抛物线型滑模频移孤岛检测方法的参数优化.pdf

第 5 0卷 第 6期 2 0 1 6年 6月 电力电子技 术 Po we r Elec t r o nics Vo 1 5 0 ， N o 6 J u n e 2 0 1 6 抛物线型滑模频移孤岛检测方法的参数优化 丁 浩 ，魏艳君 ，袁 精 ，漆 汉宏 ( 燕山大学， 电气工程学院，河北秦皇岛0 6 6 0 0 4 ) 摘要 ： 孤岛检测是并网型光伏逆变器接入分布式发 电系统的一个重要要求， 其性能的优劣直接影响逆变器的 安全可靠运行。 孤岛检测的性能取决于所采用的孤岛检测策略， 而其中参数的合理设置至关重要。 分析了抛物 线型滑模频移( P S MS ) 孤 岛检测法的工作原理 ， 通过对公共耦合点( P C C ) 电压频率在电网失压后偏移轨迹 的分 析。 推导出不 同参数下 P S MS算法孤岛检测的盲区分布 ， 并详细给出了无检测盲区的相关参数的优化过程 。最 后 通过实验验证 了该方法的正确性及可靠性。 关键词： 光伏逆变器 ：孤岛检测 ；抛物线型滑膜频移 中图分类号 ： T M 4 6 4 文献标识 码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 1 0 0 X( 2 0 1 6 ) 0 6 0 0 5 1 0 4 Pa r a me t e r Op t im iz a t io n o f Pa r a b o lic S lid e - mo d e Fr e q u e n cy S h if t I s la n d in g De t e ct io n M e t h od D I N G H a o ，WE I Y a n - j u n，Y U A N J in g ，Q I Ha n - h o n g ( Y a n s h a n U n w e ni ，Q i n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4，C h i n a ) Ab s t r a ct ： An i mp o r t a n t r e q u ir e me n t f o r t h e co n n e ct i o n o f g r id - co n n e ct e d p h o t o v o h a i c i n v e rt e r t o the d i s t r ib u t i o n n e t w- o r k s is the ca p a b i li t y o f i s la n d i n g d e t e ct io n T h e a d v ant a g e and d is a d v a n t a g e o f the d e t e cti o n p e r f o r ma n ce d i r e ct ly r e l- a t e the s a f e r e l iable o p e r a tio n o f t h e d - co n n e ct e d in v e rt e r The p e rf o r m ance of i s la n d i n g d e t e ct i o n me t h o d is s u b j e ct e d t o t h e a d o p t e d s t r a t e g y a n d r e la t e d t o t h e rea s o n abl e p a r a me t e r s e t ti n g Th e me ch an i s m of p a r a b o l i c s li d e - mo d e f req u e n cy s h i f t ( P S M S )me tho d is ana ly z e d B a s e d o n a n al y s is the f r e q u e n cy d e v i a tio n i n d d i s co n n e ct e d ， the r e l a tio n s h ip b e t w e e n t h e n o n - d e t e cti o n z o n e a n d d i ff e ren t p ara me t e r s w ith P S MS me thod i s d e d u ce d Th e d e t a i le d p r o c e s s f o r p a r a - me t e r o p t i miz a t i o n i s p res e n t e d F in al l y， t h e e x p e ri me n t a l res u lt s v e r i f y the v al i d i t y and reli ab i l it y o f t h e P S MS me t h o d Ke y wo r d s ： p h o t o v o h a ic in v e rte r ；i s la n d i n g d e t e ct i o n；p a r a b o l ic s l id e - mo d e f req u e n cy s h i f t F o u n d a t io n P r o j e ct ： S u p p o rt e d b y R e s e a r ch F u n d fo r the D o ct o r al P r o g r a m of H i g h e r E d u ca tio n of C h i n a( N 0 2 0 1 2 1 3 3 3 1 1 0 0 0 7 ) ； A p p l ie d B a s i c R e s e a r ch P r o g r am s o f S ci e n ce and T e ch n o bgy C o m mi s s i o n F o u n d ati o n of H e b e i P r o v i n ce ( N o 1 3 9 6 4 3 0 4 D) 1 引 言 并网逆变器作为光伏 并网发 电系统和 电网的 接 口设备， 具有连接电网、 传递能量的作用【” 。孤岛 检测 是光 伏逆变器并网时必须具备 的功 能 。其性 能优劣直接关系到系统的安全可靠运 。基于 并网逆变 器的孤岛检 测方法主要有被动 式和主动 式【 。主动式 由于 能减小或 消除检测 盲 区而 被广 泛应用 但人为对逆变器的输 出施加扰动会对 电能 质量产 生影响。因此 ， 在无盲 区的前提 下 ， 如何降 低主动检测法对 电能质 量的影响值得 深入研 究。 基金 项 目 ： 高等 学校 博 士 学科 点专 项科 研 基金 ( 2 0 1 2 1 3 3 3 1 1 0 0 0 7) ； 河 北 省 应 用 基 础 研 究 计 划 重 点 基 础 研 究 项 目 ( 1 3 9 6 4 3 O 4 D) 定稿 日期 ： 2 0 1 5 一 l1 04 作者简 介 ： 丁 浩 ( 1 9 8 5 一 ) ， 男， 山东 日照人 ， 博士研 究 生， 研 究方 向为 电力电子功 率变换与控 制、 新能 源并 网发 电技 术。 滑 模频 率偏 移法 ( S MS ) 【 4 】 算 法 由于 对 电能质 量 的影 响小 。能消除特 定负载 品质 因数 以下 的检 测盲 区及在 多级并联情况下不存在稀释效应而备 受青 睐。但传统 S MS检测方法的检测速度 取决于 负载 品质 因数 ，随着负载 品质 因数 的不 断增大 ， S MS 算法检测 出孤 岛的时间急剧变长 甚至超过 并网标准规 定的 2 S 。而 P S MS算法根据抛物 线顶 点处斜 率无 穷大的固有特 点 ， 解 决了上述 问题 ， 因 此 ， 该方法提高 了孤 岛检测 的快速性 ， 同时保持传 统算法无检测盲 区且对 电能质量影 响小的优 点【 5 。 孤 岛检测性 能的优劣不仅取 决于所采用 的孤 岛检 测策略， 而且取决于检测策略中参数的设置， 不恰 当的参数 设置直接导致检测失败 甚至给 电网带 来灾难性 的事 故 。此处在研 究 P S MS算 法工作原 理的基础上 ， 分 析 了电网失压后 P C C电压频率 的 偏移轨迹 ，推导了算法参数设置与盲区分布间的 关系， 为 P S M S 算法的参数优化提供了理论依据。 51 第 5 0卷第 6期 2 0 1 6年 6月 电 力 电子 技 术 P o we r E le ct r o n ics Vo 1 5 0，N o 6 J u n e 2 0 1 6 2 工作 原理 传统 S M S算法中起始相位为： O s e = i n ( 号 警 ) ( 1 ) 式 中：，为 P C C电压的频率 为电网频率 ； 6 l n 为偏移相角 的幅值 ， 根据我国电网标准 ， 0 = I I 。 时， 能够消除负载品质 因数 Q f 2 5 下的检测盲区。 在 P S M S算法中， 将式( 1 ) 表示的正弦型相位 偏移曲线改为开 1：3 向左右的抛物线 ， 如图 1 所示， 对应 的起始相位为 ： ： ，_， ( 2 ) t - o v f cf 。| ( d 0 t d f ) I x , 则 为不稳定点； 若( d 0 u = d d f ) I ( d ) I ， 则 为稳定点。 由图 l可见， 无论 Q f 变得多大， 负载反相频特 性 曲线在 G点处的斜率始终远小于孤岛相位偏移 曲线在 G点处的斜率 ( 为无穷大) ， G点一直处于 严重不稳定的状态。相比传统 S M S算法， 负载工 5 2 作点会 以更快的速度从 G点向着稳定点的方 向 运动， 这使得孤岛发生后 P C C电压的频率可从电 网频率处快速切出， 检测时间势必能大幅度缩短。 此 时， 如果参数设置得 当 ， 使得系统重新达到稳定 时的系统工作频率超出 】 范围时， 则会触发 O F P U F P保护 ， 从而检测到孤岛。 4盲 区分析 P S M S算法下孤岛进入检测盲区应满足 ： 孤 岛相位偏移 曲线 和负载反相频特性 曲线 的交 点是稳定交点 ； 交点对应的频率厂 处于 】 之 内 ， 即： = 盯 ct a l l 【 Q f 】 = 】 d s 由式 ( 3 ) 可得 ： I O r f ) ( ta rI Q f) 一 1 = 0 厶 f 4 【 Q f ( 1 f + f J f) 1 + q ? - =， 解式( 4 ) 中第 l 式可得 ： f o = 厂 ，fo E m m 】( 5 、 一 n ， ，一 v v l J 、 一 将 式( 5 ) 代入式 ( 4 ) 中第 2式可得 ： t a n 2 O 2 d r s M s + 4 rO f 2 一 ， ( 6 ) 8 e c 厂 上式可进一步化简为 ： k。 、 t a n s M s + 4 。 式( 5 ) 中的 可看作是关于，的函数 ， 将式( 5 ) 两端对 厂 求导并化简得： 监 ： 上f 1m - 1 一 一 2 Q f t a n Z O r s a s + 4 Q f2 ( t B n 嗍 一 、 t a n s M s + 4 Q ) ( 8 ) 由于存在以下关系： 矿 l t a Il l t a n 9 ) 可得 ： t a n 措 一 、 t a n s M s + 4 Q 0 ( 1 0 ) 由式( 7 ) 和式( 1 O ) 可判断式( 8 ) 的正、 负情况 ， 即： d f J d f 0 。因此 在区间 】 上是增函数 ， 由式 ( 5 ) 可得 ： 血 2 Q f J 。 ! = 2 2 0 式( 1 1 ) 即为 P S M S算法 的检测盲区 ， 其盲 区 如图2所示( 图中两曲线之间的部分为盲区) 。 抛物 线型 滑模频 移孤 岛检 -测 方法的 参数优 化 图 2 P S MS算 法 的检测 盲 区图 F i g 2 No n - d e t e ct i o n z o n e o f P S MS a lg o r i t h m 图 2中交点 的横纵坐标 ， Q 撕如下所示 ： t a n ) ( 2 Q ( 1 2 ) N t a n 2 6 rs m ( f z ) + 4 Q - t a n ) ( 2 Q 解 式 ( 1 2 ) 得 ( 以下将 ) 和 ) 分 别简记 为 和 ) ： l Q 甜 = 【 f = ff m ) f ffi t a n 0 m = - f m t a n 0 m， I ) X f m ta n O = = - f = = t a n O ， ) 、 a n a n ) 0 0a n 铀a I l ) f ( 1 3 ) 5 参数 优 化 结合式 ( 2 ) 和式 ( 1 3 ) ， 可得 P S MS算法盲 区两 边界线的交点为： j ) 】 ta n ( 1 4 ) 、 厶 要 使 P S MS算 法在 2 5时不存 在 检测 盲 区 。 且 尽量减 少对 电能质量的影响 ， 可令 ： t a n ) = 2 5( 1 5 ) _ ， m_Jrai n 结合式 ( 2 ) 可得 ： = 塑 【 ： ( 1 6 ) 将A , = 5 o H z 厶 = 4 9 5 H z = 5 0 5 H z 代入上 式可得 ： = 0 0 7 0 7 4 0 5 。 。 = 4 0 5 。 下 P S MS算 法的检测盲区如图 3 所示。 可见 ， 取 4 0 5 。 可消 除 Q f 2 5时的检测盲区 。 图 3 P S MS算法下的检测盲区 F i g 3 No n - d e t e ct io nl l e o f P S MS al g o r i thm 图 4示出采用 P S MS 算法在电网频率波动下 相位差 和输出功率因数 A的变化情况。 取 4 0 5 ，同时考 虑到 电 网频 率 在其 额 定值 附近 有 O 2 H z偏差。可见 ， 电网频 率在 4 9 8 - 5 0 2 H z 范围内波动时。由 P S M S 算法产生的最大相位差 约 为 1 0 ， 对 应 的 A不低 于 0 9 9 9 5 ， 在器 件 、 噪声等都能影响两三度相位差的情况下 ，完全可 忽略 P S M S算法对 A的影响。 图 4 电网频率存在波动时的 A O和 A F ig 4 A0 a n d A wh e n de q u e n cy fl u ct u a t io n 图 5为电网频率波形和并网电流的总谐波畸 变 率 ( T H D) 波 形 设 置 电网频 率在 4 9 8 5 0 2 H z 范围 内每 隔一个 工频周期 随机 波动 。可见 ， P S MS 算 法的加入 ( = 4 0 5 。 ) 会在一定程度 上影响并 网 电流 的 T HD， 但 影 响程度 很 小 ， 在 并 网 电流 T HD 本就较小的前提下该 T H D值及各次谐波值并不 会因此 而超出规定的阈值 。综合逆变器输 出功率 因数和 并 网 电流 T HD两 方面 可见 ， P S MS算 法下 取 4 0 5 。 时 ， 能够 提高孤 岛检测速 度 ， 同时保持 了传统 S MS算法对 电网污染小 的特点。 上 4 5 荃 2 O 加ASMs ” - - L ： 一 一 1 - t 未加i 孤 岛j 章 法 t s t ls ( a ) 电 网频 率 波形 ( b ) 并 网 电流 的T H D 波 形 图5 及 T H D波形( 对 比3种情形) F i g 5 a n d T H D( co m p a r is o n o f thr e e co n d i t io n s ) 6 实验验 证 将所提优化方法得 出的参数应 用于单 台三相 并网逆变器上，进行了实验验证。具体参数设置 为 ： 电网电压 峰值 1 2 0 V， 频率 5 O H z ， 直流母 线 电 压为 2 7 0 V， 逆变器 工作频率为 2 0 k Hz ， 输 出 电流 设为 5 A。 交流侧滤波电感为 3 m H、 滤波 电容为 9 9 p F 。采用防孤 岛实验检测装置 AC L T 一 3 8 0 3 H， 能够 快速 配置 出三 相 并联 R L C负载 的 品质 因数 和谐振频率。实验中， P S M S算法取最优化参数 = 4 0 5 。 ， 并分别设置 Q f = 2 5和 Q f = 2 进行实验验 证 。实验结果如 图 6 a ， b所示 。 5 3 一 。 一 町 。 r 5 5 7 9 9 9 9 9 0 t ， 第 5 O卷 第 6期 2 0 1 6年 6月 电力 电子 技 术 P o we r E le ct r o n ics Vo 1 5 0，No 6 J u n e 2 01 6 0 m = 4 0 5 。 ， 当孤岛发生时， 系统工作频率将迅 速切 出电网频率 。其频率 曲线在切 出点的斜 率大 于零 。因此 ， 在 Q f = 2 5和 Q f = 2都能快速检 测到孤 岛状态 ， 验证了 P S MS算法的快速 性。 f ( 1 0 0 m s 格) ( a ) 0 p m = 4 0 5 。 ， Q f = 2 5 时的 实验波形 f 2= 套 t ( 5 0 ms 格)t ( 5 0 0 ms 格) ( b ) 0 p m - 4 0 5 。 ， Qf = 2 时的实验波形 ( C ) 0 p m = 3 2 4 , Q f = 2 5 时的实验波形 图 6实验波 形 F ig 6 Ex p e ri me n t a l wa v e for ms 为验证参数优化的合理性 ， 将 Q f = 2代入式( 1 4 ) 计算所得 = 3 2 4 。 ，将参数设 置为 = 3 2 4 。 ， Q f = 2 5， 其 他参数 保持 不变 。 实验 结果 如 图 6 c 所示 。 实验结 果显示系统 频率偏移 到 5 0 2 H z时达到稳 定 ， 孤 岛检 测失败 ， 与 理论预 期情况相符 。 因此 ， = 4 0 5 。 是 能在 Q 2 5时无盲 区检测 到孤 岛的 最小值 ， 同时对 A和 T H D的影响也最小。 7 结 论 分析 了抛物线 型滑模 频移孤 岛检测法 的工作 原理 。 在 此基础上分 析了 P C C电压 频率在 电网失 压后偏移轨迹 以及盲 区分布 ，并详细 给出 了在指 定 品质 因数下 。无检测盲 区的相 关参数的优化过 程 ， 为 P S MS算法优化提供 了可靠的理论指导。 实验 结果验证 了所提参数优化方法 的正确性及有效性。 参考 文献 1 】 We i w e i L i， X in bo R u a n ， D o n g h u a P a n ， e t a 1 F u ll- f e e d f o r w a r d S ch e me s o f Gri d Vo l t a g e s f o r a T h r e e -p h a s e L C L- t y p e G r id co n n e ct e d I n v e r t e r J I E E E T r a n s o n I n d u s - t ria l E le ct r o n ics ， 2 0 1 3 ， 6 0 ( 6 ) ： 2 2 3 7 2 2 5 0 【 2 】 刘芙蓉， 王辉 ， 康勇， 等 滑模频率偏移法 的孤岛 检测盲区分析 J 】 电工技术学报 ， 2 0 0 9， 2 4 ( 2 ) ： 1 7 8 1 82 【 3 T e o d o r e s cu R， L i s e r r e M， R o d r i g u e z P G r i d C o n v e rt e rs f o r P h o t o v o h a ic a n d Wi n d P o w e r S y s t e ms M H o b o k e n ： J o h n W ile y S o n s 2 0 1 1 4 L iu F ， K a n g Y， Z h a n g Y， e t a 1 I mp r o v e d S M S I s l a n d i n g D e t e ct i o n Me t h o d fo r G r id - co n n e ct e d C o n v e r t e r s J I E E E T r a n s o n R e n e w a b l e P o w e r G e n e r a t i o n ， 2 0 1 0 ， 4 ( 1 ) ： 3 6 - 42 5 】 丁浩 ， 何宇 ， 漆 汉宏 ， 等 基 于抛物 线 型 S MS算法 的孤 岛检 测 J 电工技 术学 报 ， 2 0 1 3 ， 2 8( 1 0 ) ： 2 3 3 2 40 ( 上接第2 5页) 整个过 渡过程 线性均匀 ； 图 7 b为稳 态过程 中两种方法转矩精度对 比实验 结果。 由于 实 际数字 处理系统存 在 的控制 延时 、参 数 失准 ， V S I 功 率跟踪精度显著 降低 ，其功 率波动范 围达 到 5 8 。鲁棒无差拍控制则始终保持较优异 的 功率跟踪效果 ，其在全功率段范 围 内跟踪误 差均 小于传 统无差拍控制方法 ，实验结果进一步验证 了前文理论分析 的正确性 。 图 7 特性对比波形 F ig 7 T h e ch a r a ct e r is t ics co n t r a s t wa v e fo