基于有功變化的主動頻移孤島檢測方法仿真分析及盲區(qū)產(chǎn)生機理報告

1、基于有功變化的主動頻移孤島檢測方法仿真分析及盲區(qū)產(chǎn)生機理報告2 基于有功功率變化的主動頻移孤島檢測方法緒論中介紹了各類孤島檢測技術(shù)，定性的分析了各自的優(yōu)缺點。本章將深入分析傳統(tǒng)孤島檢測方法失效的原因，給出具體的盲區(qū)分析以評價不同的孤島檢測算法。并在盲區(qū)分析的基礎(chǔ)上，提出基于有功功率盲區(qū)估計的改進(jìn)式孤島檢測算法，改進(jìn)算法能夠克服被動式檢測法盲區(qū)大，主動式檢測法擾動大的缺點。2.1 傳統(tǒng)孤島檢測使效的原因?qū)τ谌魏尾⒕W(wǎng)的分布式發(fā)電系統(tǒng)來說，功率都是以有功和無功的形式在本地負(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。逆變器檢測公共耦合點PCC處的電參量并利用鎖相環(huán)保證輸出與公共點 出電

2、壓同頻同相。無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)常常作為一個強壯的支撐系統(tǒng)來給光伏系統(tǒng)提供額外的有功和無功功率，來維持PCC 處的電壓運行在指定范圍內(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)載之間的有功和無功功率消耗和供給就會出現(xiàn)失衡，導(dǎo)致公共點處的電壓急劇下降或U-I無法鎖相，這些明顯的電參量變化即可以用來判斷孤島發(fā)生。理想條件下，本地負(fù)載

3、與光伏系統(tǒng)在有功和無功功率流上接近全匹配（式 3-1 和式 3-2），實現(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，PCC處也不會產(chǎn)生任何電參量的變化，這樣單純的檢測電參量變化則無法判定孤島的發(fā)生。2.2傳統(tǒng)孤島檢測盲區(qū)分析2.2.1被動檢測法 OVP/UVP 和 OFP/UFP 的盲區(qū)估計當(dāng)有功功率匹配度較高時，孤島發(fā)生后公共點處的電壓幅值不會出現(xiàn)明顯的波動。所以如果匹配度高到一定程度，波動的幅值沒有超過OVP/UVP 法的既定閾值， 則系統(tǒng)運行在盲區(qū)狀態(tài)

4、。下面對盲區(qū)的大小進(jìn)行估計。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，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 為公共點電壓的正常運

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/欠電壓檢測以電阻表示的盲區(qū)，即當(dāng)本地負(fù)載的等效電阻值在此范圍內(nèi)則被動電壓檢測法會失效。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)載對外顯示為純阻性，此時的頻率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，等效電容提供的無功與等效電感消耗的無功量相互抵消，則本地負(fù)載消耗的總無功功率為 0。在此情況下，電網(wǎng)斷開后的電壓頻率、相位和電壓電流PF也不會出現(xiàn)變化，即被動過/欠頻率法無法檢測出孤島?；蛘弋?dāng)孤島發(fā)生時，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)斷開后的頻率變化范圍沒有超出過/欠頻率法的設(shè)定閾值，為檢測盲區(qū)。fmin12LCfmax (3-10)由此，結(jié)合式3-7和式3-10和孤島檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，繪制電壓和頻率被動檢測法的盲區(qū)示意圖，如圖3-3所示。2.2.2 主動檢測

7、法 AFD 和 SMS 的盲區(qū)估計 當(dāng)電網(wǎng)失電時，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?？紤]到電網(wǎng)斷開瞬間的負(fù)載變化不會太大，結(jié)合矢量圖可知，相角差只與運行時的電流頻率有關(guān)，如式3-11所示。=-tan-1(R(2fC-12fL) (3-11)在主動移頻的AFD 法中，電流的頻率發(fā)生偏移而初始相角不變，而在過零點處相位與電壓相位存在一定的相角。通過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)而對于主動移向的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)主動移向算法中的強制偏移相位 SMS 被負(fù)載的本征頻率對應(yīng)的相角上拉或下拉為 0 時，ADD =0，則孤島檢測算法的擾動被負(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稱為穩(wěn)定工作點。若穩(wěn)定工作點對應(yīng)的頻率在正常頻率范圍內(nèi)（49.5Hz-50.5Hz），則SMS法主動檢測失效，進(jìn)入檢測盲區(qū)。圖中的 B 點為 AFD 法在該負(fù)載下的穩(wěn)定工作點。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 組合的形式計算或表示不同頻率對應(yīng)的檢測盲區(qū)顯得非常復(fù)雜。在文獻(xiàn)52中，作者將電阻值固定，把不同截斷頻率下相對應(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，其中相對電容值Cr是實際電容值與諧振頻率下的電容值之比?；蛘吡罱財囝l率值固定，將不同電阻下的Cr-L曲線在 平面標(biāo)識出，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)重合的面積部分時則說明AFD主動檢測法完全失效。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多的相互耦合的參量，讓盲區(qū)評估顯得非常復(fù)雜而不明確。且由于只能選取部分變量在圖中做展示，因此無法看出負(fù)載和頻率全局狀態(tài)下的檢測結(jié)果，不具備通識性而很

11、難對不同方法之間進(jìn)行橫向比較。為了讓盲區(qū)評估展現(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)檢測盲區(qū)內(nèi)負(fù)載與主動移頻法的等效移向角 AFD 相抵消，則有相角評判公式 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 的主動移頻法 SFS 對應(yīng)的截斷頻率公式（式 2-7），轉(zhuǎn)換為式 3-19。將AFD法取不同的截斷頻率值， 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，對應(yīng)了三類不同參數(shù)AFD 方法和 SFS 方法的檢測盲區(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、測盲區(qū)圖由圖中可以看出，當(dāng)不加正反饋時，即 k=0 時，移頻方向無論取正方向 cf>0, 還是負(fù)方向 cf<0，得到的曲線間面積與被動過/欠頻率 OFP/UFP法都有較大的重合 部分。特別是對應(yīng)與 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)要求的品質(zhì)因數(shù)Qf=2.5 的檢測負(fù)載，正向和負(fù)向的固定移頻方向的AFD 方法都會存在負(fù)載處于的檢測盲區(qū)內(nèi)。而對于加入正反饋的 SFS 方法，當(dāng) k 取值為 0.07，cf 取-5.4%時，其盲區(qū)對應(yīng)的最小品質(zhì)因數(shù)大于 2.5。 即當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)要求的檢測負(fù)載時，不在采用 SFS 方法的檢測盲區(qū)，在最苛刻的情況下也可以順利通過反孤島檢測。從某種程度來說，該參數(shù)下的 SFS 檢測方法能夠徹底消除盲區(qū)。對主動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，得到主動移頻法對應(yīng)的盲區(qū)圖，如圖 3-7 所示：圖 3-7 SMS 方法下不同 m 值的檢測盲區(qū)圖從圖中可以看出當(dāng) m=10o 時剛好可以令 Qf=2.5 的負(fù)載不在檢測盲區(qū)，大于 10o 的移向角對應(yīng)的檢測盲區(qū)更小，對負(fù)載的