一种基于无功电流与电压频率反馈的孤岛检测方法与流程

本发明涉及一种孤岛检测方法，特别涉及一种高效的基于无功电流与电压频率反馈的孤岛检测方法，属于并网发电领域。

背景技术：

孤岛检测是光伏并网发电系统的必备功能，在大型光伏发电系统中，三相并网逆变器是发电系统的重要组成部分，逆变器将光能转化为电能传输到电网中，在发电过程中我们不仅需要检测逆变器输出电能质量，还需考虑电网断电时形成的孤岛状态。当孤岛时，逆变器继续并网运行会对供电设备和人员造成潜在的危害，所以现今有多种孤岛检测的方法。目前主要的孤岛检测方法分为无源检测和有源检测两大类，无源孤岛检测方法最突出的优点是对输出电能质量无影响，但是存在检测盲区，有源孤岛检测方法可以减小检测盲区甚至消除盲区，但是引入的扰动将引起电能质量下降。

技术实现要素：

本发明基于无功电流与电压频率反馈的孤岛检测方法公开了新的方案，采用正切函数实现电压频率与给定无功电流间的正反馈，解决了现有方案存在检测盲区或影响电能质量的问题。

本发明基于无功电流与电压频率反馈的孤岛检测方法包括步骤：

⑴三相电网输入电压经过锁相环pll控制处理得到锁相角θp，锁相角θp与电网电压相角θ间存在相位差；

⑵根据电网断电后稳态下的负载功率与逆变器输出功率的关系得到无功电流iq、有功电流id、电压频率f的关系a：

负载的品质因数负载的谐振频率

(3)利用以下关系b实现电压频率f与给定无功电流间的正反馈：

关系b中的fg是电网额定频率，关系b中的k是正反馈无功系数；

(4)在满足以下关系c的前提下通过正反馈使得电压频率f始终向同一方向偏移来消除相位差：

(5)通过关系a、关系b、关系c得到正反馈无功系数：

进一步，本方案步骤(1)的锁相环控制过程是：三相电网输入电压经过abc/αβ坐标变换得到复平面上的α、β轴分量vα和vβ，利用锁相角θp的正弦量和余弦量进行αβ/dq坐标变换得到dq同步旋转坐标系下d、q轴分量vd和vq，vq中含有电网相位角和锁相角间的误差信息，上述误差信息经过比例积分pi调节器处理后得到ωc，ωc与标称频率ω0＝100π叠加后积分得到锁相角θp。

进一步，本方案基于无功电流与电压频率反馈的孤岛检测方法的matlab/simulink平台的仿真模型：三相逆变器额定功率15kw，开关频率10khz，电网电压220v/50hz，直流母线电压400v，每相负载中r＝15.55ω，l＝19.7mh，c＝510.7μf，负载品质因数为2.5，谐振频率为50.1hz，有功电流给定id^*20a，无功电流给定根据关系b确定，正反馈无功系数k≥2，电网断开后iq^*持续偏移导致频率f始终向单一方向偏移，系统在电网断开后0.1s内检测出孤岛。

本发明基于无功电流与电压频率反馈的孤岛检测方法采用正切函数实现电压频率与给定无功电流间的正反馈，具有影响小、效率高的特点。

附图说明

图1是锁相环控制框图。

图2是无功电流与电压频率关系曲线图。

图3是正反馈无功系数k＝2时的系统频率与无功电流关系曲线图。

图4是正反馈无功系数k＝1.5时的系统频率与无功电流关系曲线图。

具体实施方式

本方案为了减小并网逆变器孤岛检测时的检测盲区，同时最大限度地减小孤岛检测对输出电能的影响，提出一种无功电流频率正反馈的孤岛检测方法，推导了正反馈成立的参数条件，并对各个参数的获取方式进行了分析。仿真和实验证明，在电网正常时，该方法对系统几乎没有影响，但是一旦电网出现孤岛情况，无功电流与频率之间的正反馈会让频率迅速朝一个方向变化，直到触发孤岛保护。本方案在三相光伏并网逆变器平台上，提出一种基于无功电流频率正反馈的孤岛检测方法。光伏并网逆变系统由两级组成，前级是boost升压电路，后级是并网逆变电路。由于lcl滤波器是一个三阶多变量系统，这里采用逆变器侧电流闭环控制直接用于电容的分流作用，系统的功率因数会降低。因此引入电容电流的前馈，通过逆变器侧电流来间接控制网侧电流，使得功率因数接近于1。三相并网逆变器的输出电流要与电网电压保持同步，这就需要锁相环(pll)的协同工作。如图1所示，dq-pll的控制框图，三相电网输入电压先经过abc/αβ坐标变换得到复平面上的α，β轴分量vα和vβ，然后利用锁相角θp的正弦量和余弦量进行αβ/dq坐标变换，得到dq同步旋转坐标系下d、q轴分量vd和vq。当vq为0时，电网相角和锁相环相角一致。因此vq中含有电网相位角和锁相角之间的误差信息，这个误差信息经过比例-积分(pi)调节器后得到ωc，然后与标称频率ω0＝100π叠加后，积分得到锁相角θp。前馈量ω0的作用是提高调节速率，缩小调节量ωc的变换范围。

下面对锁相的原理进行具体解释。在理想的情况下，电网的三相电压vsa，vsb，vsc可以表示为：

um为电网电压峰值，θ是电网电压相角。

由abc静止坐标系到αβ复平面坐标系的转换关系和αβ复平面坐标系再到dq同步旋转坐标系下的变换关系可得：

通过dq坐标系下的电压分量可以反映出电网电压相角和锁相角之间的误差关系，计算vd或者vq并通过图1进行闭环控制，就可以达到锁相的目的。对于闭环系统来说，其中一个平衡点是不稳定的，这与vq的反馈方式有关。要想使得θ＝θp，则需使用正反馈来调节，当系统存在扰动使得θ-θp产生很小的误差且为正时，则锁相角落后于电网相角，只能通过正反馈来提高锁相角频率从而消除相位差。

考虑本地负载为rlc并联负载，负载消耗的有功与无功功率分别为：

v是公共点电压有效值，ω是角频率。

电网断开后，负载消耗的功率由逆变器的输出功率决定，达到稳态时满足条件为：

负载的品质因数为：

负载的谐振频率为：

将⑸、⑹代入⑷得到：

式中，f为公共点电压频率。由式⑺可知，当id为定值而扰动iq时，将会导致公共点电压频率改变，若能使频率始终向单一方向偏移，则会触发过/欠频保护从而检测出孤岛现象。本方案在传统电流频率正反馈扰动方法基础上提出一种新型改进的馈孤岛检测方法，利用正切函数实现频率与给定无功电流之间的正反馈，即：

其中iq*为逆变器给定无功电流，k为正反馈无功系数fg为电网额定频率。

图2为本方案改进方法成功检测出孤岛现象的示意图，由式⑺可得曲线iq1、iq2、iq3分别为并网时呈容性、阻性、感性的负载的无功电流/频率特性曲线，由式⑻可得曲线iq*为逆变器给定无功电流/频率特性曲线。由于逆变器的无功电流采用闭环控制策略，c将跟随给定iq*发生变化，当iq＝iq*时系统达到稳态。电网断开的瞬间系统频率为50hz。

⑴对于感性负载(曲线iq3)，电网断开瞬间即f＝50hz处，iq*＝0，iq3<0，系统频率将增大以使iq3增大从而跟踪给定iq*。由于引入了正反馈，随着频率的增大，iq*也会增大，则系统会进一步增加频率以使iq3增大。当频率超过过/欠频保护的阈值时便可以检测出孤岛。为了使频率始终增大，应避免达到稳态，应始终满足条件iq*＞iq。

⑵对于容性负载(曲线iq1)，电网断开瞬间即f＝50hz处，iq*＝0，iq1>0，系统频率将减小以使iq1减小从而跟踪给定iq*，同理，为了使频率始终减小，应避免系统达到稳态，即应始终满足条件iq*＜iq。

⑶对于阻性负载(曲线iq2)，电网断开瞬间理论上iq*＝iq2，频率不发生偏移，但实际上电网断开的瞬间频率将有微小的波动，因此可以转化为以上两种情况分析。

综上所述，无论负载性质如何，为使频率始终向同一方向偏移，应满足:

将式⑺、⑻代入式⑼可得:

当k满足式⑽时，本方案的方法可以成功检测出孤岛现象。

本方案采用matlab/simulink平台对方法进行仿真。仿真模型的参数如下：三相逆变器额定功率15kw，开关频率10khz，电网电压220v/50hz，直流母线电压400v，每相负载中r＝15.55ω，l＝19.7mh，c＝510.7μf，负载品质因数为2.5，谐振频率为50.1hz。有功电流给定id*＝20a，无功电流给定采用上述方案提出的算法。由上式可知，k≥2时可以检测出孤岛，设置电网在仿真开始后0.2s时断开。图3为k＝2时系统频率与无功电流的波形，由图可见，iq*持续偏移导致频率始终向单一方向偏移，可以在电网断开后0.1s内成功检测出孤岛。图4为k＝1.5时系统频率与无功电流波形，由图可见，随着频率的增大，iq*与iq的差距逐渐减小，二者相等时达到稳定状态，导致频率不再偏移，孤岛检测失败。

传统的无功电流扰动方法，例如周期性无功电流扰动法，每隔一段时间对无功电流进行扰动，在正常并网时将影响系统的功率因数。本方案的方法在电网正常运行时，公共点电压频率稳定在50hz或有很小的波动，施加的无功电流扰动很小，对系统的功率因数影响较小。与传统的无功电流—频率正反馈扰动方法相比，本文中的改进方法具有更快的检测速度和更小的检测盲区。基于以上特点，本方案的孤岛检测方法相比现有的方案具有突出的实质性特点和显著的进步。

本方案基于无功电流与电压频率反馈的孤岛检测方法并不限于具体实施方式中公开的内容，实施例中出现的技术方案可以基于本领域技术人员的理解而延伸，本领域技术人员根据本方案结合公知常识作出的简单替换方案也属于本方案的范围。