一种基于模糊控制的自适应相位偏移孤岛检测方法
【专利摘要】一种基于模糊控制的自适应相位偏移孤岛检测方法，包括以下步骤：（1）实时测量PCC点电压的频率并判断是否达到设定的频率保护阈值，若达到则启动孤岛保护，否则进入（2）；（2）对电网频率进行采样取平均值，对输出电流施加相位扰动，此时令k1=0；（3）实时监测PCC点电压频率与电网频率偏差量的大小及其变化率，根据大小模糊整定正反馈参数k1；（4）若PCC点电压频率偏差值超出频率偏差阈值时，对模糊控制器的量化因子和比例因子进行自适应在线调整；否则返回（3）；（5）每周期的频率偏差量都叠加到下一周的PCC点频率上，返回（1）。本发明速度快、兼顾参数选取和系统输出电能质量、无盲区、低畸变。
【专利说明】一种基于模糊控制的自适应相位偏移孤岛检测方法【技术领域】
[0001]本发明涉及光伏并网发电系统的保护与控制领域，涉及一种光伏并网发电系统的孤岛检测方法，涉及一种速度快、无盲区、低畸变的模糊自适应相位偏移孤岛检测算法。
【背景技术】
[0002]近年来，开发和利用新能源是世界各国共同关注的重大课题。太阳能因其清洁、可再生、分布广泛、应用灵活等特点而被公认为未来理想的替代能源之一。光伏并网发电作为太阳能的重要利用形式有望在不久的将来实现平价上网而最具市场化规模和应用前景。随着越来越多的光伏并网发电系统接入电网，电网以及光伏并网发电系统自身的安全运行面临新的挑战。
[0003]当电网由于故障或事故断开时，用户端的光伏并网发电系统若未能及时的检测出断电状态而将自身切离市电网络，持续向周围负载供电，形成由本地负载和光伏并网发电系统组成的自给供电孤岛。孤岛现象一旦发生，可能会危及电力维修人员的人身安全、造成用电设备的过/欠压和过/欠频以及三相负载的缺相运行、引起电网的误跳闸、影响配电系统保护开关的动作顺序等。因此，国际国内标准如UL1741、IEEE Std. 929、光伏系统并网技术要求（GB/T19939-2005)等都明确要求光伏并网发电系统必须具备孤岛检测的功能。
[0004]现有的光伏并网发电系统的孤岛检测方法通常分为两大类：有源法和无源法。无源法是通过检测逆变器输出端电量(如电压幅值、频率、相位、谐波等）的变化来判断是否发生孤岛，存在门槛值难以设定，检测盲区大等缺点，而且当逆变器输出功率与负载所需功率匹配时单纯依靠无源法容 漏检，因此必须要引入有源法。主动相位偏移法以其实现容易、检测效率高、盲区小、不受多逆变器并联的影响而成为应用较为广泛的一种有源检测法。
[0005]传统的相位偏移法如滑模频率漂移法和自动相位偏移法都是将并网逆变器输出电流的相位定义为前一周期公共点耦合点（PCC)电压频率与电网频率偏差的函数，使得PCC点电压和电流存在一定的相位差，以期电网断开后PCC点电压频率偏离正常范围而检测出孤岛。电网断开后，由于本地负载的特性是随机的、未知的，为了避免出现孤岛检测盲区，通常配置固定且较大的相位偏差参数，这就使得正常并网时相位偏移法因受检测误差、电路噪声以及电网频率波动的影响而降低系统输出电能的质量。因此，在保证电网断开后系统能够快速有效地检测出孤岛的同时，最大限度地减小主动相位偏移法本身对光伏并网发电系统输出电能质量的不良影响具有十分重要的现实意义和工程应用价值。
【发明内容】
[0006]为了克服已有光伏并网发电系统的孤岛检测方法的速度慢、无法兼顾参数选取与系统输出电能质量的不足，本发明提供一种速度快、兼顾参数选取和系统输出电能质量、无盲区、低畸变的基于模糊控制的自适应相位偏移孤岛检测方法。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0008]一种基于模糊控制的自适应相位偏移孤岛检测方法，构造逆变器输出电流与PCC点电压的相位差为Ic1 X (fpcc-fg) +k2 X Θ ^，式中，fpcc为PCC点电压频率，fg为电网额定频率，θ ^为初始相位扰动量，ki为正反馈系数，k2为初始扰动量的系数,所述基于模糊控制的自适应相位偏移孤岛检测方法，包括如下步骤：
[0009](I)实时测量PCC点电压的频率并判断是否达到设定的频率保护阈值，若达到则启动孤岛保护，否则进入步骤（2)；
[0010](2)对电网频率进行采样，取η个周期的平均值，η为整数且η≤10，读取PCC点电压频率，对输出电流施加相位扰动，此时令Ic1=O, Θ ^为一较小的正值并且相邻周期间歇性周期添加；
[0011](3)实时监测PCC点电压频率与电网频率偏差量的大小及其变化率，根据频差变化量和频差变化率的大小模糊整定正反馈参数h；
[0012](4)若PCC点电压频率偏差值超出频率偏差阈值时，对模糊控制器的量化因子和比例因子进行自适应在线调整；若PCC点电压频率偏差值未超出频率偏差阈值则返回步骤
(3)；
[0013](5)在扰动的过程中，每周期的频率偏差量都叠加到下一周的PCC点频率上，返回步骤（I)。
[0014]进一步，所述的PCC点电压频率fp。。为系统通过过零检测模块和软件锁相程序实时测量得到，并与过/欠频设置的门槛值相比较，若超出则关闭系统的输出，否则向逆变器输出电流施加相位扰动。
[0015]所述的电网额定频率fg为系统启动后采集η个周期的电网频率并取其平均值。
[0016]所述的初始扰动量Θ O为相邻周期间歇性周期添加参量,所述的初始扰动量Qtl (O< θ ο≤I)为一较小的正值，O < Θ。≤I。
[0017]所述的系数k2为初始扰动量Qtl的扰动方向给定，系数匕配置如下：若
fpcc-fg ^ 0，则 k2=l ;若 fpcc;-fg〈0，则 k2=_l。
[0018]所述的频率保护阈值为各国并网标准所规定的电网断开后允许的最大频率偏差范围；
[0019]更进一步，所述的模糊整定正反馈参数Ic1表示不同特性的本地负载在固定扰动作用下的频率偏移量，电网断开后PCC点电压频率变化量和偏差变化率越小则反馈参数Ii1应越大；
[0020]所述的本地负载是参照IEEE孤岛测试标准所采用的RLC并联负载，其品质因数定义为 Qf=RX sqrt (C/L)。
[0021]再进一步，所述的在线自适应调整模糊控制器的量化因子和比例因子是按下式实现的：ki = Iii · [1+1 a (t) I ],其中，a (t) = Δ θ (t_l) / θ Q,式中，Iii为模糊控制器输入量的量化因子ke、ke。和输出控制量的比例因子ku，a (t)为伸缩因子，Λ Θ (t-1)为前t-1周期电压相角的增量。
[0022]本发明的有益效果主要表现在：（1)速度快。由于本发明在PCC点频率超过±0. 2Hz时动态调整模糊控制器的量化因子和比例因子，从而能够加大正反馈力度，加速PCC点电压频率的偏移，相对固定反馈参数下的孤岛检测时间更短；
[0023](2)无盲区。电网断开后，本发明能够根据PCC点频率的变化情况自整定正反馈参数，其检测性能不受负载特性的制约，理论上对于任意负载均能快速有效地检测出孤岛，实现无盲区检测；
[0024](3)低畸变。正常并网时，本发明反馈参数等于零或很小，规避了传统相位偏移法因检测误差、电路噪声以及电网频率波动等因素对系统输出电流畸变率的叠加作用，最大限度地减小了检测方法本身对输出电能质量的不良影响；
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图I为单相光伏并网逆变系统结构图。
[0026]图2为逆变器输出电流控制框图。
[0027]图3为模糊控制框图。
[0028]图4为孤岛检测程序流程图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0030]参照图I~图4，一种基于模糊控制的自适应相位偏移孤岛检测方法，构造逆变器输出电流与PCC点电压的相位差为Ii1 X (fpcc-fg) +k2X θ0，式中，fpcc为PCC点电压频率，fg为电网额定频率，θ0为初始相位扰动量，Ii1为正反馈系数，k2为初始扰动量的系数；所述基于模糊控制的自适应相位偏移孤岛检测方法，包括如下步骤：
[0031](1)实时测量PCC点电压的频率并判断是否达到设定的频率保护阈值，若达到则启动孤岛保护，否则进入步骤（2)；
[0032](2)对电网频率进行采样，取η个周期的平均值，η为整数且η≥10，读取PCC点电压频率，对输出电流施加相位扰动，此时令Ic1=O, θ0为一较小的正值并且相邻周期间歇性周期添加；
[0033](3)实时监测PCC点电压频率与电网频率偏差量的大小及其变化率，根据频差变化量和频差变化率的大小模糊整定正反馈参数h；
[0034](4)若PCC点电压频率偏差值超出频率偏差阈值时，对模糊控制器的量化因子和比例因子进行自适应在线调整以加快检测速度；SPCC点电压频率偏差值未超出频率偏差阈值则返回步骤（3);
[0035](5)在扰动的过程中，每周期的频率偏差量都叠加到下一周的PCC点频率上，返回步骤（I)。
[0036]所述的PCC点电压频率fp。。为系统通过过零检测模块和软件锁相程序实时测量得到，并与过/欠频设置的门槛值相比较，若超出则关闭系统的输出，否则向逆变器输出电流施加相位扰动。
[0037]所述的电网额定频率fg为系统启动后采集η个周期的电网频率并取其平均值。
[0038]所述的初始扰动量θ0为相邻周期间歇性周期添加，主要有两个作用：一是电网断开后，根据初始扰动量θ0对PCC点电压频率偏移响应的大小来判断此时负载的特性，为配置反馈参数ki提供依据；二是用来打破电网断开瞬间可能存在的系统平衡。
[0039]所述的系数k2实际为初始扰动量θ0的扰动方向给定，为了使得本发明对容性负载和感性负载具有类似的检测速度，系数k2配置如下：若fpcc-fg ≥ 0，则k2=l ;若fpcc-fg<0,则 k2=-l。[0040]所述的频率保护阈值通常为各国并网标准所规定的电网断开后允许的最大频率偏差范围，例如我国规定光伏并网发电系统PCC点频率偏差超过±0. 5Hz时，系统应断开与电网的连接。
[0041]所述的初始扰动量Θ ^为一较小的正值是因为绝大多数情况下，电网断开后PCC点电压的频率均会发生偏移，从而便可启动正反馈，O <此外，较小的Qtl在打破可能存在的系统平衡的同时还可减小正常并网时对系统输出功率因数的影响。
[0042]所述的模糊整定正反馈参数kl是因为不同特性的本地负载在固定扰动作用下的频率偏移量是不同的，PCC点电压的频率随着负载品质因数增大而减小，而且相同扰动量下PCC点频差变化率随着负载品质因数的减小而增大。因此，电网断开后PCC点电压频率变化量和偏差变化率越小则反馈参数Ii1应越大。
[0043]所述的本地负载是参照IEEE孤岛测试标准所采用的RLC并联负载，其品质因数定义为 Qf=RX sqrt (C/L)。 [0044]所设定的频率偏差阈值为±0. 2Hz是基于我国标准《电能质量电力系统频率允许偏差》（GB/T15945-1995)规定的电力系统正常频率偏差允许值为±0. 2Hz，若PCC点频率偏移量超出±0. 2Hz则可能产生孤岛，此时可通过在线调整模糊控制器的量化因子和比例因子加快频率偏移，缩短孤岛检测时间。
[0045]所述的在线自适应调整模糊控制器的量化因子和比例因子是按下式实现的A =h · [1+| a (t) I]，其中，a (t) = Λ Θ (t-1)/θ。，式中，Iii为模糊控制器输入量的量化因子ke、ke。和输出控制量的比例因子ku，a (t)为伸缩因子，Λ Θ (t-1)为前t-1周期电压相角
的增量。
[0046]本实施例中，图I是实现本发明的一种光伏并网发电系统结构，系统采用两级式非隔离结构的并网逆变器。主控芯片采用TI公司出品的TMS320F2808数字信号处理器(DSP)，逆变器采用电压电流双闭环加电网电压前馈的输出电流控制方式，如图2所示。电压外环用于控制直流端母线电压的稳定，电流环内环用于比较逆变器输出电流的瞬时值与给定的电流参考值的误差，将两者的偏差经过PI控制器的调节，生成瞬时误差控制信号，该信号送入DSP，利用DSP的全比较单元、通用定时器以及波形发生器来生成SPWM调制信号用于控制全桥逆变电路功率管的通断，本实施例采用单极性调制方式，逆变器输出端电压与电网电压相比较经过LC滤波电路得到逆变器输出电流的瞬时值信号并返回。
[0047]系统的电压信号通过差分采样电路采集，电流信号通过霍尔传感器测量滤波后送入DSP, PCC点电压的频率和相位信息通过过零检测电路和锁相程序获得。
[0048]所述的电流参考信号是在DSP程序空间中预先存储标准正弦波数据表，运行锁相程序时通过查表获得电流参考信号的频率和相位信息，然后根据本发明构造的相位偏移表达式计算当前相位扰动添加量来修改标准正弦数据表的查表指针，从而使得逆变器输出电流和电压之间存在一定的相位差。
[0049]孤岛检测程序通过实时检测PCC点电压频率的变化情况来判断是否发生孤岛和对逆变器输出电流添加相位扰动。参照程序流程图4，系统通过检测并网电压的正向过零点并计数，计算两次正向过零点的时间间隔获得PCC点电压的频率，判断是否超过50±0. 5Hz ;若未超过设定的阈值则判断频率变化量是否超过±0. 2Hz，若未超过则根据PCC点电压频率与电网频率的偏差以及频差变化率模糊动态配置反馈参数Ic1，模糊控制框图如图3，若频率变化量超过±0.2Hz，则自适应在线调整模糊控制器输入输出量的量化和比例因子，直到PCC点电压频率超过50 ±0.5Hz，系统通过逆变器断开与电网的连接。
[0050]上述实施例仅为验证本发明技术思想的一种【具体实施方式】，不能以此限定本发明所提出方法的限制范围。凡是不偏离本发明思想和范围的情况下对其细节或形式的任何改动均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于模糊控制的自适应相位偏移孤岛检测方法，其特征在于：构造逆变器输出电流与PCC点电压的相位差为Ii1 X (fpcc-fg) +k2X Θ ^，式中，fpcc为PCC点电压频率，fg为电网额定频率，Θ ^为初始相位扰动量，ki为正反馈系数，k2为初始扰动量的系数，所述基于模糊控制的自适应相位偏移孤岛检测方法，包括如下步骤： (1)实时测量PCC点电压的频率并判断是否达到设定的频率保护阈值，若达到则启动孤岛保护，否则进入步骤（2); (2)对电网频率进行采样，取η个周期的平均值，η为整数且η> 10，读取PCC点电压频率，对输出电流施加相位扰动，此时令Ii1=O, Θ ^为一较小的正值并且相邻周期间歇性周期添加； (3)实时监测PCC点电压频率与电网频率偏差量的大小及其变化率，根据频差变化量和频差变化率的大小模糊整定正反馈参数h； (4)若PCC点电压频率偏差值超出频率偏差阈值时，对模糊控制器的量化因子和比例因子进行自适应在线调整以加快检测速度；SPCC点电压频率偏差值未超出频率偏差阈值则返回步骤（3)； (5)在扰动的过程中，每周期的频率偏差量都叠加到下一周的PCC点频率上，返回步骤(I)。
2.如权利要求1所述的一种基于模糊控制的自适应相位偏移孤岛检测方法，其特征在于：所述的PCC点电压频率fp。。为系统通过过零检测模块和软件锁相程序实时测量得到，并与过/欠频设置的门槛值相比较，若超出则关闭系统的输出，否则向逆变器输出电流施加相位扰动。
3.如权利要求1所述的一种基于模糊控制的自适应相位偏移孤岛检测方法，其特征在于：所述的电网额定频率fg为系统启动后采集η个周期的电网频率并取其平均值。
4.如权利要求1所述的一种基于模糊控制的自适应相位偏移孤岛检测方法，其特征在于：所述的初始扰动量Θ ^为相邻周期间歇性周期添加参量，所述的初始扰动量Θ ^为一较小的正值，O < Θ。≤I。
5.如权利要求1所述的一种基于模糊控制的自适应相位偏移孤岛检测方法，其特征在于：所述的系数k2为初始扰动量Θ ^的扰动方向给定，系数k2配置如下：若fpc;c;-fg > 0，则k2=l ;若 fpcx-fg〈0,则 k2=-l。
6.如权利要求1~5之一所述的一种基于模糊控制的自适应相位偏移孤岛检测方法，其特征在于：所述的频率保护阈值为各国并网标准所规定的电网断开后允许的最大频率偏差范围。
7.如权利要求1~5之一所述的一种基于模糊控制的自适应相位偏移孤岛检测方法，其特征在于：所述的模糊整定正反馈参数h表示不同特性的本地负载在固定扰动作用下的频率偏移量，电网断开后PCC点电压频率变化量和偏差变化率越小则反馈参数Ii1应越大； 所述的本地负载是参照IEEE孤岛测试标准所采用的RLC并联负载，其品质因数定义为Qf=RX sqrt (C/L)。
8.如权利要求1~5之一所述的一种基于模糊控制的自适应相位偏移孤岛检测方法，其特征在于：所述的在线自适应调整模糊控制器的量化因子和比例因子是按下式实现的：^ = ^?[1+1 a (t) I]，其中，a (t) = Λ Θ (t-D/θ。，式中，Iii为模糊控制器输入量的量化因子ke、ke。和输出控制量的比例因子ku，a (t)为伸缩因子，Λ Θ (t-1)为前t_l周期电压相角的增量。`
【文档编号】G01R31/00GK103760434SQ201310738002
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月27日 优先权日:2013年12月27日
【发明者】胥芳, 吴芳德, 谭大鹏 申请人:浙江工业大学