本發(fā)明涉及光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制領域，具體涉及一種基于無盲區(qū)自適應AFDPF算法的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島檢測方法。

背景技術：

隨著全球能源戰(zhàn)略的深入發(fā)展，新能源的應用逐漸成為研究熱點。光伏資源作為最為豐富的可再生能源之一和重要清潔能源，其發(fā)展對于解決石化能源緊缺和嚴峻的環(huán)境問題有深遠影響。光伏應用的最重要部分是光伏并網(wǎng)發(fā)電。

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的應用中，由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因造成電網(wǎng)中斷供電時，各個光伏并網(wǎng)發(fā)電節(jié)點與本地負載連接將會處于獨立運行狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為孤島效應。當發(fā)電系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)時，會對設備造成損壞，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行、影響人民的生產(chǎn)生活。隨著光伏分布式發(fā)電系統(tǒng)的廣泛接入，保障光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的安全運行的重要性尤為突出，孤島問題亟待解決。

孤島檢測按照檢測端位置區(qū)分可分為電網(wǎng)端檢測和逆變器端檢測，其中逆變器段檢測由分為主動式和被動式兩種檢測方法。電網(wǎng)側(cè)檢測方法雖然檢測效果最好，但是受限于現(xiàn)在我國電網(wǎng)與智能電網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀，當前此類方法實現(xiàn)的可能性非常低。逆變器側(cè)檢測中，被動式孤島檢測工作原理簡單，易于實現(xiàn)，但在逆變器輸出功率與負載功率相近時則檢測失效，存在較大的檢測盲區(qū)。相對而言，主動式檢測從原理上來講，減小了檢測盲區(qū)，提高了檢測效率，大大的增強了檢測的可靠性，但是主動式檢測難以做到無盲區(qū)與保證電能質(zhì)量兼顧。

技術實現(xiàn)要素：

為了進一步的消除檢測盲區(qū)，降低對電能質(zhì)量的影響，本發(fā)明提出了一種基于無盲區(qū)自適應AFDPF算法的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島快速檢測方法。

本發(fā)明為解決上述問題采取的技術方案是：所述基于無盲區(qū)自適應AFDPF算法的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島快速檢測方法的具體步驟為：

步驟a、對光伏逆變器輸出電流的頻率加入初始擾動；

步驟b、通過鎖相PLL采集電路獲取光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)的公共耦合點電壓過零時的電壓頻率f_PCC，判斷電網(wǎng)公共點電壓頻率是否超越光伏并網(wǎng)穩(wěn)定運行情況下的頻率波動范圍，如果：

在波動范圍內(nèi)，返回步驟a；

不在波動范圍內(nèi)，正反饋增益引入截斷系數(shù)公式cf＝cf₀+k·sin(f_PCC-f_g)；

其中，cf₀為初始擾動頻率，k為正反饋增益，f_PCC為PCC點的電壓頻率，f_g為電網(wǎng)額定頻率；

步驟c、更新頻率擾動方向：根據(jù)鎖相PLL電路檢測公共耦合點電壓過零時的頻率f_PCC，利用(f_PCC-f_g)的符號來確定頻率偏移方向，如果：

f_PCC-f_g≥0，頻率向上偏移；

f_PCC-f_g＜0，反之則向下偏移；

步驟d、判斷電網(wǎng)公共點電壓頻率f_PCC是否滿足f_min≤f_PCC≤f_max，其中f_min和f_max為觸發(fā)電網(wǎng)頻率異常保護的閾值，如果：

滿足，返回步驟a；

不滿足，判定為出現(xiàn)孤島效應，給逆變器發(fā)出跳閘信號。

進一步地，所述步驟a中對電流頻率加入的初始擾動是截斷系數(shù)為初始截斷系數(shù)即cf₀＝0.02時對應的擾動。

進一步地，所述步驟b中光伏并網(wǎng)穩(wěn)定運行取電網(wǎng)頻率穩(wěn)定度優(yōu)于0.1％的情況，即頻率波動范圍為50Hz±0.05Hz。

進一步地，所述步驟b中截斷系數(shù)的正反饋增益確立為為本地負載阻抗角，f_g為電網(wǎng)額定頻率。

進一步地，所述步驟d中頻率異常保護閾值f_min和f_max分別為49.5Hz和50.5Hz。

有益效果：

第一，通過推導盲區(qū)與增加的擾動的關系得到添加擾動的正反饋系數(shù)與頻率之間的關系，進而根據(jù)對公共耦合點電壓頻率的檢測與分析，從而可以使擾動的方式以及擾動量的參數(shù)進行率自適應的調(diào)整，一旦檢測到并網(wǎng)公共點電壓頻率超出頻率保護動作閾值就可以判定孤島發(fā)生，有效地消除了傳統(tǒng)主動式頻移檢測的檢測盲區(qū)，而且一定程度上提高了檢測效率。

第二，在實現(xiàn)參數(shù)根據(jù)頻率自適應變化的同時，在傳統(tǒng)AFDPF基礎上，將反饋擾動的增量變?yōu)槠湓档谜抑担斣诜答佋隽繕O小時并沒有區(qū)別，當反饋增量較大時則起到了減小反饋增量的作用，一定程度上避免了較大反饋增量下的擾動信號對電網(wǎng)造成較大的諧波污染，從而對提高電能質(zhì)量有了一定的作用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的孤島檢測方法流程圖；

圖2是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)圖；

圖3是圖3是改進的AFDPF算法在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出與負載消耗達到功率平衡時仿真結(jié)果分析圖；

圖4是傳統(tǒng)的AFDPF算法在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出與負載消耗達到功率平衡時PCC點電壓和并網(wǎng)電流的仿真結(jié)果分析圖；

圖5是改進的AFDPF算法與傳統(tǒng)AFDPF在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出與負載消耗功率不平衡時的仿真對比分析圖；

圖6是改進的AFDPF算法與傳統(tǒng)AFDPF在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出與負載消耗功率不平衡時并網(wǎng)電流的諧波對比分析圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式的基于無盲區(qū)自適應AFDPF算法的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島檢測方法如圖1所示，具體步驟為：

步驟a、對光伏逆變器輸出電流的頻率加入初始擾動，初始擾動的截斷系數(shù)設為cf₀＝0.02；

步驟b、通過鎖相PLL采集電路獲取光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)的公共耦合點電壓過零時的電壓頻率f_PCC，判斷電網(wǎng)公共點電壓頻率是否超越光伏并網(wǎng)穩(wěn)定運行情況下的頻率波動范圍50Hz±0.05Hz，若在波動范圍內(nèi)，則返回步驟a進入循環(huán)，若不在波動范圍內(nèi)則對截斷系數(shù)引入正反饋，即：

cf＝cf₀+k·sin(f_PCC-f_g) (1)

截斷系數(shù)中的正反饋增益公式如式(2)所示：

其中：為本地負載阻抗角；f_g為電網(wǎng)額定頻率；

步驟c、更新頻率擾動方向：根據(jù)鎖相PLL電路檢測公共耦合點電壓過零時的頻率f_PCC，利用(f_PCC-f_g)的符號來確定頻率偏移方向，若f_PCC-f_g≥0則頻率向上偏移，反之則向下偏移；

步驟d、判斷電網(wǎng)公共點電壓頻率f_PCC是否滿足f_min≤f_PCC≤f_max，其中f_min和f_max為觸發(fā)電網(wǎng)頻率異常保護的閾值，分別為49.5Hz和50.5Hz；若滿足則返回步驟a進入循環(huán)，若不滿足，則說明孤島已發(fā)生，判定為出現(xiàn)孤島效應，給光伏逆變器發(fā)出跳閘信號。

本發(fā)明針對傳統(tǒng)的AFDPF算法存在檢測盲區(qū)的缺點，對其檢測盲區(qū)進行分析。由于在研究和測試孤島性能時，通常用并聯(lián)RLC來模擬本地負載，若想要消除盲區(qū)，則需在最惡劣的情況下做到有效快速的檢測出孤島的發(fā)生，也就在模擬負載RLC的諧振頻率與電網(wǎng)額定頻率相同時，電網(wǎng)斷路器斷開后，此時公共耦合點處的頻率變化非常小，通過檢測頻率判定是否發(fā)生孤島最為艱難。根據(jù)這種分析，則要求f＝f_PCC＝f_g時AFDPF算法所添加的擾動使逆變器輸出電流的主動頻移角比RLC負載的相角增加的更快，則要求：

其中：RLC并聯(lián)模擬負載的相角如式(4)所示：

AFDPF算法所添加的擾動使逆變器輸出電流的主動頻移角，如式(5)所示：

由式(3)、(4)、(5)推導出檢測無盲區(qū)時反饋增益的取值范圍，如式(6)所示：

考慮到電網(wǎng)斷網(wǎng)瞬間是個很小的值，則則有如式(7)所示：

將式(7)帶入式(6)中可以得到正反饋增益k與本地負載阻抗角之間的關系式，如式(2)所示，根據(jù)斷網(wǎng)后不同頻率，以及不同頻率下對應的變化，對正反饋增益k進行自動調(diào)整，從而達到消除檢測盲區(qū)的目的。

本實施方式針對傳統(tǒng)的AFDPF算法中擾動信號對電網(wǎng)注入較大諧波的問題，對截斷系數(shù)進行了進一步的改進，用sin(f-f_g)代替截斷系數(shù)正反饋的頻率偏差函數(shù)Δf＝f-f_g。由于截斷系數(shù)的大小代表了加入擾動大小，因而反饋增加的頻率偏差函數(shù)一定程度上增加了對電網(wǎng)注入的擾動，考慮到根據(jù)我國電力系統(tǒng)頻率允許偏差的規(guī)定電力系統(tǒng)正常頻率標準為50Hz±0.2Hz，即便在電力系統(tǒng)非正常運行的情況下，根據(jù)規(guī)定電網(wǎng)頻率偏差應≤1.0Hz，滿足sin(f-f_g)與f-f_g近似相等的條件，因而本實施方式在算法中采用sin(f-f_g)代替f-f_g。在穩(wěn)定運行的情況下f-f_g基本接近于0，此時sin(f-f_g)與f-f_g數(shù)值幾乎相同；當頻率發(fā)生較大偏移的情況下，sin(f-f_g)比f-f_g取值較小，也就是減小了截斷系數(shù)的頻率偏差增量，從一定程度上避免了引入過大的擾動信號，能有效地抑制擾動注入電網(wǎng)的諧波進一步增加。

本實施方式在傳統(tǒng)AFDPF算法的基礎上添加了判斷頻率擾動方向的環(huán)節(jié)，通過判斷f_PCC-f_g≥0或f_PCC-f_g＜0確定頻率的偏移方向，當f_PCC-f_g≥0時，使頻率進一步向上偏移，當f_PCC-f_g＜0時，使頻率進一步向下偏移，從而使檢測速率進一步增加。

利用MATLAB/Simulink根據(jù)如圖2所示的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)圖，搭建的光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)模型，對本實施方式提出的基于參數(shù)自適應AFDPF算法的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島檢測方法進行仿真驗證。根據(jù)IEEE 929規(guī)定負載品質(zhì)因數(shù)為2.5，即對品質(zhì)因數(shù)小于等于2.5的所有負載能實現(xiàn)無盲區(qū)檢測即滿足要求，為模擬無盲區(qū)孤島檢測，需要設置仿真參數(shù)處于“盲區(qū)中央”，也就是模擬逆變器輸出與負載消耗達到有功平衡——電網(wǎng)失壓前后導致的波動最小的情況。經(jīng)計算，使RLC并聯(lián)負載在品質(zhì)因數(shù)等于2.5的同時令其諧振頻率等于電網(wǎng)工頻，使其在電網(wǎng)斷網(wǎng)后負載即達到新的穩(wěn)態(tài)，頻率變化最小，難以觸發(fā)頻率保護的閾值。因此，模型參數(shù)為：等效電源為理想直流電壓源，為400V；取電網(wǎng)電壓有效值220V(峰值為310V)；電網(wǎng)額定頻率為50.0Hz；濾波電感L＝5mH、R＝0.01Ω；整定負載品質(zhì)因數(shù)Q_f＝2.5；諧振頻率f＝50Hz；電網(wǎng)在0.1s斷開。

圖3所示為改進的AFDPF算法在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出與負載消耗達到功率平衡時仿真結(jié)果分析圖。圖3(a)為逆變器輸出電流與PCC點電壓的仿真結(jié)果波形圖，為便于觀察將圖中電壓峰值縮小為實際值的1/4。圖3(b)為PCC點電壓頻率的仿真變化波形圖。結(jié)果表明0.1s時電網(wǎng)斷網(wǎng)孤島發(fā)生，在0.198s時檢測出孤島逆變器斷開，從而證明該算法下的孤島檢測能有效地實現(xiàn)無盲區(qū)檢測。整個孤島檢測過程用時0.098s，檢測時間在滿足0.2s內(nèi)完成檢測的基礎上進一步縮短，保證了檢測的時效性。圖3(c)為該檢測算法中正反饋增益k值得變化，通過分析可以看出，k值在0.12s到0.14s也就是發(fā)生孤島之后的0.02秒時發(fā)生了變化，變?yōu)?.37成為一個較大的值，此時增加注入擾動的反饋增加，通過算法中擾動方向判定機制，對頻率的擾動方向進行了更新，從而在0.14s到0.16s的時間范圍內(nèi)變?yōu)橐粋€反方向較大的值0.24，進而在頻率增速增加，此時反饋增益降低為同時方向的0.037，控制頻率偏移增速的同時減小注入電網(wǎng)的擾動，從而防止持續(xù)較大的擾動下對電網(wǎng)電能造成嚴重污染。圖3(d)為該檢測算法下電流諧波含量THD的仿真分析結(jié)果，通過結(jié)果可以看出該算法下并網(wǎng)電流的諧波含量THD＝3.44％，符合IEEE 1547-2003對交流輸出諧波的要求THD≤5％，說明改進的AFDPF算法能保證對電網(wǎng)的電能質(zhì)量影響在合理的范圍內(nèi)。

圖4所示為傳統(tǒng)的AFDPF算法在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出與負載消耗達到功率平衡時PCC點電壓和并網(wǎng)電流的仿真結(jié)果分析圖。結(jié)果表明由于傳統(tǒng)的AFDPF算法存在盲區(qū)，在負載RLC組合取值使得逆變器輸出與負載消耗達到功率平衡時傳統(tǒng)的AFDPF算法孤島檢測失敗。

圖5所示為改進的AFDPF算法與傳統(tǒng)AFDPF在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出與負載消耗功率不平衡時的仿真對比分析圖。圖5(a)、(b)分別為改進AFDPF和傳統(tǒng)AFDPF仿真所得逆變器輸出電流與PCC點電壓的仿真結(jié)果波形圖，結(jié)果表明0.1s時電網(wǎng)斷網(wǎng)孤島發(fā)生，傳統(tǒng)AFDPF算法在0.241s時檢測出孤島斷開逆變器，而改進的AFDPF算法在0.182s時檢測出孤島斷開逆變器，改進后的主動式頻移算法將檢測時長提高了0.059s，從而證明了改進的AFDPF算法可以更快的檢測出孤島現(xiàn)象。

圖6所示為改進的AFDPF算法與傳統(tǒng)AFDPF在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出與負載消耗功率不平衡時并網(wǎng)電流的諧波對比分析圖。結(jié)果表明，功率不平衡情況時，傳統(tǒng)算法下并網(wǎng)電流的諧波含量THD＝2.53％，而改進的算法下并網(wǎng)電流的諧波含量THD＝1.59％，從而證明了改進的AFDPF算法具有更小的電流畸變率，減少了主動式頻移算法注入諧波對電網(wǎng)的干擾，一定程度上提高了電能質(zhì)量。