一種基於模糊控制的自適應相位偏移孤島檢測方法
2023-09-09 20:00:20 1
一種基於模糊控制的自適應相位偏移孤島檢測方法
【專利摘要】一種基於模糊控制的自適應相位偏移孤島檢測方法，包括以下步驟：（1）實時測量PCC點電壓的頻率並判斷是否達到設定的頻率保護閾值，若達到則啟動孤島保護，否則進入（2）；（2）對電網頻率進行採樣取平均值，對輸出電流施加相位擾動，此時令k1=0；（3）實時監測PCC點電壓頻率與電網頻率偏差量的大小及其變化率，根據大小模糊整定正反饋參數k1；（4）若PCC點電壓頻率偏差值超出頻率偏差閾值時，對模糊控制器的量化因子和比例因子進行自適應在線調整；否則返回（3）；（5）每周期的頻率偏差量都疊加到下一周的PCC點頻率上，返回（1）。本發明速度快、兼顧參數選取和系統輸出電能質量、無盲區、低畸變。
【專利說明】一種基於模糊控制的自適應相位偏移孤島檢測方法【技術領域】
[0001]本發明涉及光伏併網發電系統的保護與控制領域，涉及一種光伏併網發電系統的孤島檢測方法，涉及一種速度快、無盲區、低畸變的模糊自適應相位偏移孤島檢測算法。
【背景技術】
[0002]近年來，開發和利用新能源是世界各國共同關注的重大課題。太陽能因其清潔、可再生、分布廣泛、應用靈活等特點而被公認為未來理想的替代能源之一。光伏併網發電作為太陽能的重要利用形式有望在不久的將來實現平價上網而最具市場化規模和應用前景。隨著越來越多的光伏併網發電系統接入電網，電網以及光伏併網發電系統自身的安全運行面臨新的挑戰。
[0003]當電網由於故障或事故斷開時，用戶端的光伏併網發電系統若未能及時的檢測出斷電狀態而將自身切離市電網絡，持續向周圍負載供電，形成由本地負載和光伏併網發電系統組成的自給供電孤島。孤島現象一旦發生，可能會危及電力維修人員的人身安全、造成用電設備的過/欠壓和過/欠頻以及三相負載的缺相運行、引起電網的誤跳閘、影響配電系統保護開關的動作順序等。因此，國際國內標準如UL1741、IEEE Std. 929、光伏系統併網技術要求（GB/T19939-2005)等都明確要求光伏併網發電系統必須具備孤島檢測的功能。
[0004]現有的光伏併網發電系統的孤島檢測方法通常分為兩大類：有源法和無源法。無源法是通過檢測逆變器輸出端電量(如電壓幅值、頻率、相位、諧波等）的變化來判斷是否發生孤島，存在門檻值難以設定，檢測盲區大等缺點，而且當逆變器輸出功率與負載所需功率匹配時單純依靠無源法容 漏檢，因此必須要引入有源法。主動相位偏移法以其實現容易、檢測效率高、盲區小、不受多逆變器並聯的影響而成為應用較為廣泛的一種有源檢測法。
[0005]傳統的相位偏移法如滑模頻率漂移法和自動相位偏移法都是將併網逆變器輸出電流的相位定義為前一周期公共點耦合點（PCC)電壓頻率與電網頻率偏差的函數，使得PCC點電壓和電流存在一定的相位差，以期電網斷開後PCC點電壓頻率偏離正常範圍而檢測出孤島。電網斷開後，由於本地負載的特性是隨機的、未知的，為了避免出現孤島檢測盲區，通常配置固定且較大的相位偏差參數，這就使得正常併網時相位偏移法因受檢測誤差、電路噪聲以及電網頻率波動的影響而降低系統輸出電能的質量。因此，在保證電網斷開後系統能夠快速有效地檢測出孤島的同時，最大限度地減小主動相位偏移法本身對光伏併網發電系統輸出電能質量的不良影響具有十分重要的現實意義和工程應用價值。
【發明內容】
[0006]為了克服已有光伏併網發電系統的孤島檢測方法的速度慢、無法兼顧參數選取與系統輸出電能質量的不足，本發明提供一種速度快、兼顧參數選取和系統輸出電能質量、無盲區、低畸變的基於模糊控制的自適應相位偏移孤島檢測方法。
[0007]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：
[0008]一種基於模糊控制的自適應相位偏移孤島檢測方法，構造逆變器輸出電流與PCC點電壓的相位差為Ic1 X (fpcc-fg) +k2 X Θ ^，式中，fpcc為PCC點電壓頻率，fg為電網額定頻率，θ ^為初始相位擾動量，ki為正反饋係數，k2為初始擾動量的係數,所述基於模糊控制的自適應相位偏移孤島檢測方法，包括如下步驟：
[0009](I)實時測量PCC點電壓的頻率並判斷是否達到設定的頻率保護閾值，若達到則啟動孤島保護，否則進入步驟（2)；
[0010](2)對電網頻率進行採樣，取η個周期的平均值，η為整數且η≤10，讀取PCC點電壓頻率，對輸出電流施加相位擾動，此時令Ic1=O, Θ ^為一較小的正值並且相鄰周期間歇性周期添加；
[0011](3)實時監測PCC點電壓頻率與電網頻率偏差量的大小及其變化率，根據頻差變化量和頻差變化率的大小模糊整定正反饋參數h；
[0012](4)若PCC點電壓頻率偏差值超出頻率偏差閾值時，對模糊控制器的量化因子和比例因子進行自適應在線調整；若PCC點電壓頻率偏差值未超出頻率偏差閾值則返回步驟
(3)；
[0013](5)在擾動的過程中，每周期的頻率偏差量都疊加到下一周的PCC點頻率上，返回步驟（I)。
[0014]進一步，所述的PCC點電壓頻率fp。。為系統通過過零檢測模塊和軟體鎖相程序實時測量得到，並與過/欠頻設置的門檻值相比較，若超出則關閉系統的輸出，否則向逆變器輸出電流施加相位擾動。
[0015]所述的電網額定頻率fg為系統啟動後採集η個周期的電網頻率並取其平均值。
[0016]所述的初始擾動量Θ O為相鄰周期間歇性周期添加參量,所述的初始擾動量Qtl (O< θ ο≤I)為一較小的正值，O < Θ。≤I。
[0017]所述的係數k2為初始擾動量Qtl的擾動方向給定，係數匕配置如下：若
fpcc-fg ^ 0，則 k2=l ;若 fpcc;-fg〈0，則 k2=_l。
[0018]所述的頻率保護閾值為各國併網標準所規定的電網斷開後允許的最大頻率偏差範圍；
[0019]更進一步，所述的模糊整定正反饋參數Ic1表示不同特性的本地負載在固定擾動作用下的頻率偏移量，電網斷開後PCC點電壓頻率變化量和偏差變化率越小則反饋參數Ii1應越大；
[0020]所述的本地負載是參照IEEE孤島測試標準所採用的RLC並聯負載，其品質因數定義為 Qf=RX sqrt (C/L)。
[0021]再進一步，所述的在線自適應調整模糊控制器的量化因子和比例因子是按下式實現的：ki = Iii · [1+1 a (t) I ],其中，a (t) = Δ θ (t_l) / θ Q,式中，Iii為模糊控制器輸入量的量化因子ke、ke。和輸出控制量的比例因子ku，a (t)為伸縮因子，Λ Θ (t-1)為前t-1周期電壓相角的增量。
[0022]本發明的有益效果主要表現在：（1)速度快。由於本發明在PCC點頻率超過±0. 2Hz時動態調整模糊控制器的量化因子和比例因子，從而能夠加大正反饋力度，加速PCC點電壓頻率的偏移，相對固定反饋參數下的孤島檢測時間更短；
[0023](2)無盲區。電網斷開後，本發明能夠根據PCC點頻率的變化情況自整定正反饋參數，其檢測性能不受負載特性的制約，理論上對於任意負載均能快速有效地檢測出孤島，實現無盲區檢測；
[0024](3)低畸變。正常併網時，本發明反饋參數等於零或很小，規避了傳統相位偏移法因檢測誤差、電路噪聲以及電網頻率波動等因素對系統輸出電流畸變率的疊加作用，最大限度地減小了檢測方法本身對輸出電能質量的不良影響；
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖I為單相光伏併網逆變系統結構圖。
[0026]圖2為逆變器輸出電流控制框圖。
[0027]圖3為模糊控制框圖。
[0028]圖4為孤島檢測程序流程圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖對本發明作進一步描述。
[0030]參照圖I~圖4，一種基於模糊控制的自適應相位偏移孤島檢測方法，構造逆變器輸出電流與PCC點電壓的相位差為Ii1 X (fpcc-fg) +k2X θ0，式中，fpcc為PCC點電壓頻率，fg為電網額定頻率，θ0為初始相位擾動量，Ii1為正反饋係數，k2為初始擾動量的係數；所述基於模糊控制的自適應相位偏移孤島檢測方法，包括如下步驟：
[0031](1)實時測量PCC點電壓的頻率並判斷是否達到設定的頻率保護閾值，若達到則啟動孤島保護，否則進入步驟（2)；
[0032](2)對電網頻率進行採樣，取η個周期的平均值，η為整數且η≥10，讀取PCC點電壓頻率，對輸出電流施加相位擾動，此時令Ic1=O, θ0為一較小的正值並且相鄰周期間歇性周期添加；
[0033](3)實時監測PCC點電壓頻率與電網頻率偏差量的大小及其變化率，根據頻差變化量和頻差變化率的大小模糊整定正反饋參數h；
[0034](4)若PCC點電壓頻率偏差值超出頻率偏差閾值時，對模糊控制器的量化因子和比例因子進行自適應在線調整以加快檢測速度；SPCC點電壓頻率偏差值未超出頻率偏差閾值則返回步驟（3);
[0035](5)在擾動的過程中，每周期的頻率偏差量都疊加到下一周的PCC點頻率上，返回步驟（I)。
[0036]所述的PCC點電壓頻率fp。。為系統通過過零檢測模塊和軟體鎖相程序實時測量得到，並與過/欠頻設置的門檻值相比較，若超出則關閉系統的輸出，否則向逆變器輸出電流施加相位擾動。
[0037]所述的電網額定頻率fg為系統啟動後採集η個周期的電網頻率並取其平均值。
[0038]所述的初始擾動量θ0為相鄰周期間歇性周期添加，主要有兩個作用：一是電網斷開後，根據初始擾動量θ0對PCC點電壓頻率偏移響應的大小來判斷此時負載的特性，為配置反饋參數ki提供依據；二是用來打破電網斷開瞬間可能存在的系統平衡。
[0039]所述的係數k2實際為初始擾動量θ0的擾動方向給定，為了使得本發明對容性負載和感性負載具有類似的檢測速度，係數k2配置如下：若fpcc-fg ≥ 0，則k2=l ;若fpcc-fg<0,則 k2=-l。[0040]所述的頻率保護閾值通常為各國併網標準所規定的電網斷開後允許的最大頻率偏差範圍，例如我國規定光伏併網發電系統PCC點頻率偏差超過±0. 5Hz時，系統應斷開與電網的連接。
[0041]所述的初始擾動量Θ ^為一較小的正值是因為絕大多數情況下，電網斷開後PCC點電壓的頻率均會發生偏移，從而便可啟動正反饋，O <此外，較小的Qtl在打破可能存在的系統平衡的同時還可減小正常併網時對系統輸出功率因數的影響。
[0042]所述的模糊整定正反饋參數kl是因為不同特性的本地負載在固定擾動作用下的頻率偏移量是不同的，PCC點電壓的頻率隨著負載品質因數增大而減小，而且相同擾動量下PCC點頻差變化率隨著負載品質因數的減小而增大。因此，電網斷開後PCC點電壓頻率變化量和偏差變化率越小則反饋參數Ii1應越大。
[0043]所述的本地負載是參照IEEE孤島測試標準所採用的RLC並聯負載，其品質因數定義為 Qf=RX sqrt (C/L)。 [0044]所設定的頻率偏差閾值為±0. 2Hz是基於我國標準《電能質量電力系統頻率允許偏差》（GB/T15945-1995)規定的電力系統正常頻率偏差允許值為±0. 2Hz，若PCC點頻率偏移量超出±0. 2Hz則可能產生孤島，此時可通過在線調整模糊控制器的量化因子和比例因子加快頻率偏移，縮短孤島檢測時間。
[0045]所述的在線自適應調整模糊控制器的量化因子和比例因子是按下式實現的A =h · [1+| a (t) I]，其中，a (t) = Λ Θ (t-1)/θ。，式中，Iii為模糊控制器輸入量的量化因子ke、ke。和輸出控制量的比例因子ku，a (t)為伸縮因子，Λ Θ (t-1)為前t-1周期電壓相角
的增量。
[0046]本實施例中，圖I是實現本發明的一種光伏併網發電系統結構，系統採用兩級式非隔離結構的併網逆變器。主控晶片採用TI公司出品的TMS320F2808數位訊號處理器(DSP)，逆變器採用電壓電流雙閉環加電網電壓前饋的輸出電流控制方式，如圖2所示。電壓外環用於控制直流端母線電壓的穩定，電流環內環用於比較逆變器輸出電流的瞬時值與給定的電流參考值的誤差，將兩者的偏差經過PI控制器的調節，生成瞬時誤差控制信號，該信號送入DSP，利用DSP的全比較單元、通用定時器以及波形發生器來生成SPWM調製信號用於控制全橋逆變電路功率管的通斷，本實施例採用單極性調製方式，逆變器輸出端電壓與電網電壓相比較經過LC濾波電路得到逆變器輸出電流的瞬時值信號並返回。
[0047]系統的電壓信號通過差分採樣電路採集，電流信號通過霍爾傳感器測量濾波後送入DSP, PCC點電壓的頻率和相位信息通過過零檢測電路和鎖相程序獲得。
[0048]所述的電流參考信號是在DSP程序空間中預先存儲標準正弦波數據表，運行鎖相程序時通過查表獲得電流參考信號的頻率和相位信息，然後根據本發明構造的相位偏移表達式計算當前相位擾動添加量來修改標準正弦數據表的查表指針，從而使得逆變器輸出電流和電壓之間存在一定的相位差。
[0049]孤島檢測程序通過實時檢測PCC點電壓頻率的變化情況來判斷是否發生孤島和對逆變器輸出電流添加相位擾動。參照程序流程圖4，系統通過檢測併網電壓的正向過零點並計數，計算兩次正向過零點的時間間隔獲得PCC點電壓的頻率，判斷是否超過50±0. 5Hz ;若未超過設定的閾值則判斷頻率變化量是否超過±0. 2Hz，若未超過則根據PCC點電壓頻率與電網頻率的偏差以及頻差變化率模糊動態配置反饋參數Ic1，模糊控制框圖如圖3，若頻率變化量超過±0.2Hz，則自適應在線調整模糊控制器輸入輸出量的量化和比例因子，直到PCC點電壓頻率超過50 ±0.5Hz，系統通過逆變器斷開與電網的連接。
[0050]上述實施例僅為驗證本發明技術思想的一種【具體實施方式】，不能以此限定本發明所提出方法的限制範圍。凡是不偏離本發明思想和範圍的情況下對其細節或形式的任何改動均屬於本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種基於模糊控制的自適應相位偏移孤島檢測方法，其特徵在於：構造逆變器輸出電流與PCC點電壓的相位差為Ii1 X (fpcc-fg) +k2X Θ ^，式中，fpcc為PCC點電壓頻率，fg為電網額定頻率，Θ ^為初始相位擾動量，ki為正反饋係數，k2為初始擾動量的係數，所述基於模糊控制的自適應相位偏移孤島檢測方法，包括如下步驟： (1)實時測量PCC點電壓的頻率並判斷是否達到設定的頻率保護閾值，若達到則啟動孤島保護，否則進入步驟（2); (2)對電網頻率進行採樣，取η個周期的平均值，η為整數且η> 10，讀取PCC點電壓頻率，對輸出電流施加相位擾動，此時令Ii1=O, Θ ^為一較小的正值並且相鄰周期間歇性周期添加； (3)實時監測PCC點電壓頻率與電網頻率偏差量的大小及其變化率，根據頻差變化量和頻差變化率的大小模糊整定正反饋參數h； (4)若PCC點電壓頻率偏差值超出頻率偏差閾值時，對模糊控制器的量化因子和比例因子進行自適應在線調整以加快檢測速度；SPCC點電壓頻率偏差值未超出頻率偏差閾值則返回步驟（3)； (5)在擾動的過程中，每周期的頻率偏差量都疊加到下一周的PCC點頻率上，返回步驟(I)。
2.如權利要求1所述的一種基於模糊控制的自適應相位偏移孤島檢測方法，其特徵在於：所述的PCC點電壓頻率fp。。為系統通過過零檢測模塊和軟體鎖相程序實時測量得到，並與過/欠頻設置的門檻值相比較，若超出則關閉系統的輸出，否則向逆變器輸出電流施加相位擾動。
3.如權利要求1所述的一種基於模糊控制的自適應相位偏移孤島檢測方法，其特徵在於：所述的電網額定頻率fg為系統啟動後採集η個周期的電網頻率並取其平均值。
4.如權利要求1所述的一種基於模糊控制的自適應相位偏移孤島檢測方法，其特徵在於：所述的初始擾動量Θ ^為相鄰周期間歇性周期添加參量，所述的初始擾動量Θ ^為一較小的正值，O < Θ。≤I。
5.如權利要求1所述的一種基於模糊控制的自適應相位偏移孤島檢測方法，其特徵在於：所述的係數k2為初始擾動量Θ ^的擾動方向給定，係數k2配置如下：若fpc;c;-fg > 0，則k2=l ;若 fpcx-fg〈0,則 k2=-l。
6.如權利要求1~5之一所述的一種基於模糊控制的自適應相位偏移孤島檢測方法，其特徵在於：所述的頻率保護閾值為各國併網標準所規定的電網斷開後允許的最大頻率偏差範圍。
7.如權利要求1~5之一所述的一種基於模糊控制的自適應相位偏移孤島檢測方法，其特徵在於：所述的模糊整定正反饋參數h表示不同特性的本地負載在固定擾動作用下的頻率偏移量，電網斷開後PCC點電壓頻率變化量和偏差變化率越小則反饋參數Ii1應越大； 所述的本地負載是參照IEEE孤島測試標準所採用的RLC並聯負載，其品質因數定義為Qf=RX sqrt (C/L)。
8.如權利要求1~5之一所述的一種基於模糊控制的自適應相位偏移孤島檢測方法，其特徵在於：所述的在線自適應調整模糊控制器的量化因子和比例因子是按下式實現的：^ = ^?[1+1 a (t) I]，其中，a (t) = Λ Θ (t-D/θ。，式中，Iii為模糊控制器輸入量的量化因子ke、ke。和輸出控制量的比例因子ku，a (t)為伸縮因子，Λ Θ (t-1)為前t_l周期電壓相角的增量。`
【文檔編號】G01R31/00GK103760434SQ201310738002
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2013年12月27日
【發明者】胥芳, 吳芳德, 譚大鵬 申請人:浙江工業大學