CN110907759A - 一种改进的无功功率扰动孤岛检测算法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改进的无功功率扰动孤岛检测算法，包括：步骤1）孤岛发生时，检测PCC点电压正向过零；步骤2）加入周期性无功扰动量，为了降低周期性无功扰动量对并网电能质量的影响；步骤3）检测PCC点电压幅值和频率，满足以下四个条件中的一个，即可根据PCC处电压幅值或电压频率来判断是否发生孤岛；步骤4）如果孤岛发生后，PCC点电压频率49.5Hz≤f i≤50.5Hz，则设置一个扰动量转换判据，通过扰动量转换判据，根据本地负载性质，实现单向大扰动，并且扰动量随着频率变化而快速增大，从而触发孤岛保护装置；本发明具有稳定性高、检测速度快、对电能质量影响小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光伏并网孤岛检测技术领域，具体涉及一种改进的无功功率扰动孤岛检测算法。
背景技术
无源式孤岛检测方法虽然具有检测速度快、经济性好以及实现简单等优点，但通常都存在阈值难以整定，在功率匹配时易陷入检测盲区等缺点，极大制约了无源孤岛检测法的广泛应用，因此无源检测法也常常与有源检测法相互配合应用；有源孤岛检测方法虽然通过扰动策略的引入，使得检测盲区减小，但是当电网长时间处于正常运行时，对逆变器输出电流频率的扰动会导致电流谐波的增大，给电网电能质量带来不利的影响。同时，基于有功电流扰动的孤岛检测算法可能会因有功电流幅值的扰动造成电网电压波动，甚至导致整个系统失稳；因此，提供一种稳定性高、检测速度快、对电能质量影响小的改进的无功功率扰动孤岛检测算法是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种稳定性高、检测速度快、对电能质量影响小的改进的无功功率扰动孤岛检测算法。
本发明的目的是这样实现的：一种改进的无功功率扰动孤岛检测算法，它包括以下步骤：
步骤1)：孤岛发生时，检测PCC点电压正向过零，此时基于无功功率参考值的扰动量Qdis与PCC点电压频率稳定值fi之间的关系如下式所示：
式中，Δf为PCC处孤岛稳定频率在无功功率扰动量施加前后的差值；
步骤2)：加入周期性无功扰动量，为了降低周期性无功扰动量对并网电能质量的影响，同时电网可能在正常工作时因负载投切而产生频率波动(±0.1Hz)，为避免产生误判，在正常状态时，周期性无功扰动量如下式所示：
Qref1为周期性无功功率小扰动量；Qdis1、Qdis2分别为周期性无功功率负扰动量和周期性无功功率正扰动量；
步骤3)：检测PCC点电压幅值和频率，满足以下四个条件中的一个，即可根据PCC处电压幅值或电压频率来判断是否发生孤岛，四个条件如下：
fi>50.5Hz
fi<49.5Hz
UPCCi>1.10UN
UPCCi<0.88UN
其中UPCCi为孤岛发生后PCC点电压幅值；fi为孤岛发生后PCC点电压频率；
步骤4)：如果孤岛发生后，PCC点电压频率49.5Hz≤fi≤50.5Hz，则设置一个扰动量转换判据，通过扰动量转换判据，根据本地负载性质，实现单向大扰动，并且扰动量随着频率变化而快速增大，从而触发孤岛保护装置。
步骤2)中在电网正常运行时，由于存在响应时间，特别是RLC负载时达到新的稳态需要一定的时间，为避免一次扰动后未能及时检测出孤岛，Qdis1和Qdis2的周期性小扰动量的正负扰动时间分别为100ms，扰动周期为1s。
步骤4)中的扰动量转换判据设置步骤如下：
S1：为了精确地得到正负无功扰动对孤岛系统频率的影响，定义ΔF为频率偏移总量，ΔF可如式得到：
式中：N表示采样总次数，N＝Tdis/Ts，其中Tdis为正或负扰动量施加时间，Ts为采样时间，Δfn为第n次采样时PCC处瞬时频率与电网正常运行时频率之差，Δfn＝fi-50；
S2：定义系统正向无功功率扰动所引起的频率偏移总量为ΔF1，反向无功功率扰动所引起的频率偏移总量为ΔF2，若ΔF1或ΔF2大于预设频率偏移总量ΔFthr，则继续比较ΔF1和ΔF2的大小；
S3：若ΔF1>ΔF2，则表明负载谐振频率fr<50Hz，系统仅需增大正向的扰动量即可快速检测出孤岛；若ΔF1≤ΔF2，则表明负载谐振频率fr≥50Hz，系统仅需增大负向的扰动量即可快速检测出孤岛，因此，无功扰动量可修改为如下式所示：
式中：k为单向扰动系数，取值1.10；Δf为PCC处频率与电网正常运行时频率之差；在考虑启动参数方面，ΔFthr取值为0.1Hz。
本发明的有益效果：当电网正常运行时，周期性地对逆变器输出无功功率进行双向小扰动，通过参数的设计并不会对电网电能质量产生较大的影响，当发生孤岛后，通过扰动量转换判据，根据本地负载性质，实现单向大扰动，并且扰动量随着频率变化而快速增大，从而触发孤岛保护装置。
附图说明
图1是本发明无功功率扰动下孤岛系统频率示意图。
图2是本发明孤岛检测算法流程图。
图3是本发明正常情况下扰动图。
图4和图5是本发明负载谐振频率大于50Hz时仿真结果图。
图6是本发明负载谐振频率大于50Hz时并网点电压仿真波形仿真结果图。
图7和图8是本发明负载谐振频率小于50Hz时仿真结果图。
图9是谐振频率大于50Hz时实验结果图。
图10是谐振频率小于50Hz时实验结果图。
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
为验证本算法的正确性和有效性，在Matlab/Simulink仿真环境下搭建了基于无功功率扰动孤岛检测模型对本章所提出的反孤岛策略进行了仿真验证，三相光伏并网逆变器则采用恒功率控制策略，三相电网电压峰值为311V，频率为50Hz，直流母线电压为700V，逆变器额定功率为10kW，开关频率为10kHz。
根据IEEE Std.929-2000标准中定义的最恶劣情况进行验证，需要在2s内检测出孤岛；RLC负载谐振频率为50Hz、品质因数Qf＝2.5，R＝7.26Ω、C＝1096.1μF、L＝9.24mH，根据本章所提算法，周期性低畸变正负扰动时间分别为100ms，扰动周期为1s。平衡电网条件下三相电流、电压变化相同，因此本章的仿真和实验波形，只提供了a相的电压、电流波形图。
电网正常运行时周期性扰动结果如图3所示。从图3可以看出，当电网正常情况时对无功参考量Qdis进行扰动，逆变器输出无功功率QDG能及时地响应无功参考量的变化；如图3所示，无功功率扰动的加入对电网电压、电流几乎无影响，波形无畸变，对电能质量影响非常小。
为了更好验证不同负载情况下的孤岛检测情况，将本地负载分为谐振频率大于50Hz和谐振频率小于50Hz两种情况进行验证。当本地负载谐振频率大于50Hz时，对孤岛状态进行仿真验证，即R＝7.26Ω、C＝1092.8μF、L＝9.21mH时，本地负载谐振频率等于50.15Hz，如前所述，根据式(1.2)-(1.4)所设扰动量，无功功率参考值与逆变器输出无功功率如图4所示，其逆变器输出无功功率局部放大图如图4所示，孤岛发生前后系统频率如图5所示，未改进的无功功率扰动孤岛检测算法的仿真结果如图5所示，由图5的系统频率和未改进的无功功率扰动孤岛检测算法对比分析可知，改进型无功功率扰动算法相较于未改进算法而言检测速度有所提高。
如图4和5所示，0.5s时电网断开，电网系统频率稳定于50.15Hz，此时正负周期性小扰动已不能使频率越限，系统处于孤岛状态运行，根据扰动量转换判据式(1.3)可得，ΔF1<ΔF2，因此在1s时将正负周期性小扰动转换为反向大扰动，且随着频率不断增加扰动量逐渐增大，直至频率越限，检测出孤岛状态，同时本章所提改进型无功功率扰动孤岛检测算法效率更高，检测速度更快。
如图6所示为并网点电压波形，在0.5s发生孤岛后，因为在孤岛最难检测的情况下对本章所提算法进行验证，即满足P′Load＝P′DG，故并网点电压幅值没有发生变化，通过本章所提孤岛检测算法，在1.03s时检测出孤岛，逆变器断开，并网点电压逐渐降至零。
当本地负载谐振频率小于50Hz时，对孤岛状态进行仿真验证，即R＝7.26Ω、C＝1099.4μF、L＝9.27mH时，本地负载谐振频率等于49.85Hz，同理可得，无功功率参考值与逆变器输出无功功率如图7所示，其逆变器输出无功功率局部放大图如图7所示，孤岛发生前后系统频率如图8所示。
如图7和8所示，0.5s时电网断开，电网后系统频率稳定于49.85Hz，此时正负周期性小扰动已不能使频率越限，系统处于孤岛状态运行。根据扰动量转换判据(1.3)可得，ΔF1>ΔF2，因此在1s时将正负周期性小扰动转换为正向大扰动，且随着频率不断降低正向扰动量逐渐增大，直至频率越限，检测出孤岛状态。
本发明当电网正常运行时，周期性地对逆变器输出无功功率进行双向小扰动，通过参数的设计并不会对电网电能质量产生较大的影响，当发生孤岛后，通过扰动量转换判据，根据本地负载性质，实现单向大扰动，并且扰动量随着频率变化而快速增大，从而触发孤岛保护装置；本发明具有一种稳定性高、检测速度快、对电能质量影响小的优点。
实施例2
一种改进的无功功率扰动孤岛检测算法，它包括以下步骤：
步骤1)：孤岛发生时，检测PCC点电压正向过零，此时基于无功功率参考值的扰动量Qdis与PCC点电压频率稳定值fi之间的关系如下式所示：
式中，Δf为PCC处孤岛稳定频率在无功功率扰动量施加前后的差值；
步骤2)：加入周期性无功扰动量，为了降低周期性无功扰动量对并网电能质量的影响，同时电网可能在正常工作时因负载投切而产生频率波动(±0.1Hz)，为避免产生误判，在正常状态时，周期性无功扰动量如下式所示：
Qref1为周期性无功功率小扰动量；Qdis1、Qdis2分别为周期性无功功率负扰动量和周期性无功功率正扰动量；
步骤3)：检测PCC点电压幅值和频率，满足以下四个条件中的一个，即可根据PCC处电压幅值或电压频率来判断是否发生孤岛，四个条件如下：
fi>50.5Hz
fi<49.5Hz
UPCCi>1.10UN
UPCCi<0.88UN
其中UPCCi为孤岛发生后PCC点电压幅值；fi为孤岛发生后PCC点电压频率；
步骤4)：如果孤岛发生后，PCC点电压频率49.5Hz≤fi≤50.5Hz，则设置一个扰动量转换判据，通过扰动量转换判据，根据本地负载性质，实现单向大扰动，并且扰动量随着频率变化而快速增大，从而触发孤岛保护装置。
根据所提出的改进无功功率扰动孤岛检测算法原理，以10kW光伏并网系统为例进行了实验验证，电网侧采用Chroma公司的Model 61845电网模拟电源，电网相电压峰值为311V，频率为50Hz；直流侧电源采用深圳市菊水皇家科技有限公司的AGP1010系列提供700V直流电压；逆变器采用CREE公司的集成模块CCS050M12CM2，其驱动电路采用集成模块CGD15FB45P，控制器采用加拿大Opal-RT Technologies公司推出的RT-LAB平台；三相并联RLC负载采用chroma63802电子负载。负载品质因数Qf＝2.5，负载分为两种情况：负载谐振频率大于50Hz以及谐振频率小于50Hz。电网三相电网电压峰值为311V，频率为50Hz，电网在0.5s时断网，实验波形如图9和10所示。Ua表示电网a相电压，孤岛检测信号标志为1时，表示检测出孤岛。
本发明当电网正常运行时，周期性地对逆变器输出无功功率进行双向小扰动，通过参数的设计并不会对电网电能质量产生较大的影响，当发生孤岛后，通过扰动量转换判据，根据本地负载性质，实现单向大扰动，并且扰动量随着频率变化而快速增大，从而触发孤岛保护装置；本发明具有一种稳定性高、检测速度快、对电能质量影响小的优点。
Claims (3)
1.一种改进的无功功率扰动孤岛检测算法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤1)：孤岛发生时，检测PCC点电压正向过零，此时基于无功功率参考值的扰动量Qdis与PCC点电压频率稳定值fi之间的关系如下式所示：
式中，△f为PCC处孤岛稳定频率在无功功率扰动量施加前后的差值；
步骤2)：加入周期性无功扰动量，为了降低周期性无功扰动量对并网电能质量的影响，同时电网可能在正常工作时因负载投切而产生频率波动(±0.1Hz)，为避免产生误判，在正常状态时，周期性无功扰动量如下式所示：
Qref1为周期性无功功率小扰动量；Qdis1、Qdis2分别为周期性无功功率负扰动量和周期性无功功率正扰动量；
步骤3)：检测PCC点电压幅值和频率，满足以下四个条件中的一个，即可根据PCC处电压幅值或电压频率来判断是否发生孤岛，四个条件如下：
fi>50.5Hz
fi<49.5Hz
UPCCi>1.10UN
UPCCi<0.88UN
其中UPCCi为孤岛发生后PCC点电压幅值；fi为孤岛发生后PCC点电压频率；
步骤4)：如果孤岛发生后，PCC点电压频率49.5Hz≤fi≤50.5Hz，则设置一个扰动量转换判据，通过扰动量转换判据，根据本地负载性质，实现单向大扰动，并且扰动量随着频率变化而快速增大，从而触发孤岛保护装置。
2.如权利要求1所述的改进的无功功率扰动孤岛检测算法，其特征在于：所述步骤2)中在电网正常运行时，由于存在响应时间，特别是RLC负载时达到新的稳态需要一定的时间，为避免一次扰动后未能及时检测出孤岛，Qdis1和Qdis2的周期性小扰动量的正负扰动时间分别为100ms，扰动周期为1s。
3.如权利要求1所述的改进的无功功率扰动孤岛检测算法，其特征在于：所述步骤4)中的扰动量转换判据设置步骤如下：
S1：为了精确地得到正负无功扰动对孤岛系统频率的影响，定义△F为频率偏移总量，△F可如式得到：
式中：N表示采样总次数，N＝Tdis/Ts，其中Tdis为正或负扰动量施加时间，Ts为采样时间，△fn为第n次采样时PCC处瞬时频率与电网正常运行时频率之差，△fn＝fi-50；
S2：定义系统正向无功功率扰动所引起的频率偏移总量为△F1，反向无功功率扰动所引起的频率偏移总量为△F2，若△F1或△F2大于预设频率偏移总量△Fthr，则继续比较△F1和△F2的大小；
S3：若△F1>△F2，则表明负载谐振频率fr<50Hz，系统仅需增大正向的扰动量即可快速检测出孤岛；若△F1≤△F2，则表明负载谐振频率fr≥50Hz，系统仅需增大负向的扰动量即可快速检测出孤岛，因此，无功扰动量可修改为如下式所示：
式中：k为单向扰动系数，取值1.10；△f为PCC处频率与电网正常运行时频率之差；在考虑启动参数方面，△Fthr取值为0.1Hz。
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