改进的主动频率偏移孤岛检测算法

发布时间:2021-07-26 15:51:06

第 36 卷 第 14 期 2012 年 7 月 25 日
DOI:10.3969/j.issn.1000-1026.2012.14.036

Vol.36 No.14 July 25,2012

改进的主动频率偏移孤岛检测算法

张 学 广1,2,王   瑞1,刘 鑫 龙1,徐 殿 国1
(1.哈尔滨工业大学电气工程系,黑龙江省哈尔滨市 150001;2.国电南京自动化股份有限公司,江苏省南京市 210003)

摘 要 :针 对 被 动 孤 岛 检 测 存 在 检 测 盲 区 以 及 传 统 主 动 频 率 偏 移 (AFD)孤 岛 检 测 算 法 会 带 来 有 功 电 流波动的不足,提出一种改进的 AFD 孤 岛 检 测 算 法。 该 算 法 通 过 控 制 无 功 电 流 的 大 小 来 实 现 电 流 频 率 偏 移 ,从 而 实 现 孤 岛 状 态 下 接 入 点 电 压 频 率 的 正 反 馈 ,进 而 检 测 出 孤 岛 。 为 了 减 小 无 功 电 流 对电力系统的污染,需将该 AFD 算 法 与 传 统 的 被 动 孤 岛 检 测 算 法 结 合 使 用。 仿 真 和 实 验 结 果 表 明,该孤岛检测算法不仅消除了被动孤岛检测算法在负载功率和 逆 变 器 功 率 匹 配 时 存 在 的 检 测 盲 区,而且克服了传统 AFD 算法有功电流波动的缺点,提高了直流母线电压的稳定性。
关 键 词 :光 伏 系 统 ;主 动 频 率 偏 移 ;孤 岛 检 测 ;检 测 盲 区 ;无 功 电 流

0  引 言
目前,越 来 越 多 的 光 伏 发 电 设 备 作 为 分 布 式 电 源被投入使用[1-2],当电网由于电气故障或其 他 因 素 等原因停止供电后,光 伏 发 电 系 统 作 为 孤 立 电 源 继 续向本地负载供 电,会 形 成 “孤 岛 效 应”。 孤 岛 效 应 可能对电气负载及电网维护人员造成巨 大 损 害 , [3-4] 因此,相应国际标准 中 都 明 确 提 出 光 伏 并 网 逆 变 器 必 须 具 有 反 孤 岛 功 能 ,即 在 孤 岛 现 象 发 生 后 ,光 伏 系 统在规定的时间内能够检测出孤岛现象的发生并及 时 停 止 发 电 ,消 除 孤 岛 现 象 。
目前 孤 岛 检 测 方 法 一 般 分 为 两 大 类:被 动 式 孤 岛检测算法和主动式孤岛检测算法。
被动式孤岛检测算法比较有代表性的是以下2 种方法:一种是 电 压 谐 波 检 测 法[5-7],该 方 法 通 过 检 测电网接入点电压的总谐波畸变率来判断孤岛现象 的发生,其优点在于 当 逆 变 器 与 本 地 负 载 功 率 匹 配 时 不 存 在 检 测 盲 区 ,然 而 在 电 网 正 常 情 况 下 ,实 际 系 统中的非线性因素可能导致接入点电压总谐波畸变 率较高,这样就可能 因 为 检 测 阈 值 过 小 而 出 现 误 判 断;另一种是 过 欠 压、过 欠 频 检 测 法[8],该 方 法 通 过 检测接入点电压幅 值、频 率 是 否 出 现 异 常 来 判 断 孤 岛 是 否 形 成 ,比 较 实 用 ,但 当 逆 变 器 与 本 地 负 载 功 率 匹 配 时 ,存 在 检 测 盲 区 。
主动式检测法中比较有代表性的有功率扰动法 和频率偏移法。功率扰动 法 通 [9-10] 过 周 期 性 向 输 出 电流中加入有功或无功扰动信号并检测接入点电压

是否发生变化来判断孤岛的存在。与电压谐波检测 法 相 比 ,此 方 法 稳 定 性 和 准 确 性 较 高 ,但 是 多 台 并 联 的逆变器同时进行谐波注入时会相互干扰。频率偏 移 法 通 过 控 制 逆 变 器 输 出 电 流 的 相 位 、频 率 的 变 化 , 使 接 入 点 电 压 相 位 、频 率 跟 随 发 生 变 化 ,从 而 形 成 正 反馈过程,最终接入 点 电 压 的 频 率 超 出 正 常 的 工 作 阈值而检 测 出 孤 岛 的 存 在 。 [11-12] 然 而,传 统 的 频 率 偏 移 法 在 有 功 、无 功 电 流 中 引 入 了 非 线 性 畸 变 ,而 有 功电流波动又会引起直流母线电压的波动。
针对 以 上 孤 岛 检 测 方 法 的 缺 点,本 文 提 出 了 改 进的主动频率偏 移(AFD)孤 岛 检 测 算 法,该 算 法 通 过控制无功电流的 大 小 来 实 现 电 流 频 率 偏 移,从 而 实现孤岛状态下接 入 点 电 压 频 率 的 正 反 馈,进 而 检 测出 孤 岛。仿 真 和 实 验 结 果 验 证 了 该 算 法 的 有 效性。
1 AFD 算法原理
AFD 法 的 工 作 原 理 如 [13] 图 1 所 示,通 过 控 制 并网电 流 使 其 满 足 fi=kfu,其 中,fi 和fu 分 别 为 并网 电 流 频 率、接 入 点 电 压 频 率,k 为 频 率 偏 移 系 数 ,且k>1。

收 稿 日 期 :2011-07-28;修 回 日 期 :2012-03-12。 国家自然科学基金资助项目(51107020);哈尔滨 工 业 大 学 科 研 创 新 基 金 资 助 项 目 (HIT.NSRIF2010104)。
— 200 —

图1 AFD 法原理图 Fig.1 Schematic diagram of AFD

· 绿 色 电 力 自 动 化 ·   张 学 广 ,等   改 进 的 主 动 频 率 偏 移 孤 岛 检 测 算 法

通过 一 定 的 电 流 控 制 算 法,使 得 电 压 和 电 流 的 相位由0开 始 同 时 增 大,由 于 fi>fu,电 流 相 位 将 提前 到 达 180°,此 后 控 制 并 网 电 流 使 其 保 持 为 0。 当电网电压到达 180°后 再 使 电 流 相 位 继 续 增 加,频 率仍然保持为fi。同理,当 电 流 相 位 到 达 360°后 仍 保持其为0,直 至 电 压 相 位 到 达 360°后 开 始 下 一 周 期的控制。

ω,电流矢量角将 先 于 电 压 矢 量 角 到 达 π,之 后 保 持 π不变,当电压矢量角到达 π之后,电流矢量角继续 增加,频 率 保 持 ωi,当 电 流 矢 量 角 到 达 2π 之 后,保 持2π不变,直到电压矢量角到达 2π,进入下一个周 期 后 ,继 续 增 加 。 电 压 、电 流 矢 量 角 随 时 间 的 变 化 如 图 3(a)所 示 。

2 三相 AFD 算法

2.1 传统三相 AFD 的实现 控制系统采用电网电压定向的矢量控制方法。
如图2所示,首先通 过 三 相 锁 相 环 对 交 流 电 压 进 行 锁相,锁相得到的相 角 亦 即 当 前 时 刻 电 网 电 压 矢 量 与α 轴的夹角θ,由 于 采 用 电 网 电 压 矢 量 定 向,θ 亦 即同步旋转坐标系中d 轴与α 轴的夹角。对三相电 流进行坐标变换,将电流矢量分解到d 轴和q 轴,从 而 实 现 有 功 、无 功 功 率 的 解 耦 控 制 。

图 3  电 压 、电 流 矢 量 角 Fig.3 Vector angel of voltage and current

图 2  同 步 旋 转 坐 标 系 原 理 Fig.2 Synchronous rotating reference frame

dq 坐标系下 电 量 的 频 率 体 现 为 矢 量 角 的 变 化 率 ,电 压 、电 流 角 频 率 分 别 为 :

烄ωi



dθi dt


ω 烆



dθ dt

(1)

为了在dq 坐标系 下 实 现 对 三 相 电 流 频 率 的 提

升 ,设 电 流 、电 压 的 频 率 差 为 :

Δω =ωi -ω

(2)

记加入的频率偏移量与电压频率的比值为 D,





Δω ω

(3)

这样相当于将电流频率加大 为 电 压 频 率 的 1+

D 倍,即

ωi = (1+D)ω

(4)

根据以上推导,可以通 过 控 制 电 流 矢 量 角θi 来

控 制 电 流 矢 量 的 旋 转 角 速 度 ,从 而 控 制 电 流 的 频 率 ,

达到提升 频 率 的 目 的。 仿 照 单 相 AFD 算 法,电 流

矢量角和 电 压 矢 量 角 同 时 由 0 开 始 增 加,由 于 ωi>

根 据 电 压 、电 流 矢 量 角 随 时 间 的 变 化 ,可 以 推 导

出电流矢 量 角θi 随 电 压 矢 量 角θ 的 变 化 情 况,如 图

3(b)所 示 。 根 据 图 3 及 式 (1)- 式 (3),可 得 :

烄(1+D)θ    θ∈ (0,θ1]

π

θ∈ (θ1,π]

θi = 烅(1+D)θ-Dπ θ∈ (π,θ2]

(5)

烆2π 式中:

θ∈ (θ2,2π]

θ1



ωπiω



π 1+D

(6)

θ2 = π+ωπiω = π+1+πD

(7)

然而 在 仿 真 中 发 现,这 样 的 频 率 偏 移 将 引 起 直

流母线电压的波动,这 是 由 于 该 控 制 算 法 在 引 入 频

率 非 线 性 变 化 的 同 时 ,在 有 功 、无 功 电 流 中 也 引 入 了

非 线 性 的 畸 变 。 具 体 说 来 ,就 是 将 幅 值 恒 定 、矢 量 角

θi 按式(5)变化 的 电 流 矢 量 分 解 到 以 电 网 电 压 定 向 的同步旋转坐标系 的 d 轴 和q 轴 上,得 到 的 有 功 和 无功分量都不是恒定的。利用 MATLAB 完成该算 法 ,得 到 的 有 功 、无 功 电 流 给 定 值 波 形 如 图 4 所 示 。

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2012,36(14)

 

图4 传统 AFD 电流波动 Fig.4 Current fluctuation of traditional AFD

可见,在 电 流 矢 量 角 中 引 入 频 率 扰 动 后 会 引 起

有功、无功电流 的 波 动。 由 于 有 功 电 流 波 动 会 引 起

直流母线 电 压 的 波 动,因 此 需 要 考 虑 改 进 AFD 算

法来提高直流电压稳定性。

2.2 改进的三相 AFD 算法在旋转坐标系下的实现

为了实现对电流频率 的 控 制,对θi 进 行 进 一 步

分 析 ,由 图 2 可 得 :

tan(θi -θ)=tanΔθ=iidq 由 式 (5)可 得 :

(8)

烄Dθ    θ∈ (0,θ1]

π-θ Δθ=θi -θ= 烅Dθ-Dπ

θ ∈ (θ1,π] θ∈ (π,θ2]

(9)

烆2π-θ

θ ∈ (θ2,2π]

要保 持 直 流 母 线 电 压 恒 定,需 保 证 有 功 电 流 不

变。由式(8)可知,在 有 功 电 流 恒 定 的 情 况 下,可 通

过控制无功电流给 定 值,使 电 流 矢 量 角 与 电 压 矢 量

角之间存在 Δθ的差值,从而控制电流频率,可取:

烄idreftan(Dθ)   θ∈ (0,θ1] idreftan(π-θ) θ∈ (θ1,π] iqref = 烅idreftan(Dθ-Dπ)θ ∈ (π,θ2]

(10)

烆idreftan(2π-θ) θ∈ (θ2,2π] 由于 该 算 法 中 仅 对 无 功 电 流 进 行 设 定,而 有 功

电流的给定值依旧 由 电 压 外 环 的 输 出 给 定,因 此 电

流频率的畸变不会 带 来 有 功 电 流 的 波 动,也 不 会 造

成母线电压的波动。由该算法得到的无功电流给定

值的波形是2倍 于 电 网 频 率(100 Hz)的 锯 齿 波,传

统 PI电流控制器无法及时跟踪,故采用电流无差拍

控制器来实现该 AFD 算法。

根据三相光伏并网 逆 变 器 在 dq 坐 标 系 下 的 离 散数学模型:

烄Lid

(k+1)-id Ts

(k)=

-Rid

(k)+ωLiq(k)+

ed(k)-ud(k) 烅Liq(k+1T)s-iq(k)= -Riq(k)-ωLid(k)+



eq(k)-uq(k)

(11)

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忽略系统采样及计 算 延 时,可 以 得 到 电 流 无 差 拍 控

制器的控制量:

烄ud(k)= -Rid(k)+ωLiq(k)+ed(k)- Lidref -id(k) Ts
烅uq(k)= -Riq(k)-ωLid(k)+eq(k)-

Liqref -iq(k)



Ts

这样,该 AFD 算法框图如图5所示。

(12)

图5 改进的 AFD 算法控*峁 Fig.5 Scheme of improved AFD algorithm
3  仿 真 和 实 验 结 果
3.1  仿 真 结 果 仿真条件 为:交 流 侧 滤 波 电 感 为 10.2 mH,线
电压为380 V,输 出 功 率 为 15kW;直 流 侧 电 容 为 940μF,母线电压为650V,交流频率提升因子 D 为 0.05。 图 6 给 出 了 有 功 、无 功 电 流 参 考 值 波 形 ,可 以 看出,改进的 AFD 算法 中 仅 无 功 电 流 存 在 波 动,而 有 功 电 流 保 持 恒 定 ,因 此 对 母 线 电 压 不 会 造 成 干 扰 。

图 6  有 功 和 无 功 电 流 Fig.6 Active and reactive currents of
proposed AFD method
图7为用改进的 AFD 法进行孤岛检测的结果。 0.3s之 前 逆 变 器 不 工 作,负 载 功 率 由 电 网 提 供, 0.3s逆变器 开 始 工 作,此 时 由 于 逆 变 器 输 出 功 率 与 负 载 匹 配 ,由 电 网 电 流 波 形 可 以 看 出 ,此 时 电 网 提 供有功、无 功 功 率 可 * 似 为 0,网 侧 并 网 开 关 0.4s 断 开 ,系 统 处 于 孤 岛 运 行 。
由图7(a)锁 相 环 输 出 可 以 看 到,孤 岛 形 成 后, 由于频率正 反 馈 的 作 用,接 入 点 电 压 频 率 升 高,在 0.45s左右超出正常频 率 范 围(49.5 Hz,50.5 Hz),

· 绿 色 电 力 自 动 化 ·   张 学 广 ,等   改 进 的 主 动 频 率 偏 移 孤 岛 检 测 算 法
此 时 逆 变 器 停 止 工 作 ,系 统 反 孤 岛 功 能 得 以 实 现 。

图7 功率匹配时改进的 AFD 算法仿真结果 Fig.7 Simulation results of improved AFD
algorithm when power matches
3.2  实 验 结 果 图8为实 验 接 线 图。 其 中,S1,S2 分 别 为 逆 变
器的电网分离开关 和 负 载 分 离 开 关,三 相 负 载 为 可 变 RLC 负载,谐振频率为电网频率。

图 8  孤 岛 检 测 实 验 接 线 Fig.8 Connection diagram of islanding
detection experiment
实验* 台 中 的 功 率 模 块 采 用 英 飞 凌 公 司 的 FF1400R12IP4 型 2 单 元 Ⅰ 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 (IGBT)模 块 ,母 线 采 用 母 排 设 计 。 驱 动 电 路 采 用 英 飞凌公司的 2SP320 V 型 智 能 驱 动 模 块,该 模 块 通 过光纤与控制电路连接对IGBT 进行驱动。
为了 完 成 孤 岛 检 测 实 验,利 用 台 湾 群 菱 公 司 的 ACLT-3803M 型 孤 岛 检 测 装 置 作 为 三 相 RLC 负 载。实验中可以通过设定开关方便调节负载有功功 率 、谐 振 频 率 及 品 质 因 数 等 参 数 ,以 便 进 行 孤 岛 检 测 实验。
实验条件如下:逆变器交流进线电压为 190V, 逆变器输出有功 功 率 为 6kW,无 功 功 率 为 0,负 载 三 相 有 功 功 率 为 6kW。 同 时 根 据IEEE 929—2000 标准对谐振频率及 品 质 因 数 的 要 求,取 谐 振 频 率 为 50 Hz,品质因数为2.5。
为了 在 所 搭 建 的 实 验 * 台 上 实 现 AFD 算 法, 首先需要 根 据 无 功 电 流 给 定 值 将 三 相 电 流 加 入 畸 变,图9为通过无差 拍 电 流 控 制 器 得 到 的 三 相 电 流 波形以及有功、无功电流波形(其中 D=0.05),可以 看出,借助无差拍 控 制 器 带 宽 宽、响 应 快 的 优 点,该 算法成功地在三相电流中加入了频率畸变。与传统 单相 AFD 算法比较,其 畸 变 产 生 位 置 有 所 不 同,该 AFD 算法的畸变并不影响相电流过零点处波形,与 传统的三 相 AFD 算 法 比 较,其 有 功 电 流 能 够 基 本 保 持 恒 定 ,减 小 了 对 直 流 母 线 电 压 的 干 扰 。
为了 降 低 对 电 力 系 统 的 无 功 电 流 污 染,实 验 中 采用被动和主动孤 岛 检 测 相 结 合 的 方 法,周 期 性 地 加入电流畸变。其中被动检测算法采用引言中提到 的 过 欠 压 、过 欠 频 检 测 法 。
图 10(a)给 出 了 仅 采 用 被 动 式 孤 岛 检 测 算 法 的 实验结果。由于逆 变 器 输 出 的 有 功、无 功 功 率 与 负 载 所 需 的 有 功 、无 功 功 率 匹 配 ,孤 岛 发 生 后 接 入 点 电 压的幅值和频率均 未 发 生 变 化,因 此 不 能 检 测 出 孤 岛。图10(b)给 出 了 该 AFD 算 法 与 被 动 式 孤 岛 检 测算法结合时的实 验 结 果,由 于 电 流 波 形 畸 变 使 得 接入点 处 电 压 频 率 形 成 正 反 馈,在 孤 岛 发 生 后 约 42ms接入点频率超出正常值,逆变器停 止 工 作,成 功检测出孤岛。
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2012,36(14)

 

图9 改进的 AFD 法电流波形 Fig.9 Current waveform of improved AFD algorithm
图 10  孤 岛 检 测 实 验 结 果 Fig.10 Experiment results of islanding detection
4  结 语
本文 提 出 了 一 种 改 进 的 AFD 孤 岛 检 测 算 法, 该算法通过控制无功电流的大小来实现电流频率偏 移 ,从 而 实 现 孤 岛 状 态 下 接 入 点 电 压 频 率 的 正 反 馈 , 进而检测出孤岛。将该算法与传统的被动检测算法 相 结 合 ,不 仅 对 电 力 系 统 的 污 染 较 小 ,能 够 消 除 被 动 孤岛检 测 算 法 存 在 的 检 测 盲 区,而 且 克 服 了 传 统 AFD 算法有功电流波动的缺点,提高了直流母线电 压的稳定性。该方 法 实 现 简 单,具 有 较 强 的 工 程 实 用 价 值 ,不 仅 适 用 于 光 伏 并 网 系 统 ,也 适 用 于 其 他 采 用三相逆变器并网的分布式发电系统。

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(下 转 第 209 页  continued on page 209)

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· 绿 色 电 力 自 动 化 ·   鲍 经 纬 ,等   基 于 液 压 传 动 的 蓄 能 稳 压 浮 力 摆 式 波 浪 能 发 电 系 统 分 析

Analysis of an Inverse Pendulum Wave Power Generation System with Pressure-maintaining Storage Based on Hydraulic Transmission

BAO Jingwei,LI Wei,ZHANG Dahai,LIN Yonggang,LIU Hongwei,SHI Maoshun (The State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)
Abstract:The stability of output power of wave power generation system can be achieved by wave power converter with pressure-maintaining storage methods based on hydraulic transmission system.The adoption of dual-stroke inverse pendulum wave power converter can improve the energy utilization rate.A mathematical model for this generation system is given,and a computer simulation is conducted by MATLAB/Simulink software.Moreover a semi-physical simulation is done in a semi- physical simulation platform.The computer and physical mode simulation results show that the output power of the system is stable under the action of accumulators and the control system,which validates the feasibility of the proposed generation system.
This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No.50735004)and Post-Doctoral Science Foundation of China (No.20110491779).
Key words:wave power generation;hydraulic transmission;inverse pendulum;pressure-maintaining storage;dual-stroke

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(上 接 第 204 页  continued from page 204)

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张学广(1981—),男,通 信 作 者,博 士 研 究 生,讲 师,主 要 研 究 方 向 :新 能 源 发 电 技 术 。E-mail:zxghit@126.com
王 瑞(1988—),女,硕 士 研 究 生,主 要 研 究 方 向:新 能 源发电技术。
刘鑫龙(1988—),男,硕 士 研 究 生,主 要 研 究 方 向:新 能 源发电技术。

Improved Active Frequency Drift Anti-islanding Algorithm
ZHANG Xueguang1,2,WANG Rui1,LIU Xinlong1,XU Dianguo1 (1.Department of Electrical Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China;
2.Guodian Nanjing Automation Co.Ltd.,Nanjing 210003,China)
Abstract:Since passive islanding detection methods have non-detection zone and traditional active frequency drift (AFD) methods may cause active current fluctuation,an improved AFD islanding detection algorithm is proposed.The algorithm realizes current frequency drift by controlling reactive current,so as to achieve positive feedback of voltage frequency at the point of common coupling (PCC)in islanding state and realize anti-islanding function.To reduce reactive current injection to the power system,the improved AFD algorithm should be combined with traditional passive islanding detection algorithm. Simulation and experiment results show that the improved algorithm can not only eliminate the non-detection zone of passive islanding detection algorithms when the loads power and the inverter power match,but also overcome the active current fluctuation of traditional AFD algorithms and improve the stability of DC bus voltage.
This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No.51107020).
Key words:photovoltaic system;active frequency drift(AFD);islanding detection;non-detection zone;reactive current

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