基于带不平衡度非线性正反馈的负序电流扰动孤岛检测方法-丁浩.pdf
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1、2016 年 7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.31 No. 14 第 31 卷第 14 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 2016 基于带不平衡度非线性正反馈的 负序电流扰动孤岛检测方法 丁 浩1魏艳君1何 宇2张 迪1漆汉宏1张金龙1(1. 燕山大学电气工程学院 秦皇岛 066004 2. 江苏信息职业技术学院 无锡 214153) 摘要 孤岛检测是并网逆变器必须具备的功能,其基本要求是在电网规定的时间内无盲区的检测到孤岛状态,同时要尽量降低对电能质量的影响。负序电流扰动法因其能够实现快速有效的孤岛检测而备受关
2、注。针对带不平衡度线性正反馈的负序电流扰动法在电网电压不平衡度存在波动时会对并网电流的对称性造成较大影响的缺陷,提出一种更少注入负序电流的孤岛检测方案 带不平衡度非线性正反馈的负序电流扰动法。该算法所选的反馈函数值大于孤岛发生后形成正反馈的临界值,且在电网电压允许的最大不平衡度下小于限定值,因此既能保证成功检测到孤岛,又能使得并网电流的不平衡度得到定量限制。理论分析、仿真和实验结果验证了该方法的正确性和可行性。 关键词:孤岛检测 并网逆变器 负序电流 不平衡度 非线性正反馈 中图分类号: TM615 Negative-Sequence Current Perturbation Islandin
3、g Detection Method with Nonlinear Positive Feedback of Unbalance Degree Ding Hao1Wei Yanjun1He Yu2Zhang Di1Qi Hanhong1Zhang Jinlong1( 1. College of Electrical Engineering Yanshan University Qinhuangdao 066004 China 2. Jiangsu Vocational College of Information Technology Wuxi 214153 China) Abstract I
4、slanding detection is an essential function of grid-connected inverters. Its basic requirement is to detect islanding state without non-detection zone (NDZ) within the specified time and minimize the impacts on power quality. With its unique advantages in rapid detection, high efficiency and no NDZ,
5、 the negative-sequence current perturbation method is widely used. However, because of the fluctuations arising from unbalance factor of grid voltage, the negative-sequence current perturbation method with positive feedback of unbalance factor will affect the symmetry of grid current. Thus, this pap
6、er proposes a novel islanding detection with nonlinear positive feedback, which injects less negative-sequence perturbation current. The feedback function is greater than the positive feedback threshold and is less than the restrictive value under the maximum unbalance factor of grid voltage. The pr
7、oposed method can not only detect islanding successfully, but also quantitatively restrain the unbalance factor of grid current. Theoretical analysis, simulation and experimental results verify the correctness and feasibility of the method. Keywords: Islanding detection, grid-connected inverter, neg
8、ative-sequence current, unbalance factor, nonlinear positive feedback 高等学校博士学科点专项科研基金( 20121333110007)和河北省应用基础研究计划重点基础研究项目( 13964304D)资助。 收稿日期 2014-05-04 改稿日期 2015-07-30 212 电 工 技 术 学 报 2016 年 7 月 0 引言 随着世界各国对能源需求的持续增长以及对环境问题的日益关注,基于可再生能源的分布式发电系统得到越来越多的关注。其中,并网逆变器是分布式并网发电的重要组成部分,通常作为分布式发电单元与电网的接口使用1
9、,2。随着分布式发电系统不断渗入电网,并网逆变器必须满足电网运行的严格要求。其中,孤岛检测是并网逆变器必须具备的功能,其性能优劣直接影响逆变器的安全、可靠运行3,4。 孤岛效应是指当电网供电由于某种因素(如故障事故和停电维修等)而跳闸时,各接入电网的分布式发电系统未能及时检测到停电状态而仍然持续向本地负载供电,形成由分布式发电系统和负载组成的一个公共电网无法控制的独立供电系统5。分布式发电系统处于孤岛运行状态时,电力公司无法对线路电压进行有效控制,将会影响系统安全、稳定运行甚至危及维修人员的人身安全6,7。因 此 分 布式发电系统在断网后必须要能及时检测到孤岛现象并作出相应的孤岛保护8。 孤岛
10、检测法按照是否对逆变器的输出进行扰动分为被动式和主动式9-11。被动式检测法未对逆变器作任何扰动,具有工作原理简单、对电能质量无影响的优点。然而多数被动法由于存在较大的检测盲区而只能作为辅助手段与主动法配合应用12。主动式检测法通过对逆变器的输出进行扰动,使得电网发生故障时逆变器输出电压的幅值、频率、谐波或不平衡度等在所注入扰动的作用下不断偏离正常值而超出规定的范围,从而触发检测电路,进行相应的孤岛保护。主动法由于能减小或消除检测盲区而被广泛使用,但人为在逆变器的输出中加入扰动会对电能质量产生影响13。 孤岛检测的基本要求是在规定的时间内无盲区地检测到孤岛状态,而且要尽量降低对电能质量的影响1
11、4。负序电流扰动法因其对电能质量无影响且不存在检测盲区而备受关注。文献 15在逆变器的输出电流中加入一个恒定百分比的负序扰动电流,通过检测公共耦合点( Point of Common Coupling, PCC)电压不平衡度达到该百分比即可判断孤岛的发生,但其存在始终注入负序扰动电流的缺陷。文献 16提出了带负序电压线性正反馈的负序电流扰动法,该法注入的负序电流并非直接给定,而是通过 PCC 电压的负序分量经一线性函数作用后反馈得到,此算法在逆变器并网时基本不会对电流造成影响,而在孤岛发生后系统形成的正反馈回路同样可促使 PCC 电压的不平衡度超过上限值, 避免了始终注入负序扰动电流的缺陷。然
12、而,此算法并未将电网电压在正常情况下也存在不平衡度这一情况考虑到反馈中去。 本文研究发现,在电网电压不平衡度存在波动时线性反馈法会降低并网电流的对称性,针对这一问题,提出带不平衡度非线性正反馈的负序电流扰动法,仿真与实验结果表明,相比线性反馈法,非线性反馈法能显著降低并网电流的不平衡度。 1 孤岛检测原理 1.1 带不平衡度正反馈法的孤岛检测原理 图 1 为并网发电系统孤岛检测原理,开关 Sa、Sb和 Sc的通断用来模拟孤岛的发生。 三相并网逆变器并网运行时其 dq轴的控制原理如图 2所示, 其中,KPWM为三相逆变器增益, C(s)为电流控制器, Lf、rf分别为交流侧滤波电感的电感和内阻。
13、 图 1 孤岛检测原理 Fig.1 Schematic diagram of islanding detection 图 2 三相并网逆变器控制原理 Fig.2 Block diagram of the three-phase grid-connected inverter 设光伏逆变器工作在单位功率因数输出情况,逆变器的输出电流在 dq 轴的初始给定值为 m*dq0I = i ( 1) 式中, Im为输出电流的幅值。 带不平衡度正反馈的负序电流扰动法是在输出电流的给定值上加入与 PCC 电压不平衡度成某一 第 31 卷第 14 期 丁 浩等 基于带不平衡度非线性正反馈的负序电流扰动孤岛检测方
14、法 213 函数关系的负序扰动电流,其原理如图 3 所示。 图 3 加入带不平衡正反馈算法后 三相逆变器并网原理 Fig.3 Block diagram of the three-phase grid-connected inverter with feedback of the unbalance degree 图 3 中,mU+、mU分别为 PCC 电压正、负序分量的幅值; 为 PCC 电压的不平衡度; indq为所注入的负序扰动电流;*ndqi 为负序电流的给定值。其中, 和*ndqi 分别为 mm100%UU+= ( 2) *ndq mcos(2 )sin(2 )I=i ( 3) 如图
15、 3 所示,加入负序扰动电流后的给定电流为 *dq ndq dq ndq()F + = +iii i ( 4) 设经反馈控制后,逆变器输出电流无静差地跟踪给定电流,即稳定时有 *dq dq ndq m m1cos(2)()0sinIIF =+= + ii i ( 5) 将式( 5)进行 Clark 反变换,可得输出的实际电流为 abc m msin sinsin( 2/3) ( ) sin( 2/3)sin( 2/3) sin( 2/3)IIF=+ +i ( 6) 由式( 6)可以看出,由于带不平衡度正反馈法不会使 PCC 电压的相位发生偏移, 故不影响逆变器的输出功率因数, 也不会增加输出并
16、网电流的谐波。 三相逆变器并网运行时, PCC 电压即为电网电压,理想情况下为 gm gabc gm g abcgm gsinsin( 2/3)sin( 2/3)UUU+=+uu ( 7) 式中, Ugm为电网相电压的幅值; g为电网相电压的相位。 当电网断电,孤岛发生后, PCC 电压为 abc abc msinsin( 2/3)sin( 2/3)ZIZ = =+ + ui mabcasin()sin( 2/3)sin( 2/3)IZF+=+uu ( 8) 根据式( 7)和式( 8)可知,电网正常时, PCC电压中只有正序分量,不含负序分量;电网断电后,负序电流的注入使得 PCC 电压中存在
17、负序分量。 由式( 8)可知,孤岛发生后,若将 PCC 电压的不平衡度 通过一反馈函数 F()作用到原来的给定电流,其正、负序分量幅值将变为 mmFUIZ+= mm()FUIZF= ( 9) 此时, PCC 电压的不平衡度相应地变为 mm()FFFUFU += ( 10) 要使系统在孤岛发生后形成正反馈、 PCC 电压的不平衡度呈增加趋势,直至超出上限值,则必须满足 max() 0, FF = ( 11) 式( 11)即为带不平衡度正反馈法能检测到孤岛的充要条件。 GB/T 15543 2008电能质量 三相电压不平衡规定,电网正常运行时, PCC 电压的不平衡度不超过 0.02,短时不超过
18、0.04。因此,带不平衡度正反馈的负序电流扰动法可通过检测 PCC 电压的不平衡度来判断孤岛的发生。 1.2 带不平衡度线性正反馈法 带不平衡度线性正反馈法采用的反馈函数为线性函数,即 L()F K = ( 12) 式中, K 为线性反馈函数的反馈系数。 根据式( 11) ,线性反馈法能检测到孤岛的条件为 1K ( 13) 电网电压不平衡度 和带不平衡度线性反馈法的反馈函数 FL( )的关系如图 4 所示。 214 电 工 技 术 学 报 2016 年 7 月 图 4 函数 FL()和 F()与 之间的关系 Fig.4 Relationship between FL(), F() functi
19、ons and 由图 4 可见,在 0, max范围内,线性反馈函数F() ,系统在孤岛发生后可以形成正反馈回路,从而检测到孤岛。 然而带不平衡度线性反馈法并未考虑实际电网电压存在的不平衡度会对并网电流的对称性造成影响。由式( 6)可知,逆变器处于并网运行时,线性反馈法引起的并网电流不平衡度为 mL gLg gm()()iIFF KI = ( 14) 式中, g为电网电压的不平衡度。 理想情况下, g=0,由式( 14)可得 i=0,并网电流严格对称;而实际情况下, g会在 0 max( max=0.04)范围内波动,根据图 4 及式( 14)可知并网电流的最大不平衡度为 max max ma
20、x()iK = ( 15) 因此,电网电压的不平衡度存在波动时,带不平衡度线性反馈法中并网电流的对称性不能得到定量保障。文献 16选取 K=5,导致并网电流的最大不平衡度为 0.2, 严重影响并网电流的对称性。 因此,有必要改进算法,提高并网电流的对称性。 1.3 带不平衡度非线性正反馈法 为使并网电流的不平衡度在电网电压不平衡度存在波动时始终小于 max,且在孤岛发生后系统又能形成正反馈,可考虑反馈函数为非线性函数,设 Nmax()F = ( 16) 此情况下对应的 曲线及 F()曲线如图 5 所示。由图 5 可以看到,在 0, max范围内,非线性反馈函数 F( ) ,满足该类算法检测到孤
21、岛的必备条件。 在电网电压不平衡度波动下,由非线性反馈法引起的并网电流不平衡度为 mN gNg maxgm()()iIFFI = ( 17) 图 5 FN()、 F()与 之间的关系 Fig.5 Relationship between FN(), F() functions and 可见,理想情况下,并网电流同使用线性反馈法时一致,仍是严格对称的;实际情况下,并网电流的不平衡度不超过 max,并网电流的对称性得到保证。 综合以上分析,所提的非线性反馈法在能够顺利检测到孤岛的条件下,较线性反馈法能降低对并网电流对称性的影响。 1.4 多机并联情况下的有效性 多机带本地负载并入同一段电网后,可以
22、等效为多台电流源与电网并联为总负载供电的形式,其系统结构示意图如图 6 所示。 图 6 多机并网发电系统结构 Fig.6 Schematic diagram for multiple grid-connected generations system 将本文所提带不平衡度非线性正反馈的负序电流扰动法应用于多机并网情况下,当电网断电孤岛发生后, PCC 电压为 abc abc msinsin( 2/3)sin( 2/3)ZIZ = =+ + ui mN abc abcsin()sin( 2/3)sin( 2/3)IZF+=+uu ( 18) 式中,abci 、 mI分别为流入负载的三相电流 及其
23、幅值。 PCC 电压的正、负序分量幅值变为 mm-Nmm-NN()FFUIZUIZF+=( 19) 因此, PCC 电压的不平衡度相应地变为 第 31 卷第 14 期 丁 浩等 基于带不平衡度非线性正反馈的负序电流扰动孤岛检测方法 215 mNmNmm()=()FFFIZFUFIZU += ( 20) 由式( 18)式( 20)可得,多机并网系统中各逆变器根据各自容量注入负序电流扰动,由于扰动的唯一性,其扰动是相互叠加的,使得 PCC 电压正、负序分量幅值同时增大,而其不平衡度与单机逆变器孤岛检测一样。因此,带不平衡度非线性正反馈的负序电流扰动法中,各逆变器将依据其容量进行出力, 根据 PCC
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- 基于 不平衡 非线性 正反馈 电流 扰动 孤岛 检测 方法 丁浩
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