CN110247433B - 一种基于改进滑模移频法的光伏并网孤岛检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及本发明公开了一种基于改进滑模移频法的光伏并网孤岛检测方法，具体包括以下步骤：S1利用安装在逆变器侧的传感器采集公共耦合点处的电压信息；S2根据得到的三相电压幅值信息，通过锁相环得到公共耦合点处实时电压频率；S3构建相应的相位扰动函数，并将扰动算法加入数字锁相环中，以此扰动并网逆变器输出电流频率；S4检测公共耦合点处的频率是否超出预设的阈值，并及时切离频率发生越限的逆变器，本发明所提出的算法精简，实际工程中易于实现，在对电能质量影响很低的前提条件下，可以快速、准确的识别出孤岛状态，对于品质因数2.5以下的负载可以实现无盲区检测；本发明具有检测可靠性高、易于实现、对电能质量影响小的优点。

Description

一种基于改进滑模移频法的光伏并网孤岛检测方法
技术领域
本发明涉及新能源并网与控制技术领域，具体涉及一种利用改进的滑模移频算法实现光伏并网孤岛检测的方法。
背景技术
随着分布式并网光伏发电系统技术的快速发展，越来越多的分布式系统并入电网中，对其供电的可靠性和安全性要求也日益提高，同时一些问题也凸显而出，其中比较典型的便是孤岛效应，孤岛效应指的是在分布式系统和电网共同为本地负载供电情况下，当主电网因断路器跳开、断线、负载投切等原因停止供电时，如果分布式系统未能及时断电，继续为本地负载进行供电，此时本地负载和分布式系统便形成了孤岛。
孤岛效应可能会产生如下危害：1)孤岛发生后，分布式系统输出电流、电压的频率、幅值和相位失去了主电网的钳制，可能会发生较大的变化，导致电能质量降低，损坏本地负载；2)如果主电网恢复供电，更会引发“不同步”现象的产生，产生电流冲击，导致逆变器的损坏，甚至引发主电网二次断电；3) 当本地负载为三相负载时，如果分布式光伏发电系统为单相发电系统，孤岛产生会导致本地负载工作于缺相运行状态；4)主电网断电后，分布式系统仍然在供电，因此与分布式系统相连的线路仍然带电，工作人员在检修过程中如果碰到相应线路，会导致触电事故。
目前比较常见的孤岛检测可以分为三类：远程检测法、被动检测法和主动检测法。远程检测法基于通信原理实现，无检测盲区，可靠性高，但价格昂贵，目前难以普及；被动检测法不施加额外扰动，通过检测公共耦合点处电流、电压的幅值、频率、相位、谐波等电气参量变化情况判断孤岛是否发生，实现成本低，但检测盲区大，可靠性低；主动检测法通过施加一定的扰动，使公共耦合点处电气参量产生相应变化，实现成本低，检测盲区小，可靠性高，但会对电能质量有一定影响，滑模移频(SMS)法是主动检测法的一种，传统SMS法存在检测速度慢，对电能质量影响较高，在孤岛发生初始时刻公共耦合点处电压频率提前达到稳定点，进而导致检测失败等问题；因此，提供一种检测可靠性高、易于实现、对电能质量影响小的基于改进滑模移频法的光伏并网孤岛检测方法是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种检测可靠性高、易于实现、对电能质量影响小的基于改进滑模移频法的光伏并网孤岛检测方法。
本发明的目的是这样实现的：一种基于改进滑模移频法的光伏并网孤岛检测方法，包括以下步骤：
S1、利用安装在逆变器交流侧的电压传感器采集公共耦合点处的三相电压信息；
S2、根据得到的三相电压信息，通过数字锁相环得到公共耦合点处实时电压频率；
S3、构建相应的相位扰动函数，并将扰动算法加入数字锁相环中，以此扰动并网逆变器输出电流频率；
S4、检测公共耦合点处的电压幅值或频率是否超出预设的阈值，并及时切离幅值或频率发生越限的逆变器。
步骤S1中，公共耦合点处逆变器交流侧与公共电网相连，共同为本地负载供电，因此安装在逆变器交流侧的电压传感器可以采取公共耦合点处的三相电压信息。
步骤S2中，数字锁相环利用控制算法实现，其功能是使逆变器输出电流实时跟踪电网电压的频率和相位，将三相电压的幅值信息输入数字锁相环后，利用锁相环可以得到公共耦合点处实时电压频率。
步骤S3中，相位扰动函数表达式为：
Figure RE-GDA0002145319590000031
其中δ为扰动相位，k为扰动系数，f为公共耦合点处电压频率，fg为电网频率，fg取50Hz。
扰动系数k的具体取值为：当公共耦合点处电压频率波动范围在49.8Hz≤f ≤50Hz时，k＝-2；当公共耦合点处电压频率波动范围在50Hz≤f≤50.2Hz时， k＝2；当公共耦合点处电压频率波动范围在f≤49.8Hz时，k＝-5；当公共耦合点处电压频率波动范围在f≥50.2Hz时，k＝5。
步骤S4中，公共耦合点处的电压幅值或频率所预设的阈值范围为：所述频率阈值范围为[49.5Hz，50.5Hz]，所述电压幅值阈值范围为[0.9UN，1.1UN]， UN取310V。
本发明的有益效果：
1、本发明利用改进滑模移频算法实现光伏逆变器孤岛检测，较传统滑模移频检测法而言，检测速度更快，检测可靠性更高，对电能质量影响更小；
2、对于GB/T19939-2005所述的品质因数不能大于2.5的本地负载可以实现无检测盲区；
3、本发明提出的扰动函数具备初始斜率无穷大的特点，可以有效避免初始时刻频率提前至稳定点而导致的检测失败问题；
4、本发明算法精简，易于实现，适用性广，可以在孤岛最不利情况下实现有效检测。
附图说明
图1为分布式光伏发电并网系统原理图。
图2为本发明所述方法的并网逆变器控制器结构框图。
图3为常见分布式光伏发电并网系统功率流图。
图4为锁相环示意图。
图5为算法流程图。
图6为在谐振频率为50Hz时采用传统SMS检测法的频率波形图。
图7为在谐振频率为50Hz时采用改进SMS检测法的频率波形图。
图8为在谐振频率为50.1Hz时采用传统SMS检测法的频率波形图。
图9为在谐振频率为50.1Hz时采用改进SMS检测法的频率波形图。
图10为在谐振频率为49.9Hz时采用传统SMS检测法的频率波形图。
图11为在谐振频率为49.9Hz时采用改进SMS检测法的频率波形图。
图12为在品质因数为2.5时采用传统SMS检测法的电压波形图。
图13为在品质因数为2.5时采用改进SMS检测法的电压波形图。
图14为在品质因数为3.1时采用传统SMS检测法的电压波形图。
图15为在品质因数为3.1时采用改进SMS检测法的电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例1
本发明方法具体完整步骤为：
如图1所示，光伏阵列通过升压电路(DC/DC环节)、逆变器(DC/AC环节)、滤波环节后并入电网，本地负载可以用RLC并联负载表示，光伏阵列和电网共同为本地负载供电。
如图2所示，本发明采用的逆变器控制策略为外环功率控制，内环电流控制，调制方式为SVPWM，采用dq解耦，为实现稳态时的无静差跟踪，选用PI 控制器。
如图3所示，在光伏并网系统正常运行时，断路器处在闭合状态，DG系统、电网、本地负载之间的有功、无功功率流向满足：
Figure RE-GDA0002145319590000051
Figure RE-GDA0002145319590000052
一旦发生跳闸、设备故障、灾害等导致的非计划性停电时，可认为图3中的断路器跳闸，此时本地负载和DG系统会失去与电网的联系，由DG系统单独给本地负载供电，此类现象即为孤岛效应，此时系统功率流向发生了变化，公共耦合点处的电压和频率由于失去电网的钳制，也会发生一定程度的改变，电压和频率变化量ΔV和Δω可表示为：
Figure RE-GDA0002145319590000053
Figure RE-GDA0002145319590000054
可见当功率匹配情况下(ΔP＝0，ΔQ＝0)，电压和频率的变化量会非常小，因此需要相应的孤岛检测方法才可以有效检测出孤岛，本发明所采用方法通过改变PCC点处电流相位的方式扰动PCC处的电压频率，孤岛情况下，电压频率失去主电网的钳制，会产生一定程度的变化，而频率的变化会进一步加大相位变化量，直至频率到达稳定点，即通过正反馈的作用使逆变器输出电压的频率迅速脱离正常的频率波动范围，进而检测出孤岛。
如图4所示，本发明所采用的孤岛检测方法是基于锁相环改动实现的，数字锁相环利用控制算法实现，其功能是使逆变器输出电流实时跟踪电网电压的频率和相位。利用安装在逆变器交流侧的电压传感器采集公共耦合点处的三相电压信息，将三相电压信息输入数字锁相环中，得到公共耦合点处电压的相位和频率，在逆变器的控制策略中，abc-dq0转换器所需的相位信息即为锁相环输出相位θ，图四中，将扰动相位δ与数字锁相环输出相位θ叠加，即可使逆变器输出电流相位发生微小偏移，进而扰动逆变器输出电流频率。
如图5所示，本发明所采用的检测方法具体流程为：如果孤岛发生后，电压和频率的变化程度满足(f＞50.5Hz或f＜49.5Hz，U＞1.1UN或U＜0.9UN)，即可直接通过PCC处的电压幅值或频率检测出孤岛。如果孤岛发生后，电压和频率的变化程度不满足以上条件，即需要额外加入扰动使频率越限才可以有效检测出孤岛。本发明所加入的扰动如下：当公共耦合点处电压频率f位于49.8Hz ≤f≤50.2Hz时，扰动函数为
Figure RE-GDA0002145319590000061
扰动函数的方向应与PCC处电压频率方向保持一致，即50.2Hz＞f＞50Hz时，施加k＝2的正向扰动，49.8Hz ＜f＜50Hz时，施加k＝-2的负向扰动。当f位于f＜49.8Hz或f＞50.2Hz时，扰动函数为
Figure RE-GDA0002145319590000062
当f＜49.8Hz，施加恒定的负向扰动1s；反之，若f＞50.2Hz，施加恒定的正向扰动1s。如果在1s时间内频率越限(f＜49.5Hz 或f＞50.5Hz)，则认为孤岛发生，立即断开逆变器；反之，认为是由其他问题引起的频率短暂超出正常波动范围(49.5Hz＜f＜49.8Hz或50.5Hz＞f＞50.2Hz)，重新进行检测流程。
如图6和7所示，分别是SMS法和改进法在谐振频率50Hz时孤岛检测情况，选择三相星型连接的RLC并联负载作为本地负载，仿真参数选择为R＝20.88 Ω，C＝365.5uF，L＝24.58mH，品质因数2.5，此时负载谐振频率对应为50Hz，该仿真环境为孤岛检测最不利情况。可以看出两种检测法在谐振频率为50Hz时所对应的孤岛检测速度，SMS法在孤岛发生后103ms会检测到频率越限，而改进法在孤岛发生后64ms即可检测到频率越限，检测速度有了较大的提升。
如图8和9所示，分别是SMS法和改进法在谐振频率50.1Hz时孤岛检测情况，三相负载为R＝20.88Ω，L＝24.58mH，C＝358.5uF，可以看出两种检测法在谐振频率为50.1Hz时所对应的孤岛检测速度，SMS法在孤岛发生后62ms会检测到频率越限，而改进法在孤岛发生后40ms即可检测到频率越限。
如图10和11所示，分别是SMS法和改进法在谐振频率49.9Hz时孤岛检测情况，三相负载R＝20.88Ω，L＝24.58mH，C＝372.5uF。可以看出两种检测法在谐振频率为49.9Hz时所对应的孤岛检测速度，SMS法在孤岛发生后47ms会检测到频率越限，而改进法在孤岛发生后32ms即可检测到频率越限。
如图12和13所示，分别是SMS法和改进法在负载品质因数为2.54时的实验结果，所搭建的实验平台的控制芯片选用DSP28335、功率器件选用IPM模块，三相电网电压有效值为79.5V，频率50Hz，直流母线电压260V，采用LC滤波方式，L滤波＝5mH，C滤波＝10uF，负载电感L＝20.5mH，电容C＝590uF，负载谐振频率为50.05Hz，可以看出，SMS法从孤岛发生至逆变器输出电压降为0 需要约650ms，而改进法仅需约220ms，可见检测速度有了较大的提升。
如图14和15所示，分别是SMS法和改进法在负载品质因数为3.16时的实验结果，可以看出，SMS法无法有效检测出孤岛状态，而同情况下采用改进方法则可以有效检测出孤岛的发生，从孤岛发生至逆变器输出电压降为0需要约 530ms。通过实验结果看出，在实物平台上改进法较传统SMS法而言，能够适应更加恶劣的检测情况，同时也能保证检测速度。
实施例2
一种基于改进滑模移频法的光伏并网孤岛检测方法，包括以下步骤：S1、利用安装在逆变器交流侧的电压传感器采集公共耦合点处的三相电压信息；S2、根据得到的三相电压信息，通过数字锁相环得到公共耦合点处实时电压频率； S3、构建相应的相位扰动函数，并将扰动算法加入数字锁相环中，以此扰动并网逆变器输出电流频率；S4、检测公共耦合点处的电压幅值或频率是否超出预设的阈值，并及时切离幅值或频率发生越限的逆变器。
本发明利用改进滑模移频算法实现光伏逆变器孤岛检测，较传统滑模移频检测法而言，检测速度更快，检测可靠性更高，对电能质量影响更小；对于 GB/T19939-2005所述的品质因数不能大于2.5的本地负载可以实现无检测盲区；本发明提出的扰动函数具备初始斜率无穷大的特点，可以有效避免初始时刻频率提前至稳定点而导致的检测失败问题；本发明算法精简，易于实现，适用性广，可以在孤岛最不利情况下实现有效检测。

Claims (4)

1.一种基于改进滑模频移法的光伏并网孤岛检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、利用安装在逆变器交流侧的电压传感器采集公共耦合点处的三相电压信息；
S2、根据得到的三相电压信息，通过数字锁相环得到公共耦合点处实时电压频率；
S3、构建相应的相位扰动函数，并将扰动算法加入数字锁相环中，以此扰动并网逆变器输出电流频率；
S4、检测公共耦合点处的电压幅值或频率是否超出预设的阈值，并及时切离幅值或频率发生越限的逆变器；
所述步骤S3中，相位扰动函数表达式为：
Figure FDA0003981353970000011
其中δ为扰动相位，k为扰动系数，f为公共耦合点处电压频率，fg为电网频率，fg取50Hz；
所述扰动系数k的具体取值为：当公共耦合点处电压频率波动范围在49.8Hz≤f≤50Hz时，k＝-2；当公共耦合点处电压频率波动范围在50Hz≤f≤50.2Hz时，k＝2；当公共耦合点处电压频率波动范围在f≤49.8Hz时，k＝-5；当公共耦合点处电压频率波动范围在f≥50.2Hz时，k＝5。
2.如权利要求1所述的基于改进滑模频移法的光伏并网孤岛检测方法，其特征在于：所述步骤S1中，公共耦合点处逆变器交流侧与公共电网相连，共同为本地负载供电，因此安装在逆变器交流侧的电压传感器可以采取公共耦合点处的三相电压信息。
3.如权利要求1所述的基于改进滑模频移法的光伏并网孤岛检测方法，其特征在于：所述步骤S2中，数字锁相环利用控制算法实现，其功能是使逆变器输出电流实时跟踪电网电压的频率和相位，将三相电压的幅值信息输入数字锁相环后，利用锁相环可以得到公共耦合点处实时电压频率。
4.如权利要求1所述的基于改进滑模频移法的光伏并网孤岛检测方法，其特征在于：所述步骤S4中，公共耦合点处的电压幅值或频率所预设的阈值范围为：所述频率阈值范围为[49.5Hz，50.5Hz]，所述电压幅值阈值范围为[0.9UN，1.1UN]，UN取310V。
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