一种改进型有源频率偏移孤岛检测方法 精灵论文.docx

一种改进型有源频率偏移孤岛检测方法夏云忠，赵时，赵磊（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221008）摘要：针对传统有源频率偏移法的不足，对其进行了改进，设计了一种主动式正反频率偏移的孤岛检测方法，并在Uat1ab/Simu1ink下搭建了过/欠压和过/欠频检测法、有源频率偏移法、主动式正反频率偏移法的仿真模型，验证了主动式正反进频率偏移法的有效性。同时，对仿真结果进行分析比较，可以看出与传统有源频率偏移法相比，该方法具有可靠性高、检测性能好、检测所需时间短的特点。关键词：传统有源频率偏移法；孤岛检测；主动式正反频率偏移法；mat1abAnImprovedMethodofActiveIs1andingDetectionofFrequencyOfsetXiaYunzhong,ZhaoShi,Zhao1ei（InformationandEngineering1ChinaUniversityofMiningandTecho1ogy,JiangsuXuzhou221008）Abstract:!Accordingtothedeficiencyoftraditiona1activefrequencydrift,designsanactivepositiveandnegativefrequencydriftdetectionmethodtoimproveit.Simu1ationmode1sofover/undervo1tagepretentionandover/underfrequencypretention,activefrequencydriftandSandiafrequencydriftareputtingupunderMa1IabZSimu1ink,theeffectivenesseva1uatingofactivepositiveandnegativefrequencydriftisverified.Throughthesimu1ationresu1ts,itissignificant（hatthemethoddesignedinthepaperisbe1terthanthetraditiona1activefrequencydrift.Ithasthecharacteristicsthathigherre1iabi1ity,betterdetectionperformance,shorterdetectiontime.Keywords:traditiona1activefrequencydrift;Is1andingdetection;activepositiveandnegativefrequencydrift;mat1ab0引言分布式发电系统主要有被动式和主动式孤岛检测方法，其中被动式检测方法主要是利用电网断电后逆变器输出电压、频率或相位的变化来进行孤岛检测，而主动式孤岛检测方法是通过在并网逆变器输出控制中引入扰动，使其输出电压、频率或相位发生偏离来判别孤岛效应。如果分布式发电系统输出功率与局部负载所需功率平衡，则被动式孤岛检测方法将会检测失败；而在不同性质负载情况下，主动式孤岛检测方法的检测效果存在较大差异，有时频率变化会非常小，严重时会使孤岛检测速度变慢，甚至失效。综合考虑各种孤岛检测方法的NDZ,对系统电能质量的影响、孤岛检测的可靠性、孤岛检测成本及实用性，有源频率偏移法在工程实际中应用较多，在前人的基础上1-5,根据有源频率偏移法的特点及其目前存在的较突出的缺点，木文将设计一种改进型的有源频率偏移法，该方法能更加准确有效及时的检测到孤岛效应的存在。1传统有源频率偏移法传统有源频率偏移法，其主要的工作原理是：并网逆变器在输出的电压过零点处引入一个扰动频率，通过检测上一周期的频率在电压过零点处在上一周期频率的基础上，人为的添加一个扰动频率TM/,使其输出偏离电网频率，由于锁相环的存在，在分布式发电系作者简介：夏云忠（1984）男，硕士,新型直流输电技术.E-mai1:405324121统与电网保持连接的情况下，逆变器输出会实时的调整其输出电流相位，公共耦合点处电压及频率由电网工作情况决定。而如果系统在孤岛状态下运行，引入的频率扰动将会使得系统频率工作在f-+TM/,直到该频率超出正常工作频率范围，孤岛检测系统即会检测到孤岛的存在，进而采取后续措施。当系统运行在孤岛状态时，负载的电抗可以表示为1m1z-j=i(1)其中1为系统工作在孤岛运行状态时的并网逆变器输出频率，由上式可以得出并网逆ou从式可以看出，分布式发电系统运行在孤岛状态时，系统的并网逆变器输出频率受3个因素的影响，即并网逆变器输出有功功率、无功功率和负载特性。实验研究表明，分布式发电系统所带局部负载的特性，对有源频率偏移法的频率扰动有较大的影响6：(1)局部负载为阻性负载情况下，并网逆变器输出频率的变化方向随着扰动频率的偏移方向而变化；(2)局部负载为容性负载情况下，并网逆变器输出频率的变化方向随扰动频率的偏移方向而变化，但是输出频率变化速度与阻性负载不同，如果扰动频率为向下减少，那么容性负载的时候频率下降的将会比阻性负载减少的快；如果扰动频率为向上增加，那么容性负载的时候频率上升的将会比阻性负载增加的慢，甚至会不增加；(3)局部负载为感性负载情况下，并网逆变器输出频率的变化方向随扰动频率的偏移方向而变化，与局部负载为容性负载的情况相反，如果扰动频率为向上增加，那么感性负载时候频率下降的将会比阻性负载增加的快；如果扰动频率为向下减少，那么感性负载时候的频率减少的将比阻性负载减少的慢，甚至会不减少。传统的有源频率偏移法采用的扰动信号均是始终向上或者向下一个方向进行扰动。根据前面的分析可知，一旦分布式发电系统发生孤岛效应，而局部负载为容性负载，频率扰动方向为向上增加，或者负载为感性负载，频率扰动方向为向下减少，那么就很有可能导致孤岛检测系统检测时间过长而无法满足系统对孤岛持续时间的要求，甚至无法检测到孤岛的存在。主动式根据负载特性对传统有源频率偏移法输出频率影响的特点，设计了一种改进型的主动式正反频率偏移方案(ACtiVePositiveandNegativeFrequencyDriftDetection,APNFDD)来对分布式发电系统进行孤岛检测。该方法同有源频率偏移法类似，首先引入频率扰动TM/,但在系统运行时频率扰动TM/是一个反馈信号，检测系统根据公共耦合点处频率同上一周期相比的偏移量来确定TM/的值，具体可以表述为：在系统运行时，第k-1个周期，孤岛检测系统引入频率扰动TM人，使得并网逆变器输出频率为f-=f*jTMA,第k-1后期结束时，系统检测并网逆变器的实际输出频率记为。；，则系统的实际频率偏移量为TMf1J由此确定第k周期的频率扰动为2yMf=TMjf2,kTjMf2,TMfg0图1所示为主动式正反频率偏移法的流程图。下面以容性并联负载为例，对主动式正反频率偏移孤岛检测方法进行介绍。当分布式发电系统工作在并网运行状态时，孤岛检测装置向系统引入正向频率扰动f,并网逆变器输出电流同公共耦合点处电压Va相比，将会提前到达过零点，但是由于锁相环的作用，输出电流在到达过零点之后将会保持为0直到电压Va到达过零点，系统检测到这一周期频率偏移为0,小于孤岛检测装置引入的频率扰动Sf,然后系统在下一周期将会引入反向的频率扰动-3f,同上一周期一样，系统将会在下一周期引入正向频率扰动f,除了每周期频率扰动方向变化一次外，在并网运行状态时主动式正反频率偏移法同有源频率偏移法无其他差别。图1主动式正反频率偏移孤岛检测方法流程图Figure1F1owchartofactivepositiveandnegativepowerdriftdetection系统脱离电网运行在孤岛状态时，如果脱离电网的那个周期由于孤岛检测装置引入了的扰动频率为"，并网逆变器输出电流频率将比上一周期偏移略小于"，那么根据控制策略下一周期系统中将引入反向偏移频率-"，由于是容性负载，公共耦合点处实际频率偏移量将大于-"，记为Mf2,然后系统将引入此反馈信号，将扰动频率更新为TMfz,引入正反馈扰动频率直到频率低于正常工作范围，触发欠频保护。同理可以得出负载为感性负载情况下，孤岛检测装置可以自动调节频率扰动方向，最终使得公共耦合点处电压频率超出正常工作范围，触发过频保护.由上面分析，可以看出主动式正反频率偏移法通过引入频率偏移反馈信号，可以随时调节扰动频率方向，并且利用正反馈改变扰动频率的大小，与有源频率偏移法相比该方法提高了检测系统的可靠性，减小的负载参数坐标系下的NDZ,缩短了检测时间，使其能应用于对孤岛持续时间要求更高的系统中，同时可以通过设置较小的初始扰动频率来减小并网逆变器对电能质量的影响，使得分布式电源能够提供更多的电能。2主动式正反频率偏移法根据负载特性对传统有源频率偏移法输出频率影响的特点，设计了一种改进型的主动式，由此正反频率偏移方案(ACtiVePositiveandNegativeFrequencyDriftDetection,APNFDD)来对分布式发电系统进行孤岛检测。该方法同有源频率偏移法类似，首先引入频率扰动f,但在系统运行时频率扰动f是一个反馈信号，检测系统根据公共耦合点处频率同上一周期相比的偏移量来确定f的值，具体可以表述为：在系统运行时，第k-个周期，孤岛检测系统引入频率扰动fk-,使得并网逆变器输出频率为/I=82+TM£第k-周期结束时，系统检测并网逆变器的实际输出频率记为,则系统的实际频率偏移量为TMk/k-1f2确定第k周期的频率扰动为tTMF-TMf2TM.I-,k-1*Mf-TMf2TM2-TMfk-113MfIVO(3)图1所示为主动式正反频率偏移法的流程图。下面以容性并联负载为例，对主动式正反频率偏移孤岛检测方法进行介绍。当分布式发电系统工作在并网运行状态时，孤岛检测装置向系统引入正向频率扰动3f,并网逆变器输出电流同公共耦合点处电压Va相比，将会提前到达过零点，但是由于锁相环的作用，输出电流在到达过零点之后将会保持为0直到电压Va到达过零点，系统检测到这一周期频率偏移为0,小于孤岛检测装置引入的频率扰动f,然后系统在下一周期将会引入反向的频率扰动-f,同上一周期一样，系统将会在下一周期引入正向频率扰动f,除了每周期频率扰动方向变化一次外，在并网运行状态时主动式正反频率偏移法同有源频率偏移法无其他差别。图1主动式正反频率偏移孤岛检测方法流程图Figure1F1owchartofactivepositiveandnegativepowerdriftdetection系统脱离电网运行在孤岛状态时，如果脱离电网的那个周期由于孤岛检测装置引入了的扰动频率为"，并网逆变器输出电流频率将比上一周期偏移略小于"，那么根据控制策略下一周期系统中将引入反向偏移频率-炉，由于是容性负载，公共耦合点处实际频率偏移量将大于-"，记为TMf2,然后系统将引入此反馈信号，将扰动频率更新为TMf2,引入正反馈扰动频率直到频率低于正常工作范围，触发欠频保护。同理可以得出负载为感性负载情况下，孤岛检测装置可以自动调节频率扰动方向，最终使得公共耦合点处电压频率超出正常工作范围，触发过频保护。由上面分析，可以看出主动式正反频率偏移法通过引入频率偏移反馈信号，可以随时调节扰动频率方向，并且利用正反馈改变扰动频率的大小，与有源频率偏移法相比该方法提高了检测系统的可靠性，减小的负载参数坐标系下的NDZ,缩短了检测时间，使其能应用于对孤岛持续时间要求更高的系统中，同时可以通过设置较小的初始扰动频率来减小并网逆变器对电能质量的影响，使