- 文档大小:453.79 KB
- 文档格式:pdf
- 约 6页
- 2021-06-22 发布
- 举报
已阅读完毕,您还可以下载文档进行保存
- 1、本文档共6页,内容下载后可编辑。
- 2、本文档内容版权归属内容提供方,所产生的收益全部归内容提供方所有。如果您对本文有版权争议,可选择认领。
- 3、本文档由用户上传,本站不保证质量和数量令人满意,可能有诸多瑕疵,付费之前,请仔细先通过免费阅读内容等途径辨别内容交易风险。如存在严重挂羊头卖狗肉之情形,可联系本站下载客服投诉处理。
第4O卷第17期2012年9月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlv01.40No.17Sep.1,2012基于无功一频率下垂特性的无功扰动法在孤岛检测中的应用刘钢,卢继平,乔梁,谢应昭,翁宗林,徐兵(1.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学),重庆400030;2.重庆市电力调度通信中心,重庆400014)摘要:孤岛检测是光伏并网研究的难点,特别在光伏并网逆变器输出与负载功率平衡时难以有效检测出孤岛,为此提出一种基于无功一频率下垂特性的无功扰动孤岛检测方法。该方法通过引入一个与负载无功一频率特性相关的线性函数作为无功扰动的输入量,打破功率平衡情况下发生孤岛时所存在的孤岛稳定运行点。再将实时检测到公共耦合点频率的偏差,引入到无功扰动的函数中形成正反馈回路,加速频率的偏移,使并网逆变器输出电压频率超出限定阈值,从而实现孤岛检测。仿真结果表明,该方法具有无检测盲区、响应快速、对电能质量影响小的特点。关键词:孤岛检测;无功功率扰动;并网逆变器;检测盲区;频率偏差—ApplicationofreactivepowerdisturbancebasedonQfdroopcurvesonislandingdetectionof—gridc0nnectedinvertersystemLIUGang,LUJi.ping,QIAOLiang,XIEYing.zhao,WENGZong-!in,XUBingr1.StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipment&SystemSecurityandNewTechnology,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China;2.ElectricPowerDispatchingandCommunicationCenterofChongqing,Chongqing400014,China)Abstract:Itisdifficulttodetectislandinginphotovoltaicgrid-connectedgeneration,especiallyintheconditionofpowerbalancebetweentheoutputofinverterandtheloadpower.AmethodofreactivepowerdisturbanceislandingdetectionbasedonQ-fdroop—curvesisproposed.OnceanislandingconditionOccurs,thisnewmethodforcesthephotovoltaicgridconnectedgenerationtoloseits—stableoperationbydrawingintoalinearfunctionrelyingonaQfdroopcurvebetweenloadreactiveand ̄equency.Thenitdetectsthesystemfrequencydeviationbyrealtime,anddrawsintothefunctionofreactivedisturbancetoformapositivefeedbackeffect,SOthefrequencydriftingisacceleratedandthefrequencyoftheoutputvoltageofthephotovoltaicgrid-connectedinverterexceedsapresetthresholdvalue.andthentheislandingwillbedetected.SimulationshowsthattheproposedmethodhasnodetectiondeadzoneanditisfastandhasliRleinfluenceOilpowerquality.Keywords:islandingdetection;reactivepowerdisturbance;grid-connectedinverters;non-detectionzone; ̄equencydeviation中图分类号:TM714文献标识码:A——文章编号:16743415(2012)17-0088060引言孤岛指主电网断网后,太阳能、风能、燃料电池等新能源并网发电系统仍向本地负载供电的现象IlJ,其分为计划孤岛和非计划孤岛。计划孤岛指根据新能源并网的容量和故障前的运行状态、本地负荷的大小,事先确定合理的孤岛区域,在与主电网断开后,能够保证小系统的稳定运行;非计划孤岛指由于故障跳闸等偶然原因形成的孤岛。非计划孤岛发生时,由于系统供电状态不确定性和偶然性。将造成以下不利影响:可能危及电网线路维护人员“”基金项目:国家111计划资助项目(B08036)和用户的生命安全;干扰主电网的正常合闸;不能控制孤岛中的电压和频率,从而损害配电设备和用户设备【2J。由此新能源并网发电系统须安装孤岛检测装置,快速、有效地检测出孤岛状态,一旦非计划孤岛发生,立即采取相应措施,消除非计划孤岛运行可能产生的危害。如何检测孤岛成为研究孤岛的关键问题之一。常见的孤岛检测方法有被动式和主动式检测方法,被动检测通过测量电网断电时逆变器的输出端电压、频率、相位和谐波等参数的变化是否超过设定的阈值来检查孤岛,检测方法包括负载电压幅值和频率检测l训、电压谐波检测[5]、相位突变检测[6]等,该方法最大的特点是原理简单易行,对供电质刘钢,等基于无功.频率下垂特性的无功扰动法在孤岛检测中的应用.89.量无影响,但如果孤岛发生时刻功率缺额较小,本地量的变化难以达到检测阈值,存在检测盲区大的缺点,而且门槛值难以设定;主动检测通过对逆变器的控制信号中加入很小的电压、频率或相位扰动信号,使电压、频率或相位的变化偏离正常范围,实现孤岛保护,检测方法包括主动电流扰动法[1、正反馈频率偏移法。9】、电压偏移法【l0J、无功补偿检测法【jlJ等。该方法具有检测盲区小甚至无检测盲区的特点,但引入的扰动会引起电能质量的下降。为减小孤岛检测盲区,最大限度地减小孤岛检测方法对供电质量的影响。本文提出一种基于无功一频率下垂特性的正反馈无功扰动的孤岛检测方法。该方法通过分析负载无功与频率之间的关系,引入与负载无功频率下垂特性相关的一个线性函数作为无功扰动的输入量,其函数的斜率参数比负载无功一频率特性曲线的斜率小。并网运行时,无功扰动量很小,对系统性能影响很小;孤岛发生时,通过无功扰动的引入,打破因逆变电源提供的无功与负载所需无功相匹配时存在的孤岛稳定运行点,此时公共耦合点电压的频率发生变化,通过实时检测频率变化的偏差,将其引入到无功扰动的函数中形成正反馈,从而加快在孤岛状态下电压频率的偏离,缩短孤岛检测时间。通过Matlab仿真实验,验证了该方法的正确性和可行性。1孤岛检测的基本原理孤岛检测的基本点和关键点是电网的断电检测,光伏发电系统并网运行等效电路如图1所示。图1光伏发电系统并网运行等效电路—Fig.1Equivalentcircuitofaphotovoltaicgridconnectedgenerationsystem其中并网型逆变系统电源输出交流电压220V,负载采用RLC并联方式表示,并网运行时,电网和逆变电源在公共耦合点(PCC)处连接,共同为负载提供功率,可得到△ad=+尸,Q1。ad=Q+AQ(1)rT2/鲥=upc(2)甜=c(一oJc)(3)式中:为公共耦合点的电压;CO为并网时公共耦合点的角频率;、分别表示逆变电源有功、无功输出;ad、。分别表示负载所消耗的△有功、无功功率;AP、Q分别表示电网提供的有功、无功功率。孤岛发生后逆变电源的输出、保持不变,逆变电源的输出功率与本地负载达到平衡,这种情况下可得到::(4)==c(一)(5)式中:为孤岛发生后PCC处的电压;为孤岛发生后PCC处的角频率。由式(4)、式(5)可知孤岛发生后当逆变系统提供的有功与负载所需有功不匹配时,负载端电压发生变化;逆变系统提供的无功和负载所需无功不匹配时,公共耦合点处的角频率发生变化,当两者的有功或无功不匹配程度较大时,我们可以通过简易的被动检测如过/欠压、过/欠频来实现孤岛的检测。但是当不匹配程度很小时甚至孤岛发生前后逆变器输出的有功、无功和负载所需有功、无功完全匹配的话,即电网提供的有功(AP)、无功(AQ)很小,满足不等式(6)、式(7)时,负载电压和频率的变化在正常允许波动范围内时,孤岛检测失败,进入检测盲区,因此针对此种情况,我们需要采取其他更有效的措施来检测孤岛。(‘%()6△≤l1_(勉)。I(7)式中:、J1、fmi分别表示过/欠压、过/欠频保护的阈值;Qf为RLC电路负载的品质因数。2基于无功一频率下垂特性的新型孤岛检测在一般的并网逆变器中,由于并网公共连接点电压受大电网控制,系统频率保持不变。当因为电网供电故障而断网时,此时系统由逆变电源和负载形成一个孤岛,系统公共连接点的频率和电压幅值变化由系统中负载所需功率和逆变电源所提供的功.9O.电力系统保护与控制率之间的关系来确定,由式(2)、式(3)可知,孤网时系统的频率最终稳定在谐振频率处。如果孤岛发生后,负载电感和电容之间的谐振频率即公共节点的电压频率处于49.3~50.5Hz之间[12],在电网额定频率正常允许的波动范围内(即孤岛检测时频率的上下限设定阈值),那么孤岛得不到检测,进入检测盲区。由式(3)可以得出如图2所示孤网时系统频率和负载无功功率的下垂特性关系,横坐标表示频率,纵坐标表示无功功率,图中3条曲线分别表示改变负载的电感、电容C的参数值形成的谐振频率为50.5,5O,49-3的负载无功一频率特性曲线,当光伏系统输出无功等于零时,即逆变器单位功率因数运行,其无功与频率特性曲线如图中O。f=0的那条水平线,分别与系统频率曲线相交于A、B、C点,认为此3点为孤岛发生后系统频率稳定运行点。3。O2001。。善。一1。。一2。。一300\\jrlL\\Hz51).5Hz\<C\JQrof、\\\\\\\48.048.549.049.550.050.551.051.5520佣z图2负载无功功率与频率响应特性曲线Fig.2Responsecharacteristiccurvebetweenloadreactivepowerandfrequency以其中B点为例来分析,假设频率向右增加Af,此时光伏系统所提供的无功功率比负载运行所需要的无功大,孤岛发生后,通过减小频率使负载所需无功增大,、直到负载所需无功与输出无功达到平衡,此时系统频率重新回到B点,同样的道理分析频率向左减小Af,此时光伏系统所提供的无功功率比负载所需的无功小,孤岛发生后,通过增大频率使负载所需无功减小,直到负载所需无功与输出无功达到平衡,此时系统频率重新回到B点,由此可知B点是孤岛稳定运行点。同理可知A、C点也是孤岛稳定运行点。为此要想在孤岛发生后能及时地检测到孤岛,就要求打破孤岛稳定运行点的稳定运行条件,利用外在的方式,使孤岛发生后,光伏系统所提供无功与负载所需无功不匹配,从而加大频率的变化直到超出频率保护的检测范围,达到孤岛检测的效果。由图2分析负载无功与频率之间的关系可知,通过使逆变电源的无功.频率曲线的斜率小于负载无功.频率响应特性曲线的斜率的方法来主动使负载所需求的功率与电源所提供的功率出现缺额,从而打破孤岛稳定运行点,在图3中我们假设两条不同斜率的光伏系统逆变电源无功.频率曲线,对于曲线。f2而言,G、H分别是孤岛稳定运行点,但是这样使得频率的波动更小,更加增加了孤岛检测盲区,对于曲线f1而言,E、F是不稳定孤岛运行△点,对E点而言,频率向右增加厂,此时光伏系统逆变电源所提供的无功功率比负载运行所需要的无功小,孤岛发生后,通过增大频率的变化使负载所需无功减小,直到负载所需无功与给定无功达到新的平衡,这样频率更加偏离原来的E点,直到超出频率保护的检测阈值,达到检测孤岛的效果。图3不同光伏逆变电源无功一频率曲线的孤岛运行点分析Fig.3IslandoperatingpointfortwodifferentphotovoltaicgenerationQ-fcharacteristics通过计算系统频率与负载所需无功下垂特性曲线的斜率,引入与负载无功一频率下垂特性相关的一个线性函数作为无功扰动的输入量,设定该函数的斜率参数比其小,并网时,系统频率受大电网控制,稳定运行在额定频率处;当孤岛发生后,由于扰动无功量的引入使此时逆变器无功的输出与负载所需无功量的不匹配,使频率与无功特性关系失去平衡,从而使得系统频率快速地向一个方向偏移,最终达到孤岛频率保护的阈值,实现孤岛检测的目的。接下来分析系统频率与负载所需无功下垂特性曲线的斜率。负载所需无功与负载的电感、电容之间的关系如式(8)Q=。1一1)=U2(壶一2)(8)对式(8)在谐振频率处求导可得:l(9)卜{\刘钢,等基于无功.频率下垂特性的无功扰动法在孤岛检测中的应用.91.Q=。(-1—27cc)(一)Q=_4兀。C(f-L)—Q=--4rtPRC(ffo)=√=Rcl ̄Lc。=2 ̄Cfo—Q=-2rf(ffo)(10)(11)(12)(13)(14)为了使较小的无功扰动获得较大的频率变化以提高孤岛发生后的检测速度,我们对引入的无功扰动函数增加频率的正反馈,由于频率偏差被正反馈引入无功扰动量中,保持了无功扰动算法的正反馈特性,在孤岛状态下频率偏差与无功扰动的正反馈作用会使很小的初始无功扰动最终形成较大的频率偏移,达到快速检测孤岛的目的。由此得出式(15)所示的逆变器无功扰动输出表达式。,,)—Qlref=一(2f+KfAf)(ffo)(15))其中:Qf为负载的品质因数,为了符合电网的实际情况,通常选取=2.5【1】;为光伏系统逆变电源的给定有功功率;Af表示公共耦合点频率对电网额定频率的偏差;为频差正反馈系数。这样在电网并网情况下频率偏差变化很小时,对无功扰动函数的斜率影响很小,从而减少无功扰动的引入对并网系统整体性能的影响,当孤网情况下频率偏差变化较大时,无功扰动函数的斜率相应变大,无功扰动输出量也相应增大,光伏系统逆变电源所提供无功与负载所需无功不匹配程度也进一步加大,从而更进一步加快频率的偏移,缩短孤岛检测时问。3频率检测锁相环的设计孤岛检测中的系统频率通常采用基于过零点检测的锁相环获得。频率的变化至少需要一个工频周期才能被检测到,这样频率的变化不连续,会引起输出波形突变。为此本文设计了一种基于无功.频率关系的软件锁相环。锁相环控制结构图如图4所示。图4频率检测锁相环控制图Fig.4ControlblockdiagramofPLLoffrequencydetection该锁相环以瞬时无功理论为基础,通过dq变换获得公共耦合点三相电压的交轴分量U。根据式1(8)可知与频率相关。当逆变器频率与标准频率偏差为0时,电压无功分量也为0。通过PI控制器将电压无功分量控制为0就可以追踪系统频率变△化。控制频率误差厂反映了系统频率与额定频率的偏差,由此可以获得锁相环的频率。该锁相环将无功电压分量的控制误差作为频率偏差,将该锁相环频率进行积分获得系统电压旋转角,然后将其用于功率解耦控制中的dq变换。由于该锁相频率的变化是连续的,由此生成的电压旋转角、无功扰动以及逆变器输出电流频率都会连续变化,因此保证了输出电流波形的连续,减小输出波形突变所产生的谐波对整个系统电能质量的影响。通过图4获得锁相环频率,然后与额定频率比△较产生厂,然后利用式(15)形成无功扰动量。其基于无功一频率的无功扰动孤岛检测总体控制框图如图5所示,通过实时检测锁相频率,依据标准判定孤岛情况发生的频率区间来检测孤岛发生与否,并产生相应的开关控制信号来切换并网逆变器的工作模式。图5基于无功一频率的无功扰动孤岛检测示意框图Fig.5BlockdiagramofislandingdetectionbasedonreactivepowerdisturbanceofaQ-fdroopcurvecharacters4仿真实验分析仿真采用Matlab软件包,通过Simulink和Powersystemblockset建立图1所示的光伏系统逆变电源并网仿真模型,包括光伏系统直流电源模块、三相PWM逆变器、电网模型、本地负载模块以及控制模块等。仿真参数如下:电网电压为220/50Hz,滤波电感3mH,滤波电容2O,并联RLC负载的额定有功功率为1kW,感性和容性无功功率分别为0.5kvar,其负载品质因数为2.5。光伏系统输出的初始有功、无功功率设定值分别为1.0kW,0kvar。0.2S.92.电力系统保护与控制时使电网退出运行,系统孤岛运行状态出现,公共耦合点(PCC)为孤岛检测采样点。在不添加无功扰动模块时,断网后,由于逆变器输出功率与负载所需功率相匹配。公共耦合点的罨电压电流幅值和频率几乎没有发生变化,进入孤岛检测盲区,其波形如图6所示。——\\\-\\0.00.10.20.30.40.5060.7080.910t/s(a)逆变器无功输出量波形图s(b)耦合点电压输出波形图,’//7///‘0.00.1020.30.40.50.60.70.80.910t/s(C频率检测波形图图7系统状态的波形图Fig.7Waveformofsystemstate5结论本文提出了一种新的孤岛检测方法,该法通过分析负载无功与频率之间的关系,引入与负载无功频率特性相关的一个线性函数作为无功扰动的输入量。并网运行时,无功扰动量很小,其对系统性能影响很小;当孤岛发生时,由于无功微扰动的引入,打破因光伏系统逆变电源提供的无功与负载所需无功相匹配时存在的孤岛稳定运行点,此时公共耦合点电压的频率发生变化,通过实时检测系统频率变化的偏差引入到无功微扰动的函数中形成正反馈,加快在孤岛状态下电压频率的偏离,从而缩短孤岛检测时间。该法不存在检测盲区,在理论上有一定的实用价值,通过实验仿真验证了所提方法的正确性和可行性。参考文献[1]侯梅毅,高厚磊,刘炳旭,等.基于相位偏移的孤岛检测新方法[J1.电力自动化设备,2009,29(11):22.26.———HOUMeiyi,GAOHoulei,LIUBingXH,eta1.Islandingdetectionmethodbasedonphaseshill[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2009,29(I1):22.26.[2]张琦,孙向东,钟彦儒,等.用于分布式发电系统孤岛检测的偶次谐波电流扰动法[J].电工技术学报,—2011,26(7):112119.—ZHANGQi,SUNXiangdong,ZHONGYan-ru,eta1.Evenharmoniccurrentdisturbingmethodforislandingdetectioninthedis ̄ibutedpowergenerationsystems[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2011,26(7):112-119.[3]张有兵,穆淼婕,翁国庆.分布式发电系统的孤岛检测方法研究[电力系统保护与控制,2011,39(1):139.146.—ZHANGYou-bing,MUMiao-jie,WENGGuoqing.Researchonislandingdetectionofdis ̄ibutedpowergenerationsystems[J].PowerSystemProtectionandControl,2011,39(1):139-146.[4]JangSI,KimKH.Anislandingdetectionmethodfordistributedgenerationsusingvoltageunbalanceandtotal98765432l09∞∞如如如如如卯如∞瑚抛㈨o啪瑚芒fl刘钢,等基于无功.频率下垂特性的无功扰动法在孤岛检测中的应用.93.(上接第87页continuedfrompage87)[12]王欢良,韩纪庆,郑贵滨.基于K.L散度模型聚类的快速说话人辨识方法『J].模式识别与人工智能,2010,—23(6):856861.——、^NGHuan.1iang.HANJiqing.ZHENGGui-bin.KLdivergencebasedmodelclusteringmethodforfastspeakeridentification[J].PatternRecognitionand—ArtificialIntelligence2010,23(6、:856861.[13]TheCaseWestemReserveUniversityBearingDataCenterWebsite.Bearingdatacenterseededfaulttestdata[EB/OL].http://www.eecs.case.edu/laboratory/bearing.2007.[14]郭艳平,颜文俊,包哲静.风力发电机组在线故障预警与诊断一体化系统设计与应用『JJ.电力系统自动化,2010,34(16):83-86.GUOYah-ping,YANWen-j1/n,BAOZhe-jing.Designandapplicationofonlinefaultwarninganddiagnosisintegratedsystemforwindturbines[J].AutomationofElectricPowerSystems.2010,34(16):83-86.[15]魏晓璞,徐永海,郭春林,等.基于Hilbert变换与Pisarenko谐波分解的电压闪变参数估计【J].电力系统保护与控制,2010,38(6):26.29.——WEIXiao-pu,XUYonghai,GUOChunlin,eta1.ParameterestimationofvoltageflickerbasedonHilberttransformandPisarenkoharmonicdecomposition[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(6):26。29.[16]StackJRonaldG'HabetlerTGAnamplitudemodulationdetectorforfaultdiagnosisinrollingelementbearings[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics.2004,51(5):1097-1102.[17]KullbackS,LeiblerRA.Oninformationandsufficiency[J].AnnalsofMathematicalStatistics,1951,22(1):79-86.收稿151期:201卜1O一06;—修回日期:2012-0108作者简介:郭艳平(1983-),女,博士,研究方向为风力发电机在线监测与故障诊断;E-mail:guoyanping1983@163.tom颜文俊(1965一),男,教授,研究方向为复杂系统建模与分析、离散动态事件理论与应用。
您可能关注的文档
- 电流闭环对三相PWM变流器输出阻抗的影响分析.pdf
- 电流反馈型Buck变换器分岔动力学分析及稳定性控制.pdf
- 电能在线计量分析算法设计与实现.pdf
- 电流互感器饱和对低压电动机保护的影响及对策.pdf
- 电能质量复合扰动分类的研究进展.pdf
- 电能质量监测系统研究现状及发展趋势.pdf
- 电能质量扰动发生器控制策略及其实现.pdf
- 电气化铁路电能质量评估及新型控制方案研究.pdf
- 电能质量扰动信号时频原子分解的进化匹配追踪算法.pdf
- 电容器串联电抗消除谐振的最大值最小优化.pdf
- 电网备自投自适应建模方法研究.pdf
- 电网不对称故障下双馈风力发电机组穿越控制的研究.pdf
- 电网不平衡下基于滑模变结构的三相电压型PWM整流器恒频控制.pdf
- 电网电压不对称跌落时DFIG的控制策略研究.pdf
- 电网电压跌落下双馈风力发电系统强励控制.pdf
- 电网电压不平衡时永磁直驱风电机组的控制策略.pdf
- 电网调控数据综合智能分析决策架构设计.pdf
- 电网故障下直驱式风电机组建模与控制仿真研究.pdf
- 电网故障诊断的智能方法综述.pdf
- 电网规划运行数据库与集成管理平台的设计与实现.pdf
- 陌南尘
- 该用户很懒,什么也没介绍
