位，作为依据来调整光伏并网系统的给定信号频率，使逆变器输出电流的频率比Pcc电压频率略高（略低时原理相同）。若电流半波己完成而电压未到过零点，则强制给定电流为零，直到电网电压到达零点，给定电流才开始下一个半波。在电网正常时，Pcc电压受电网电压钳制而保持不变；并网系统失去电网电压钳制时，Pcc电压将由逆变器输出电流与本地负载特性共同决定，Pcc电压的频率受给定电流频率偏移的影响而逐渐偏离工频，最终超出设定阈值，系统就可以判定发生了孤岛。
主动偏移法每次的偏移量为固定值
Figure 213818DEST_PATH_IMAGE001
，当输出电流过零后将保持
Figure 458854DEST_PATH_IMAGE001
时间不变，直至电压过零开始下半个周期。截断系数
Figure 504171DEST_PATH_IMAGE002
为
Figure 728741DEST_PATH_IMAGE003
与电压半周期的比值,
Figure 198905DEST_PATH_IMAGE004
为电压周期0.02s。忽略输出电流谐波成分，孤岛发生后逆变器第m个周期输出电流可表示为式（1）：
Figure 286947DEST_PATH_IMAGE005
(1);
主动频率偏移的优点是只需要对电流波形产生畸变，容易实现，而且盲区比被动检测小很多，对于纯电阻负载，更是能达到没有盲区的程度。缺点是对于容性负载，其小于零的阻抗角会抵消掉频率偏移法带来的相位超前影响，形成盲区。
其中主动电流扰动法如图7所示其基本原理是周期性的对逆变器的电流幅值进行一个固定值的扰动，在添加干扰信号时，电流的参考信号为正弦信号
Figure 403849DEST_PATH_IMAGE006
和干扰信号
Figure 258542DEST_PATH_IMAGE007
的差，
Figure 458579DEST_PATH_IMAGE008
表示正弦波和干扰信号的差值，如式（2）所示：
Figure 343620DEST_PATH_IMAGE009
(2);
而这电流幅值会对Pcc产生电压差，然后经过PI和脉冲发生器部分，最后作为调制波给逆变器的控制极，从而使逆变器输出正弦波。由于在系统正常运行时，系统容量为无限大，这些细微的扰动就可以直接忽略不计，但如果出现了孤岛效应以后，Pcc电压就由电流和负载决定，这时候由于扰动的存在，电压的幅值就会超过系统规定的值，从而系统就能够主动判定孤岛效应的发生。
这种方法的优点是没有盲区，能够适应任何负载。缺点就是对一些非线性负载采取这种方法时，电网停止后，即使检测出了孤岛效应，负载存储的电能仍然会对负载供电，不像其他检测方法能够使负载两端电压控制为零。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种自适应的孤岛检测方法及其中的容性负载判定方法，本次设计的检测系统是以主动频率偏移法和电流扰动法为基础，将这两种方法相结合，进行自适应检测，根据负载的情况，进行自适应的控制，克服了频率偏移法的盲区问题，同时电流法检测到孤岛以后存在的扰动问题也很好地得到了解决，为达此目的，本发明提供一种自适应的孤岛检测方法，具体步骤如下：
步骤1，开始检测判断是否为容性负载，若是容性负载则采用主动频率偏移法进行检测，若不是容性负载则采用主动电流扰动法进行检测；
步骤1-1，若是容性负载则采用主动频率偏移法进行检测累计检测t1，若检测结果为否重新采用主动频率偏移法进行检测，若是则采用主动电流扰动法进行检测直至检测出孤岛，结束整个流程；
步骤1-2，若不是容性负载则采用主动电流扰动法进行检测累计检测t2，若检测结果为否重新采用主动电流扰动法进行检测，若是则采用主动频率偏移法进行检测直至波形扰动消失，结束整个流程。
本发明的进一步改进，步骤一中容性负载判断步骤如下：
先将电流互感器感测的电流通过电阻回路转化成电压，然后通过过零比较回路形成方波，电压大于零时输出为正1，电压小于零时输出为0，与此同时，电压波形也进行相应的比较，两者的结果输入至异或门进行比较，如果是电阻性负载则两者相位完全一致，结果始终为0；如果是容性负载，则电流波形超前于电压，先跳变，电压波形滞后，后进行跳变，扫描P2.1和P2.2,可以记录这种跳变，同时，异或门会形成方波，测量方波的时间，可以计算出相应的相位角，如果相位角小于90度，即方波时间小于5mS，意味着负载是个容性负载。最终通过跳变顺序和相位差的条件联立判断出是否是容性负载。
本发明的进一步改进，所述步骤1-1和步骤1-2中累积检测时间为0.5s。
本发明提供一种自适应的孤岛检测方法的容性负载判断方法，具体步骤如下：
先将电流互感器感测的电流通过电阻回路转化成电压，然后通过过零比较回路形成方波，电压大于零时输出为正1，电压小于零时输出为0，与此同时，电压波形也进行相应的比较，两者的结果输入至异或门进行比较，如果是电阻性负载则两者相位完全一致，结果始终为0；如果是容性负载，则电流波形超前于电压，先跳变，电压波形滞后，后进行跳变，扫描P2.1和P2.2,可以记录这种跳变，同时，异或门会形成方波，测量方波的时间，可以计算出相应的相位角，如果相位角小于90度，即方波时间小于5mS，意味着负载是个容性负载。最终通过跳变顺序和相位差的条件联立判断出是否是容性负载。
本发明一种自适应的孤岛检测方法及其中的容性负载判定方法，优点在于由于电流扰动法会对电网的电能质量产生相对较大的影响，而且在孤岛发生后由于非线性负载的存在，系统中仍会有少量电能波动，主动频率偏移法可以改善这些缺点，而电流扰动可以改善主动频率偏移法盲区相对大的缺点，两者互补，这样就可以使检测既没有检测盲区，也可以使任何负载在发生孤岛以后两端的电压都降到零。
附图说明
图1是本发明检测系统示意图；
图2是本发明检测系统仿真图；
图3a是本发明容性负载频率法仿真图；
图3b是本发明容性负载新型方法仿真图；
图3c是本发明容性负载两种方法频率图；
图4a是本发明非容性负载电流扰动法仿真图；
图4b是本发明非容性负载新型方法仿真图；
图4c是本发明非容性负载频率图；
图5是本发明容性负载判别的硬件电路图；
图6是本发明现有技术主动频率法流程图；
图7是本发明现有技术电流扰动法流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种自适应的孤岛检测方法及其中的容性负载判定方法，本次设计的检测系统是以主动频率偏移法和电流扰动法为基础，将这两种方法相结合，进行自适应检测，根据负载的情况，进行自适应的控制，克服了频率偏移法的盲区问题，同时电流法检测到孤岛以后存在的扰动问题也很好地得到了解决。
作为本发明一种具体实施例本发明提供如图1所示，一种自适应的孤岛检测方法，具体步骤如下：
步骤1，开始检测判断是否为容性负载，若是容性负载则采用主动频率偏移法进行检测，若不是容性负载则采用主动电流扰动法进行检测；
其中容性负载判断步骤如下：
先将电流互感器感测的电流通过电阻回路转化成电压，然后通过过零比较回路形成方波，电压大于零时输出为正1，电压小于零时输出为0，与此同时，电压波形也进行相应的比较，两者的结果输入至异或门进行比较，如果是电阻性负载则两者相位完全一致，结果始终为0；如果是容性负载，则电流波形超前于电压，先跳变，电压波形滞后，后进行跳变，扫描P2.1和P2.2,可以记录这种跳变，同时，异或门会形成方波，测量方波的时间，可以计算出相应的相位角，如果相位角小于90度，即方波时间小于5mS，意味着负载是个容性负载。最终通过跳变顺序和相位差的条件联立判断出是否是容性负载。
步骤1-1，若是容性负载则采用主动频率偏移法进行检测累计检测0.5s，若检测结果为否重新采用主动频率偏移法进行检测，若是则采用主动电流扰动法进行检测直至检测出孤岛，结束整个流程；
步骤1-2，若不是容性负载则采用主动电流扰动法进行检测累计检测0.5s，若检测结果为否重新采用主动电流扰动法进行检测，若是则采用主动频率偏移法进行检测直至波形扰动消失，结束整个流程。
本发明通过matlab软件，进行仿真，来验证新型检测方法的可行性。系统仿真图如图2所示。
本次仿真的波形主要采集的是逆变器输出端的电流，负载两端的电压。观察逆变器输出端的电流我们可以知道当孤岛发生的时候，系统电流的变化情况，有利于我们判断孤岛效应是否发生。除此之外，我们也可以通过这个电流波形判断孤岛效应是否被检测出来。正常的检测方法，当孤岛效应被检测出来以后就能够自动的把孤岛里的电流归零。
其中图3a是本发明容性负载频率法仿真图，图3b是本发明容性负载新型方法仿真图，图3c是本发明容性负载两种方法频率图；
图3a和图3c中我们可以看出来，对于容性负载，主动频率偏移法的频率无法超过阈值，无法检测出来孤岛效应，这就是它这种主动方法的缺点。针对主动频率偏移法的这个缺点，本次提出的新的检测方法特意选用了主动电流扰动法来改善对容性负载存在盲区的缺点。如图3b所示，到0.8s时电流扰动法检测出了孤岛，虽然最后有点波动，但是毕竟解决了主动频率偏移法的盲区问题。
其中图4a是本发明非容性负载电流扰动法仿真图，图4b是本发明非容性负载新型方法仿真图，图4c是本发明非容性负载频率图；
从图4a中我们可以看到在0.5s后，电流很小，大概率判断出产生了孤岛。但是，电流仍然存在，也有小概率因为外部负荷突然停止用电或电流、电压互感器线路产生的测量错误引起。所以存在误判可能。
图4b中，在0.8S后采用频率偏移的方法，在短暂的注入偏移频率电流的情况下，引起小幅波动后，电流归于0值。能够完全判定是孤岛。
从图4c上可以看到新方法的频率变化波动显著，能够准确判定为是孤岛。
如图4a所示，当系统在0.5s发生孤岛效应时，电流扰动法能够很快的就检测出孤岛效应，并且实施反孤岛措施。但是，由于电流扰动法自身的设计原理，我们可以看到，当电流扰动法检测出孤岛效应以后，还是会有细微的电流波动，从而导致负载两端也有细微的电压波动，这是电流扰动法最为严重的缺点。而新的方法针对这一点进行调整，由频率偏移叠加超过阈值50.5Hz来判定孤岛发生，如图4c所示。最后那些细微的波动都消失了，恒为零。如图4c所示。
本发明容性负载的判别方式；
其中图5是本发明容性负载判别的硬件电路图；
先将电流互感器感测的电流通过电阻回路转化成电压，然后通过过零比较回路形成方波，电压大于零时输出为正1，电压小于零时输出为0。与此同时，电压波形也进行相应的比较。两者的结果输入至异或门进行比较，如果是电阻性负载则两者相位完全一致，结果始终为0；如果是容性负载，则电流波形超前于电压，先跳变，电压波形滞后，后进行跳变，扫描P2.1和P2.2,可以记录这种跳变。同时，异或门会形成方波，测量方波的时间，可以计算出相应的相位角，如果相位角小于90度，即方波时间小于5mS，意味着负载是个容性负载。最终通过跳变顺序和相位差的条件联立判断出是否是容性负载。
本发明根据负载的情况，进行自适应的控制，克服了频率偏移法的盲区问题，同时电流法检测到孤岛以后存在的扰动问题也很好地得到了解决。通过matlab仿真软件进行系统仿真来验证了这一方法可行性，通过对比分析得出自适应的方法具有明显的优越性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种自适应的孤岛检测方法，具体步骤如下，其特征在于：
步骤1，开始检测判断是否为容性负载，若是容性负载则采用主动频率偏移法进行检测，若不是容性负载则采用主动电流扰动法进行检测；
步骤1-1，若是容性负载则采用主动频率偏移法进行检测累计检测t1，若检测结果为否重新采用主动频率偏移法进行检测，若是则采用主动电流扰动法进行检测直至检测出孤岛，结束整个流程；
步骤1-2，若不是容性负载则采用主动电流扰动法进行检测累计检测t2，若检测结果为否重新采用主动电流扰动法进行检测，若是则采用主动频率偏移法进行检测直至波形扰动消失，结束整个流程;
步骤1中容性负载判断步骤如下：
先将电流互感器感测的电流通过电阻回路转化成电压，然后通过过零比较回路形成方波，电压大于零时输出为正1，电压小于零时输出为0，与此同时，电压波形也进行相应的比较，两者的结果输入至异或门进行比较，如果是电阻性负载则两者相位完全一致，结果始终为0；如果是容性负载，则电流波形超前于电压，先跳变，电压波形滞后，后进行跳变，扫描P2.1和P2.2,记录这种跳变，同时，异或门会形成方波，测量方波的时间，计算出相应的相位角，如果相位角小于90度，即方波时间小于5mS，意味着负载是个容性负载，最终通过跳变顺序和相位差的条件联立判断出是否是容性负载。
2.根据权利要求1所述的一种自适应的孤岛检测方法，其特征在于：所述步骤1-1和步骤1-2中累计检测时间为0.5s。
3.权利要求1-2任意一项所述一种自适应的孤岛检测方法的容性负载判断方法，具体步骤如下，其特征在于：先将电流互感器感测的电流通过电阻回路转化成电压，然后通过过零比较回路形成方波，电压大于零时输出为正1，电压小于零时输出为0，与此同时，电压波形也进行相应的比较，两者的结果输入至异或门进行比较，如果是电阻性负载则两者相位完全一致，结果始终为0；如果是容性负载，则电流波形超前于电压，先跳变，电压波形滞后，后进行跳变，扫描P2.1和P2.2,记录这种跳变，同时，异或门会形成方波，测量方波的时间，计算出相应的相位角，如果相位角小于90度，即方波时间小于5mS，意味着负载是个容性负载，最终通过跳变顺序和相位差的条件联立判断出是否是容性负载。
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