基于有功變化的主動(dòng)頻移孤島檢測(cè)方法仿真分析及盲區(qū)產(chǎn)生機(jī)理報(bào)告

1、基于有功變化的主動(dòng)頻移孤島檢測(cè)方法仿真分析及盲區(qū)產(chǎn)生機(jī)理報(bào)告2 基于有功功率變化的主動(dòng)頻移孤島檢測(cè)方法緒論中介紹了各類孤島檢測(cè)技術(shù)，定性的分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。本章將深入分析傳統(tǒng)孤島檢測(cè)方法失效的原因，給出具體的盲區(qū)分析以評(píng)價(jià)不同的孤島檢測(cè)算法。并在盲區(qū)分析的基礎(chǔ)上，提出基于有功功率盲區(qū)估計(jì)的改進(jìn)式孤島檢測(cè)算法，改進(jìn)算法能夠克服被動(dòng)式檢測(cè)法盲區(qū)大，主動(dòng)式檢測(cè)法擾動(dòng)大的缺點(diǎn)。2.1 傳統(tǒng)孤島檢測(cè)使效的原因?qū)τ谌魏尾⒕W(wǎng)的分布式發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，功率都是以有功和無(wú)功的形式在本地負(fù)載和大電網(wǎng)之間流通，如光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率流向圖2-1所示。逆變器檢測(cè)公共耦合點(diǎn)PCC處的電參量并利用鎖相環(huán)保證輸出與公共點(diǎn) 出電

2、壓同頻同相。無(wú)論采用何種控制策略，在 PCC 處，逆變器的輸出電流與電壓之間的功率因數(shù) PF（Power Factor）都應(yīng)該接近1。根據(jù) IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，通常電網(wǎng)公司允許注入的分布式電源的運(yùn)行PF最小不能低于0.85。圖 2-1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率流向示意圖大電網(wǎng)常常作為一個(gè)強(qiáng)壯的支撐系統(tǒng)來(lái)給光伏系統(tǒng)提供額外的有功和無(wú)功功率，來(lái)維持PCC 處的電壓運(yùn)行在指定范圍內(nèi)以保證本地負(fù)載工作在額定功率狀態(tài)。所以一旦電網(wǎng)失去電壓，則光伏系統(tǒng)和本地負(fù)載之間的有功和無(wú)功功率消耗和供給就會(huì)出現(xiàn)失衡，導(dǎo)致公共點(diǎn)處的電壓急劇下降或U-I無(wú)法鎖相，這些明顯的電參量變化即可以用來(lái)判斷孤島發(fā)生。理想條件下，本地負(fù)載

3、與光伏系統(tǒng)在有功和無(wú)功功率流上接近全匹配（式 3-1 和式 3-2），實(shí)現(xiàn)了自我平衡，則并不需要電網(wǎng)給負(fù)載提供任何有功或無(wú)功。Pgrid=P=PLoad-Ppv=0 (3-1)Qgrid=Q=Qload-Qpv=0 (3-2)在這種狀態(tài)下，即使電網(wǎng)斷開(kāi)，PCC處也不會(huì)產(chǎn)生任何電參量的變化，這樣單純的檢測(cè)電參量變化則無(wú)法判定孤島的發(fā)生。2.2傳統(tǒng)孤島檢測(cè)盲區(qū)分析2.2.1被動(dòng)檢測(cè)法 OVP/UVP 和 OFP/UFP 的盲區(qū)估計(jì)當(dāng)有功功率匹配度較高時(shí)，孤島發(fā)生后公共點(diǎn)處的電壓幅值不會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。所以如果匹配度高到一定程度，波動(dòng)的幅值沒(méi)有超過(guò)OVP/UVP 法的既定閾值， 則系統(tǒng)運(yùn)行在盲區(qū)狀態(tài)

4、。下面對(duì)盲區(qū)的大小進(jìn)行估計(jì)。在采用恒電流控制策略的方式中，逆變器輸出電流 Iinv 是固定值，電網(wǎng)失去電壓時(shí)，PCC處的有功功率表示如下（注：公式中的電壓電流均為 RMS 有效值，是標(biāo)量故采用大寫）：P=Vpcc2R=IinvVpcccos (3-3)公共點(diǎn)電壓 Vpcc 由式3-4變換有表達(dá)式如下：Vpcc=IinvRcos (3-4)將式 3-4代入PCC處有功功率平衡關(guān)系式，可得：PloadPPV=Vg2/RPPV=Vg2/RVgIinvcos=VgRIinvcos=VgVPCC (3-5)Vg為電網(wǎng)額定電壓有效值， 考慮到 Vmin<Vpcc<Vmax 為公共點(diǎn)電壓的正常運(yùn)

5、行范圍，故將公式3-5代入不等式得到：VgVmax<VgVPCC=Vg2/RPpv<VgVmin (3-6)將不等式進(jìn)一步變換為電阻不等式，可得到式3-7，即為過(guò)/欠電壓檢測(cè)以電阻表示的盲區(qū)，即當(dāng)本地負(fù)載的等效電阻值在此范圍內(nèi)則被動(dòng)電壓檢測(cè)法會(huì)失效。VgVminPpv<R<VgVmaxPpv (3-7)下面分析 OFP/UFP 法的盲區(qū)。圖 3-2 為 RLC 并聯(lián)負(fù)載的電壓電流矢量圖，其導(dǎo)納表示為：Y=1R+jC+1jL=1R+j(C-1L) (3-8)在某一角頻率下，C=1/L，則電納為0，負(fù)載對(duì)外顯示為純阻性，此時(shí)的頻率fo 被稱為該電感電容值下的諧振頻率，公式為

6、式3-9。f0=2=12LC (3-9)若本地 RLC負(fù)載的諧振頻率等于電流的頻率，等效電容提供的無(wú)功與等效電感消耗的無(wú)功量相互抵消，則本地負(fù)載消耗的總無(wú)功功率為 0。在此情況下，電網(wǎng)斷開(kāi)后的電壓頻率、相位和電壓電流PF也不會(huì)出現(xiàn)變化，即被動(dòng)過(guò)/欠頻率法無(wú)法檢測(cè)出孤島。或者當(dāng)孤島發(fā)生時(shí)，本地負(fù)載的等效電壓電容諧振頻率正好在電壓正 常工作頻率范圍內(nèi)，滿足式 3-10，則電網(wǎng)斷開(kāi)后的頻率變化范圍沒(méi)有超出過(guò)/欠頻率法的設(shè)定閾值，為檢測(cè)盲區(qū)。fmin12LCfmax (3-10)由此，結(jié)合式3-7和式3-10和孤島檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，繪制電壓和頻率被動(dòng)檢測(cè)法的盲區(qū)示意圖，如圖3-3所示。2.2.2 主動(dòng)檢測(cè)

7、法 AFD 和 SMS 的盲區(qū)估計(jì) 當(dāng)電網(wǎng)失電時(shí)，逆變器與本地負(fù)載并聯(lián)，電流電壓相角差 完全取決于負(fù)載的固有特性。考慮到電網(wǎng)斷開(kāi)瞬間的負(fù)載變化不會(huì)太大，結(jié)合矢量圖可知，相角差只與運(yùn)行時(shí)的電流頻率有關(guān)，如式3-11所示。=-tan-1(R(2fC-12fL) (3-11)在主動(dòng)移頻的AFD 法中，電流的頻率發(fā)生偏移而初始相角不變，而在過(guò)零點(diǎn)處相位與電壓相位存在一定的相角。通過(guò)傅立葉分析可知電流的基波分量i1 超前電流的相位為 tz/2(rad)，由此主動(dòng)移頻法的等效偏移相角 AFD 公式為式3-18。AFD=tz2=2Tgridtz2=2cf (3-12)而對(duì)于主動(dòng)移向的SMS法，相角偏移量由公

8、式2-8決定，代入常量 fgrid=50Hz 并令 fm=52.5Hz 得到式 3-13。SMS=msin(2f-50HZ2.5HZ) (3-13)選擇一組對(duì)電網(wǎng)頻率顯容性的RLC負(fù)載，結(jié)合式3-11，式 3-12（ cf=5%），式3-13（ SMS=10° ）分別繪制出負(fù)載、 AFD 和 SMS 方法下的 -f 曲線圖51，如圖 3-4 所示。圖中的相角和為負(fù)載本征相角和 SMS 相角之和，即 ADD = +SMS。當(dāng)主動(dòng)移向算法中的強(qiáng)制偏移相位 SMS 被負(fù)載的本征頻率對(duì)應(yīng)的相角上拉或下拉為 0 時(shí)，ADD =0，則孤島檢測(cè)算法的擾動(dòng)被負(fù)載自身特性所抵消，系統(tǒng)維持在平衡工作狀態(tài)

9、，和曲線與橫軸的交點(diǎn)稱為穩(wěn)定工作點(diǎn)。若穩(wěn)定工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率在正常頻率范圍內(nèi)（49.5Hz-50.5Hz），則SMS法主動(dòng)檢測(cè)失效，進(jìn)入檢測(cè)盲區(qū)。圖中的 B 點(diǎn)為 AFD 法在該負(fù)載下的穩(wěn)定工作點(diǎn)。由于諧振頻率與電容C和電感L的值都有關(guān)系，所以采用 R-L-C 組合的形式計(jì)算或表示不同頻率對(duì)應(yīng)的檢測(cè)盲區(qū)顯得非常復(fù)雜。在文獻(xiàn)52中，作者將電阻值固定，把不同截?cái)囝l率下相對(duì)應(yīng)的電容值作為電感的函數(shù)曲線投影在平面顯示，以表示 AFD 法盲區(qū)范圍的大小，如圖 3-5(a)所示，其中相對(duì)電容值Cr是實(shí)際電容值與諧振頻率下的電容值之比?；蛘吡罱?cái)囝l率值固定，將不同電阻下的Cr-L曲線在 平面標(biāo)識(shí)出，如圖 3-

10、5(b)所示。在圖中，同一數(shù)值條件下的兩條曲線分別取決于頻率的上下限幅，兩曲線間的面積為該數(shù)值條件的盲區(qū)。當(dāng)負(fù)載狀態(tài)位于OFP/UFP 盲區(qū)與曲線盲區(qū)重合的面積部分時(shí)則說(shuō)明AFD主動(dòng)檢測(cè)法完全失效。圖 3-5 (上)負(fù)載電阻值固定，不同 cf 值下的 Cr-L 平面盲區(qū)示意圖 (下) cf 值固定，不同負(fù)載電阻值下的 Cr-L 平面盲區(qū)示意圖作為最早提出盲區(qū)概念，文獻(xiàn)52中用 Cr-L 平面來(lái)描述盲區(qū)的思路具有很大的突破性，然而在該方法中由于涉及過(guò)多的相互耦合的參量，讓盲區(qū)評(píng)估顯得非常復(fù)雜而不明確。且由于只能選取部分變量在圖中做展示，因此無(wú)法看出負(fù)載和頻率全局狀態(tài)下的檢測(cè)結(jié)果，不具備通識(shí)性而很

11、難對(duì)不同方法之間進(jìn)行橫向比較。為了讓盲區(qū)評(píng)估展現(xiàn)更直觀清晰的圖示比較，引入品質(zhì)因數(shù)Q（ f Quality Factor） 來(lái)描述負(fù)載的特性，Qf 定義如式3-14。Qf=0RC=ROL=RCL (3-14)負(fù)載相位角結(jié)合品質(zhì)因數(shù) Qf 和諧振頻率 fo 重新表示為式 3-15：load=-tan-1R1L-C=-tan-1Qff0f-ff0 (3-15)檢測(cè)盲區(qū)內(nèi)負(fù)載與主動(dòng)移頻法的等效移向角 AFD 相抵消，則有相角評(píng)判公式 3-16：load=AFD=0 (3-16)將式 3-15 代入式 3-16 并進(jìn)行三角函數(shù)轉(zhuǎn)換得：f02-tanAFDQfff0-f2=0 (3-17)求解關(guān)于 fo

12、 的二元一次方程，得到有效解如下：f0=f2QFtanAFD+tan2AFD+4QF2 (3-18)而根據(jù)式 3-18 可知 AFD 等效移向角 AFD 的表達(dá)式，將上一節(jié)提出的帶正反饋 的主動(dòng)移頻法 SFS 對(duì)應(yīng)的截?cái)囝l率公式（式 2-7），轉(zhuǎn)換為式 3-19。將AFD法取不同的截?cái)囝l率值， SFS 法取合適的 cfo 值和 k 值，代入式 3-18，令頻率分別為49.5Hz和50.5Hz 得到兩條 fo-Qf 曲線，對(duì)應(yīng)了三類不同參數(shù)AFD 方法和 SFS 方法的檢測(cè)盲區(qū)圖，如圖 3-6 所示。SFS=2cfk=2cf0+kf-fg (3-19)圖 3-6 AFD 方法下不同 cf 值的檢

13、測(cè)盲區(qū)圖由圖中可以看出，當(dāng)不加正反饋時(shí)，即 k=0 時(shí)，移頻方向無(wú)論取正方向 cf>0, 還是負(fù)方向 cf<0，得到的曲線間面積與被動(dòng)過(guò)/欠頻率 OFP/UFP法都有較大的重合 部分。特別是對(duì)應(yīng)與 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)要求的品質(zhì)因數(shù)Qf=2.5 的檢測(cè)負(fù)載，正向和負(fù)向的固定移頻方向的AFD 方法都會(huì)存在負(fù)載處于的檢測(cè)盲區(qū)內(nèi)。而對(duì)于加入正反饋的 SFS 方法，當(dāng) k 取值為 0.07，cf 取-5.4%時(shí)，其盲區(qū)對(duì)應(yīng)的最小品質(zhì)因數(shù)大于 2.5。 即當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)要求的檢測(cè)負(fù)載時(shí)，不在采用 SFS 方法的檢測(cè)盲區(qū)，在最苛刻的情況下也可以順利通過(guò)反孤島檢測(cè)。從某種程度來(lái)說(shuō)，該參數(shù)下的 SFS 檢測(cè)方法能夠徹底消除盲區(qū)。對(duì)主動(dòng)移向法采用相同的思路，將移向角由 SMS 代替 AFD，將公式 3-13 代入 式 3-18，取三類不同的 m 值，得到主動(dòng)移頻法對(duì)應(yīng)的盲區(qū)圖，如圖 3-7 所示：圖 3-7 SMS 方法下不同 m 值的檢測(cè)盲區(qū)圖從圖中可以看出當(dāng) m=10o 時(shí)剛好可以令 Qf=2.5 的負(fù)載不在檢測(cè)盲區(qū)，大于 10o 的移向角對(duì)應(yīng)的檢測(cè)盲區(qū)更小，對(duì)負(fù)載的