基于有功变化的主动频移孤岛检测方法仿真分析及盲区产生机理报告

1、基于有功变化的主动频移孤岛检测方法仿真分析及盲区产生机理报告2 基于有功功率变化的主动频移孤岛检测方法绪论中介绍了各类孤岛检测技术，定性的分析了各自的优缺点。本章将深入分析传统孤岛检测方法失效的原因，给出具体的盲区分析以评价不同的孤岛检测算法。并在盲区分析的基础上，提出基于有功功率盲区估计的改进式孤岛检测算法，改进算法能够克服被动式检测法盲区大，主动式检测法扰动大的缺点。2.1 传统孤岛检测使效的原因对于任何并网的分布式发电系统来说，功率都是以有功和无功的形式在本地负载和大电网之间流通，如光伏发电系统的功率流向图2-1所示。逆变器检测公共耦合点PCC处的电参量并利用锁相环保证输出与公共点 出电

2、压同频同相。无论采用何种控制策略，在 PCC 处，逆变器的输出电流与电压之间的功率因数 PF（Power Factor）都应该接近1。根据 IEEE 标准，通常电网公司允许注入的分布式电源的运行PF最小不能低于0.85。图 2-1 并网光伏发电系统的功率流向示意图大电网常常作为一个强壮的支撑系统来给光伏系统提供额外的有功和无功功率，来维持PCC 处的电压运行在指定范围内以保证本地负载工作在额定功率状态。所以一旦电网失去电压，则光伏系统和本地负载之间的有功和无功功率消耗和供给就会出现失衡，导致公共点处的电压急剧下降或U-I无法锁相，这些明显的电参量变化即可以用来判断孤岛发生。理想条件下，本地负载

3、与光伏系统在有功和无功功率流上接近全匹配（式 3-1 和式 3-2），实现了自我平衡，则并不需要电网给负载提供任何有功或无功。Pgrid=P=PLoad-Ppv=0 (3-1)Qgrid=Q=Qload-Qpv=0 (3-2)在这种状态下，即使电网断开，PCC处也不会产生任何电参量的变化，这样单纯的检测电参量变化则无法判定孤岛的发生。2.2传统孤岛检测盲区分析2.2.1被动检测法 OVP/UVP 和 OFP/UFP 的盲区估计当有功功率匹配度较高时，孤岛发生后公共点处的电压幅值不会出现明显的波动。所以如果匹配度高到一定程度，波动的幅值没有超过OVP/UVP 法的既定阈值， 则系统运行在盲区状态

4、。下面对盲区的大小进行估计。在采用恒电流控制策略的方式中，逆变器输出电流 Iinv 是固定值，电网失去电压时，PCC处的有功功率表示如下（注：公式中的电压电流均为 RMS 有效值，是标量故采用大写）：P=Vpcc2R=IinvVpcccos (3-3)公共点电压 Vpcc 由式3-4变换有表达式如下：Vpcc=IinvRcos (3-4)将式 3-4代入PCC处有功功率平衡关系式，可得：PloadPPV=Vg2/RPPV=Vg2/RVgIinvcos=VgRIinvcos=VgVPCC (3-5)Vg为电网额定电压有效值， 考虑到 Vmin<Vpcc<Vmax 为公共点电压的正常运

5、行范围，故将公式3-5代入不等式得到：VgVmax<VgVPCC=Vg2/RPpv<VgVmin (3-6)将不等式进一步变换为电阻不等式，可得到式3-7，即为过/欠电压检测以电阻表示的盲区，即当本地负载的等效电阻值在此范围内则被动电压检测法会失效。VgVminPpv<R<VgVmaxPpv (3-7)下面分析 OFP/UFP 法的盲区。图 3-2 为 RLC 并联负载的电压电流矢量图，其导纳表示为：Y=1R+jC+1jL=1R+j(C-1L) (3-8)在某一角频率下，C=1/L，则电纳为0，负载对外显示为纯阻性，此时的频率fo 被称为该电感电容值下的谐振频率，公式为

6、式3-9。f0=2=12LC (3-9)若本地 RLC负载的谐振频率等于电流的频率，等效电容提供的无功与等效电感消耗的无功量相互抵消，则本地负载消耗的总无功功率为 0。在此情况下，电网断开后的电压频率、相位和电压电流PF也不会出现变化，即被动过/欠频率法无法检测出孤岛。或者当孤岛发生时，本地负载的等效电压电容谐振频率正好在电压正 常工作频率范围内，满足式 3-10，则电网断开后的频率变化范围没有超出过/欠频率法的设定阈值，为检测盲区。fmin12LCfmax (3-10)由此，结合式3-7和式3-10和孤岛检测相关标准，绘制电压和频率被动检测法的盲区示意图，如图3-3所示。2.2.2 主动检测

7、法 AFD 和 SMS 的盲区估计 当电网失电时，逆变器与本地负载并联，电流电压相角差 完全取决于负载的固有特性。考虑到电网断开瞬间的负载变化不会太大，结合矢量图可知，相角差只与运行时的电流频率有关，如式3-11所示。=-tan-1(R(2fC-12fL) (3-11)在主动移频的AFD 法中，电流的频率发生偏移而初始相角不变，而在过零点处相位与电压相位存在一定的相角。通过傅立叶分析可知电流的基波分量i1 超前电流的相位为 tz/2(rad)，由此主动移频法的等效偏移相角 AFD 公式为式3-18。AFD=tz2=2Tgridtz2=2cf (3-12)而对于主动移向的SMS法，相角偏移量由公

8、式2-8决定，代入常量 fgrid=50Hz 并令 fm=52.5Hz 得到式 3-13。SMS=msin(2f-50HZ2.5HZ) (3-13)选择一组对电网频率显容性的RLC负载，结合式3-11，式 3-12（ cf=5%），式3-13（ SMS=10° ）分别绘制出负载、 AFD 和 SMS 方法下的 -f 曲线图51，如图 3-4 所示。图中的相角和为负载本征相角和 SMS 相角之和，即 ADD = +SMS。当主动移向算法中的强制偏移相位 SMS 被负载的本征频率对应的相角上拉或下拉为 0 时，ADD =0，则孤岛检测算法的扰动被负载自身特性所抵消，系统维持在平衡工作状态

9、，和曲线与横轴的交点称为稳定工作点。若稳定工作点对应的频率在正常频率范围内（49.5Hz-50.5Hz），则SMS法主动检测失效，进入检测盲区。图中的 B 点为 AFD 法在该负载下的稳定工作点。由于谐振频率与电容C和电感L的值都有关系，所以采用 R-L-C 组合的形式计算或表示不同频率对应的检测盲区显得非常复杂。在文献52中，作者将电阻值固定，把不同截断频率下相对应的电容值作为电感的函数曲线投影在平面显示，以表示 AFD 法盲区范围的大小，如图 3-5(a)所示，其中相对电容值Cr是实际电容值与谐振频率下的电容值之比。或者令截断频率值固定，将不同电阻下的Cr-L曲线在 平面标识出，如图 3-

10、5(b)所示。在图中，同一数值条件下的两条曲线分别取决于频率的上下限幅，两曲线间的面积为该数值条件的盲区。当负载状态位于OFP/UFP 盲区与曲线盲区重合的面积部分时则说明AFD主动检测法完全失效。图 3-5 (上)负载电阻值固定，不同 cf 值下的 Cr-L 平面盲区示意图 (下) cf 值固定，不同负载电阻值下的 Cr-L 平面盲区示意图作为最早提出盲区概念，文献52中用 Cr-L 平面来描述盲区的思路具有很大的突破性，然而在该方法中由于涉及过多的相互耦合的参量，让盲区评估显得非常复杂而不明确。且由于只能选取部分变量在图中做展示，因此无法看出负载和频率全局状态下的检测结果，不具备通识性而很

11、难对不同方法之间进行横向比较。为了让盲区评估展现更直观清晰的图示比较，引入品质因数Q（ f Quality Factor） 来描述负载的特性，Qf 定义如式3-14。Qf=0RC=ROL=RCL (3-14)负载相位角结合品质因数 Qf 和谐振频率 fo 重新表示为式 3-15：load=-tan-1R1L-C=-tan-1Qff0f-ff0 (3-15)检测盲区内负载与主动移频法的等效移向角 AFD 相抵消，则有相角评判公式 3-16：load=AFD=0 (3-16)将式 3-15 代入式 3-16 并进行三角函数转换得：f02-tanAFDQfff0-f2=0 (3-17)求解关于 fo

12、 的二元一次方程，得到有效解如下：f0=f2QFtanAFD+tan2AFD+4QF2 (3-18)而根据式 3-18 可知 AFD 等效移向角 AFD 的表达式，将上一节提出的带正反馈 的主动移频法 SFS 对应的截断频率公式（式 2-7），转换为式 3-19。将AFD法取不同的截断频率值， SFS 法取合适的 cfo 值和 k 值，代入式 3-18，令频率分别为49.5Hz和50.5Hz 得到两条 fo-Qf 曲线，对应了三类不同参数AFD 方法和 SFS 方法的检测盲区图，如图 3-6 所示。SFS=2cfk=2cf0+kf-fg (3-19)图 3-6 AFD 方法下不同 cf 值的检

13、测盲区图由图中可以看出，当不加正反馈时，即 k=0 时，移频方向无论取正方向 cf>0, 还是负方向 cf<0，得到的曲线间面积与被动过/欠频率 OFP/UFP法都有较大的重合 部分。特别是对应与 IEEE 标准要求的品质因数Qf=2.5 的检测负载，正向和负向的固定移频方向的AFD 方法都会存在负载处于的检测盲区内。而对于加入正反馈的 SFS 方法，当 k 取值为 0.07，cf 取-5.4%时，其盲区对应的最小品质因数大于 2.5。 即当采用标准要求的检测负载时，不在采用 SFS 方法的检测盲区，在最苛刻的情况下也可以顺利通过反孤岛检测。从某种程度来说，该参数下的 SFS 检测方法能够彻底消除盲区。对主动移向法采用相同的思路，将移向角由 SMS 代替 AFD，将公式 3-13 代入 式 3-18，取三类不同的 m 值，得到主动移频法对应的盲区图，如图 3-7 所示：图 3-7 SMS 方法下不同 m 值的检测盲区图从图中可以看出当 m=10o 时刚好可以令 Qf=2.5 的负载不在检测盲区，大于 10o 的移向角对应的检测盲区更小，对负载的