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基于无功电流_频率正反馈的孤岛检测方法

基于无功电流_频率正反馈的孤岛检测方法
基于无功电流_频率正反馈的孤岛检测方法

DOI:10.3969/j

.issn.1000-1026.2012.14.035基于无功电流—频率正反馈的孤岛检测方法

杨 滔,王鹿军,张 冲,吕征宇

(电力电子国家重点实验室,浙江大学,浙江省杭州市310027

)摘要:孤岛检测是光伏并网发电系统的必备功能,为了减小并网逆变器孤岛检测时的检测盲区,同

时最大限度地减小孤岛检测对输出电能的影响,

首先分析了逆变器输出的无功电流与频率之间的关系,然后在三相光伏并网逆变器锁相环的基础上,提出一种无功电流—频率正反馈的孤岛检测方

法,

推导了正反馈成立的参数条件,并对各个参数的获取方式进行了分析。仿真和实验证明,在电网正常时,该方法对系统几乎没有影响,但是一旦电网出现孤岛情况,无功电流与频率之间的正反馈会让频率迅速朝一个方向变化,直到触发孤岛保护。关键词:孤岛检测;锁相环;正反馈;无功电流;频率偏移

收稿日期:2011-09-08;修回日期:2012-01-

11。0 引言

在大型光伏发电系统[1]中,三相并网逆变器是非常重要的组成部分,其主要功能是将光伏电池收

集到的能量传输到电网。在能量传输过程中,不仅

需要对逆变器的输出电流、电网的电压和频率进行检测,

还必须考虑到电网断电时形成孤岛的状态[2-

3]。因为孤岛时,并网逆变器继续运行的话,会

对供电设备和人员造成潜在的危害[4]

,所以研究人

员提出了多种孤岛检测方法。

目前,主要的孤岛检测方法分为无源检测和有源检测两大类。无源检测方法包括过/欠压检测法、

高/低频检测法、相位突变法[5]、电压谐波检测法[

6]

、关键电量变换率检测法[7]

等。有源检测方法包括主动频率漂移法[8]、主动电流扰动法[9]

、滑模频率漂移

法[

10]、自动相位偏移法[11]、无功补偿检测法[12]

、正反馈频率漂移法[13]

、自适应调节有功无功检测

法[14]、在线阻抗测量法[15]、负序电流注入法[16]

、无功功率扰动法[17]

或者上述几种方法的混合方

法[

18-

19]。无源孤岛检测方法最突出的优点是对输出电能质量无影响,但是存在检测盲区。有源孤岛

检测方法可以减小检测盲区甚至消除盲区,但是引入的扰动将引起电能质量下降。

为了在减小检测盲区的同时,最大限度地减小孤岛检测方法对输出电能质量的影响,在三相光伏并网逆变器平台上,提出一种基于无功电流—频率正反馈的孤岛检测方法。

1 三相光伏并网逆变器平台

二极管钳位型三电平三相光伏并网逆变系统的

控制框图见附录A图A1。系统由两级组成:前级是Boost升压电路,后级是三电平三相并网逆变电路。由于LCL滤波器是一个三阶多变量系统,直接采用典型的并网电流闭环控制策略时系统是不稳定

的,并且不利于功率开关的保护[20]

。因此,这里采用逆变器侧的电流闭环控制。但是由于电容的分流

作用,系统的功率因数会降低。因此引入电容电流的前馈,通过逆变器侧电流来间接控制网侧电流,使得功率因数接近于1。

三相并网逆变器的输出电流要与电网电压保持同步,这就需要锁相环(PLL)的协同工作。图1是典型的基于abc/dq坐标转换的三相系统锁相环(

简称dq

-PLL)的控制框图

。图1 典型dq

-PLL控制框图Fig.1 Control diagram of typ

ical dq-PLL三相电网输入电压先经过abc/αβ坐标变换得

到复平面上的α,β轴分量Vα和Vβ,然后利用锁相角θp的正弦量和余弦量进行αβ/dq坐标变换,得到dq同步旋转坐标系下d,q轴分量Vd和Vq。当Vq

391—第36卷 第14期2012年7月25

日Vol.36 No.14

July 

25,2012

为0时,电网相角和锁相环相角一致。因此Vq中含

有电网相位角和锁相角之间的误差信息,这个误差信息经过比例—积分(PI)调节器后得到ωc,

然后与标称频率ω0=100π叠加后,积分得到锁相角θp。前馈量ω0的作用是提高调节速率,缩小调节量ωc的

变换范围。下面对锁相的原理进行具体解释。在理想的情况下,电网的三相电压Vsa,Vsb,Vsc

可以表示为:

Vsa=Um

cosθVsb=Um

cosθ-2

3()πVsc=Um

cosθ+2

3()

π(1)式中:Um为电网电压峰值;θ为电网电压相角。

由abc静止坐标系到αβ复平面坐标系的转换关系和αβ复平面坐标系再到dq同步旋转坐标系下的变换关系可得:

VdV[]q=Umcos(θ-θp)

sin(θ-θp

[]

)(2

)由式(2)可以看出,dq坐标系下的电压分量可

以反映出电网电压相角和锁相角之间的误差关系,通过求取Vd或者Vq并通过图1的控制框图进行闭环控制,就可以达到锁相的目的。以Vq为例,当Vq=0时,有θ=θp或θ=θp+π。但对于闭环系统而言,其中一个平衡点是不稳定的平衡点。平衡点的确定与Vq采用何种反馈方式调节有关。要想使得θ=θp,

就应该使用正反馈来调节,理由是当系统存在扰动使得θ-θp产生很小的误差且误差值为正时,表示锁相角落后于电网相角,只能通过正反馈来提高锁相角频率从而消除相位差;反之,如果用负反馈来调节,则最后达到的效果是θ=θp+

π。2 孤岛检测原理

并网逆变器控制是在dq同步旋转坐标系下完

成的。设网侧电流转换到dq坐标系下的d,q轴分量分别为id2和iq

2。那么输出到电网的有功功率和无功功率分别表示为:

P=32

(Vdid2+Vqiq2)(3

)Q=

32

(Vdiq2-Vq

id2)(4)如果电网的三相电压是理想的正弦波,那么在

dq坐标系中,

电压的大小可以表示为:Vd=槡2U

(5

)Vq=0

(6

)式中:U为电网相电压有效值。将式(6)代入式(3)和式(4),可以得到:P=

32Vdid2

(7)Q=32Vdiq2(8)根据参考文献[21]

,光伏发电装置所带的负载可以等效为R,L,C并联。如果电网出现孤岛的情

况,那么负载上的有功功率和无功功率分别为:

P=U2

R(9

)Q=U2ω

L-U2

ω

C(10)式中:R,L,C分别为R,L,C的值;ω为电网所在负载的电压角频率。

负载的品质因数为:Mf=R

CL

(11)将式(9)、式(11)代入式(10)

可以求出ω的表达式为:

ω=

1槡

LC1-12QPM()

f(12

)将式(7)和式(8)代入式(12

)中可以得到:iq

2=2id2Mf1-ωω()

(13

)式中:ωn=

1/槡LC。为了实现逆变器单位功率因数并网,必须使得

无功功率Q接近于0,这通常通过设置iq

2的参考值为0来实现。如果Q在工频情况下不为0,那么孤岛发生后逆变器输出电压的频率会发生变化,若其触发了频率范围的上下限,则可以判断电网发生了孤岛现象。或者,若输出功率与R上消耗的功率不匹配,则孤岛发生时逆变器的输出电压会发生变化,超过电压正常范围的话同样可以判断出孤岛。但是,当R,L,C等效负载的谐振频率和电网工频接近,并且R上消耗的功率和逆变器输出的有功功率基本匹配时,如果发生孤岛现象,逆变器的输出电压和频率变化都在电网允许的范围之内,无法触发孤岛保护。此时用被动式的检测方法无法检测到孤岛,必须借助主动的孤岛检测方式。从式(13)中可以发现:当孤岛发生时,如果iq2的值减小,则ω变大;如果iq2的值增大,则ω减小。因此,如果能够让两者形成正反馈,使得孤岛发生时

ω迅速朝一个方向变化直到触及频率的上下限,

就能顺利地实现电网的孤岛状态检测。

文献[22

]曾提出利用孤岛时有功功率或无功功率的扰动,使得有功电流或者无功电流形成正反馈来实现孤岛检测,但并未提出具体的公式,也并未对

491—2012,36(14

) 

孤岛检测成立的条件进行探讨。这里引入一个简单的比例关系来形成正反馈:

i*q2=K(ω0-ω)(14)

式中:i*

q2为i

q2

的参考值;K为比例系数,K>0;ω0为

电网电压额定角频率,其正常范围为310.86~317.10rad/s。

当电网正常时,应设计使得i

q2的参考值i*

q2

接近

于0,也就是使得ω0-ω接近于0,那么式(14)的加入就不会影响逆变器的正常工作。而当孤岛发生时,ω的微小扰动便能被正反馈迅速地放大,从而检测出孤岛。因此这个方法在应用时,最重要的是对参数K的设计以及对ω0和ω获取方式的设计。

首先讨论K的设计问题。从式(13)可以发现,如果一直设定i*

q2

为0,则孤岛发生时,输出频率最终会稳定在LC的谐振频率处。也就是说,孤岛发生瞬间,输出频率会朝LC谐振频率的方向波动。为了使得正反馈正常进行,可以进行如下处理。

1)当孤岛发生时,如果ω>ωn,则iq2<0且会逐

渐增大到0,此时可以让i

q2

一直增加,直到ω减小到触发孤岛保护,也就是必须满足下式:

i*q2>iq2(15)2)当孤岛发生时,如果ω<ωn,则iq2>0且会逐

渐减小到0,此时可以让i

q2

一直减小,直到ω增大到触发孤岛保护,也就是必须满足下式:

i*q2<iq2(16)将式(13)和式(14)代入到式(15)和式(16),均可得到:

K>2id2Mf1-

ω

ω

()n

ω01-

ω

ω

()n=A ω≠ω0(17)

也就是说,只要满足式(17),那么正反馈就能正常进行,直到触发孤岛保护。由于不知道ωn的具体数值,为了能在并网逆变器中应用本文提出的孤岛检测方法,在ωn不同取值情况下对式(17)进行讨论。设ω的正常范围是310.86~317.10rad/s,超出这一范围就触发孤岛保护。那么采用提出的无功电流—频率正反馈的扰动方法,会出现以下几种情况。

第1种情况:如果ωn>317.1rad/s,那么孤岛发生时只可能出现ωn>ω>ω0,此时有ωn-ω>0>ω0-ω,则A<0,此时式(17)可以转化为K≥0。

第2种情况:如果317.1rad/s≥ωn>ω0,则孤岛发生时可能会出现2种状态。如果ωn>ω>ω0,此时有ωn-ω>0>ω0-ω,则A<0,此时式(17)可以转化为K≥0;如果ω≥ωn>ω0,则0≥ωn-ω>ω0-ω,那么0≤(ωn-ω)/(ω0-ω)<1,又有0<ω0/ωn<1,则0≤A<1,此时式(17)可转化为K≥2id2Mf/ω0。

第3种情况:如果ω0>ωn≥310.86rad/s,则孤岛发生时可能会出现2种状态。如果ω0>ω>ωn,此时有ω0-ω>0>ωn-ω,则A<0,此时式(17)转化为K≥0;如果ω0>ωn≥ω,则有ω0-ω>ωn-ω≥0,变换后可以得到1>(ωn-ω)/(ω0-ω)≥0,又因为有0<ω0/ωn≤1.02,则有0≤A<1.02,此时式(17)转化为K≥2.04id2Mf/ω0。

第4种情况:如果ωn<310.86rad/s,那么孤岛发生时只可能出现ω0>ω>ωn,此时有ω0-ω>0>ωn-ω,则A<0,此时式(17)转化为K≥0。

第5种情况:如果ωn=ω0,则孤岛发生时,理论上ω不会发生变化,该种孤岛检测方法的盲点就在于此。但实际情况下,这种情况出现的几率非常之低,即使刚好出现,孤岛发生时,逆变器并网电流的谐波都会使得检测得到的ω发生波动。只要ω有轻微的波动,那么式(17)就转化为K>2id2Mf/ω0。

综上所述,无论ωn是何值,只要满足式(18),就肯定能满足式(17)。也就是说满足式(18)的条件,本文提出的无功电流—频率正反馈的方法就能正常工作,从而检测出孤岛效应。

K≥

2.04id2Mf

ω0

(18)

下面对ω0的获取问题进行讨论。由于ω0在一定的范围内波动,如果简单地取为定值,式(14)的加入就可能对逆变器输出的电能质量造成持续性影响,因此必须让ω0能够正常地跟随电网频率的波动。由于电网正常波动时,其频率通常是缓慢变化的,而孤岛检测通常要求在100ms内完成,因此,可以对ω低通滤波来得到ω0。巴特沃兹低通滤波器的设计原则是要求在100ms内,ω的变化基本不影响ω0的值。这里将截止频率取为1Hz,这样就可以在电网正常波动时,减小式(14)对逆变器输出电能质量的影响。

ω的精确获取是该孤岛检测方法成功的关键。如果ω的获取精度较低,不仅会对逆变器输出电能质量产生负面影响,而且很可能会误触发孤岛保护。因此,这里采用精度较高的霍尔电压传感器来检测电网线电压,并在数字信号处理器(DSP)里进行数字低通滤波以提高ω的获取精度。同时,电网电压中通常含有一定量的谐波成分。文献[19]指出,电网电压幅值不平衡时,获取的ω中会含有2倍工频的谐波;电网电压含有谐波分量时,获取的ω中会含有6倍工频的谐波;电网电压含有直流偏置时,获

·绿色电力自动化· 杨 滔,等 基于无功电流-频率正反馈的孤岛检测方法

取的ω中会含有1倍工频的谐波。这些谐波含量会

对孤岛检测的效果造成影响,甚至会导致误触发孤岛保护。因此,文献[23]中提出用改进型锁相环(EPLL)得到基波电压和相移90°的电压信号后,通过公式计算得到正序基波分量,再进行电网角频率

ω的运算,

这样就可以消除三相电网电压畸变对ω的获取造成的影响。

通过上述讨论得到的孤岛检测控制框图如图2

所示。将式(14)计算得到的i*

2值替代附录A图A1中i*

q2=0,就能够形成正反馈,从而达到孤岛检测的目的

图2 孤岛检测控制框图

Fig.2 Control diagram of islanding 

detection3 孤岛检测仿真研究

为了验证本文提出的孤岛检测方法,按照附录A图A1所示的电路搭建了MATLAB仿真电路图。电路的具体参数设置如下:逆变器额定功率为

10kW,开关频率为10kHz,母线电压为680V,

滤波电感Lf1为1mH,滤波电容Cf为25μF,滤波电感Lf2为0

.8mH,三相等效负载中R为14.5Ω,L为18.47mH,C为549.05μF,负载品质因数为2.5,负载谐振频率为50Hz

,电网额定相电压为220V,电网额定频率为50Hz

。这些参数的设置能够使得电网在发生孤岛时,对逆变器输出产生的影响最小,从而模拟最恶劣情况下的孤岛检测情况。三电平技术通常应用在大功率场合,本文取为10kW的原因是实验室搭建的三电平逆变器模型机刚好为10kW,仿真参数与实验参数一致,便于对比。

首先对图1所示dq-PLL的性能进行仿真。图3(a)为电网电压不畸变时得到的角频率波形;图3(b)为电网电压A相加上10V有效值,C相减去

10V有效值后得到的角频率波形;图3(c

)为电网电压A相加上10V直流偏置,C相减去10V直流偏

置后得到的角频率波形;图3(d

)为电网电压每相加入10%额定电压的5次谐波后得到的角频率波形。从中可以发现,电网不含任何畸变时,ω几乎没有波动;而在3种不同畸变的情况下,电网电压角频率都有不同程度的波动,这很容易造成孤岛检测的误判。因此,对dq

-PLL进行改进非常必要

。图3 电网电压在不同情况下的角频率

Fig.3 Grid voltage angle frequency 

underdifferent 

conditions图4(a

)为在电网电压含有图3所示的3种畸变叠加分量时使用dq-PLL得到的角频率波形;图4(b)为先进行正序分量提取,再用dq

-PLL进行锁相得到的角频率波形。对比发现,

改进后的锁相环对电网畸变有非常强的抑制作用,对本文提出的

孤岛检测方法的应用非常有利

图4 电网电压畸变时2种锁相环下得到的角频率

Fig.4 Angle frequency 

with different PLL modelswhen g

rid voltage distorts接着对本文提出的孤岛检测方法进行仿真。

图5是在不加入任何孤岛检测方法的情况下,孤岛发生后的5个工频周期内,电网电压的角频率、网侧无功电流、网侧电压及并网电流的变化情况

图5 无孤岛检测方法时孤岛情况下的各种波形

Fig.5 Waveforms under islanding 

situation withoutislanding 

detection—

691—2012,36(14

) 

从图中可以发现,

在0.4s孤岛发生时,电网断开,但是网侧电压幅值、角速度和无功电流只是有轻微波动,并未产生明显变化。这些波动主要是由于逆变器的谐波造成的,且这些轻微的波动并不足以触发孤岛保护。

图6是K取0.9×2.04id2Mf/ω0时,

得到的电压角频率和无功电流的波形。可以发现,角频率和

无功电流相对于无孤岛检测方法时的情况,均产生了一定变化,

但是K的取值并不能够使得正反馈正常地进行下去进而触发孤岛保护

图6 K=0.9×2.04id2Mf/ω0时的角频率和

无功电流波形

Fig.6 Waveforms of angle frequency 

and reactivecurrent when K=0.9×2.04id2Mf/ω0

图7是K取2.04id2Mf/ω0时,

得到的电压角频率和无功电流波形。可以发现,

在孤岛发生时,正反馈能够正常进行,使得角频率在朝着一个方向不断

减小。但是在5个工频周期后,并未减小到能够触发孤岛保护的程度。因此,满足式(20)只能使得正反馈正常进行,但是不能保证在规定时间内检测出孤岛效应

图7 K=2.04id2Mf/ω0时的角频率和无功电流波形

Fig.7 Waveforms of angle frequency 

and reactivecurrent when K=2.04id2Mf/ω0

图8是K取2×2.04id2Mf/ω0时,

得到的电压角频率和无功电流的波形。可以发现,这种情况下角频率和无功电流迅速朝一个方向变化,并且能在3个工频周期内就检测出孤岛,完全符合孤岛检测的时间要求。因此,在ω0与ω的差小于一定阈值的

情况下,K取2.04id2Mf/ω0,在ω0与ω的差大于这个阈值的情况下,K取2×2.04id2Mf/ω0,

能在电网正常波动的时候,减小故障检测方法对电网的影响,同时又不影响孤岛检测。这个阈值可以根据实验来获取

图8 K=2×2.04id2Mf/ω0时的角频率和

无功电流波形

Fig.8 Waveforms of angle frequency 

and reactivecurrent when K=2×2.04id2Mf/ω0

4 实验结果

为了检验本文方法在并网逆变器中的实际应用

效果,搭建了三相并网逆变电路,如附录A图A2所示。孤岛测试用的等效负载见附录A图A3,包括电容负载箱、电阻负载箱和外置可切换电感。

首先对逆变器及锁相环的工作情况进行测试。

图9(a)为逆变器端A,C两相间的电压波形,证明本文使用的逆变器确实是三电平的。图9(b)

为在不加入孤岛检测方法时,得到的电网A相电压Vsa和锁相角θp。θp无法直接测量,

是通过采样电网电压并在DSP中计算后,再通过数字/模拟(D/A)

转换芯片输出得到的。从中可以发现,电网电压在顶

部和底部存在一定的畸变,

但是锁相环工作相当良好,输出的θp完全能够跟上电网电压相角,

并且几乎不存在任何扰动

图9 逆变器和锁相环的工作情况Fig

.9 Work condition of inverter and PLL接着对不同功率下的孤岛检测效果进行检验。

经多次实验测试,本文将ω-ω0的阈值取为1rad/s,也就是说ω和ω0的差在1rad/s以内时,K

取2.04id2Mf/ω0,ω和ω0的差超过1rad/s时,K取2×2.04id2Mf/ω0。首先对输出10kW功率时的孤岛状况进行检测,得到的ω和无功电流iq

2的波形如图10(a

)所示。—

791—·绿色电力自动化· 杨 滔,等 基于无功电流-频率正反馈的孤岛检测方法

图10 孤岛发生时角速度和无功电流波形

Fig.10 Waveforms of angle frequency 

and reactivecurrent when islanding 

happens可以发现,孤岛发生前,ω存在0

.5rad/s的波动,孤岛发生后5个工频周期内,ω值从3

14rad/s下降到304rad/s

,已经可以顺利地检测出孤岛。接着按照Mf不变的原则将负载输出功率换为5kW和2.5kW,

并对这2个功率下的孤岛检测效果进行检验,得到的波形如图10(b)和(c

)所示。从中可以发现,2个功率下,孤岛发生后5个周期内,ω分别

降到了308rad/s和309rad/s

,已经可以检验出孤岛状态。

对比这3个波形可以分析出以下几点。1

)孤岛检测速度跟负载谐振频率密切相关,输出功率为10kW的情况下,ωn和ω0的差值最大,

孤岛发生瞬间频率跌落最大,因此检测速度也最快。

)当前孤岛检测方法下,无功电流存在一定波动,并且随着功率的增大,波动更加明显。3)逆变器的输出谐波会对公共耦合点的电压产生影响,功率越大影响越明显,进而会影响到锁相环,使得检测得到的ω产生一定的波动,如果谐波总量过大,会影响检测效果。为了分析此孤岛检测方法对输出电能质量的影响,将检测方法加入前后的输出电流做快速傅里叶变换(FFT)分析,如附录A图A4所示。理论上,

当iq

2存在波动时,电流基波幅值会增大,但从附录A图A4可以发现,由于iq

2波动比较小,基波幅值变化相当小。将电流数据导入MATLAB,

算出2种情况下的总谐波畸变率(THD)分别为2.14%和

2.17%,

差别不大,完全满足并网条件。5 结语

提出了一种基于无功电流—频率正反馈的孤岛

检测方法,推导出正反馈成立的条件,并且用仿真和实验验证了这种方法的可行性。该方法的优点是几

乎没有检测盲区,

并且在电网频率稳定时,对系统几乎没有扰动,但是一旦产生孤岛,无功电流和频率之

间的正反馈关系会让频率迅速朝一个方向变化,

直到触发孤岛保护。该方法的缺点是:如果电网的容

量比较小,

电网的频率会有一定范围的波动,此时该方法会对并网逆变器的输出电能质量产生轻微的影响;同时,K的取值是变化的,

因此它的计算和处理也需要耗费控制芯片一定的计算资源。总之,该方法对于三相并网逆变器的孤岛检测有一定的借鉴意义。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sg

cc.com.cn/aeps/ch/index.asp

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杨 滔(1983—),男,通信作者,博士研究生,主要研究方向:新能源发电及电力传动。E-mail:yangtao1199@hotmail.com

王鹿军(1985—),男,博士研究生,主要研究方向:电力电子及电力传动。

张 冲(1987—),男,硕士研究生,主要研究方向:新能源发电。

A Novel Islanding 

Detection Method Based on Positive Feedback Between Reactive Current and FrequencyYANG Tao,WANG Lujun,ZHANG Chong,L Zhengy

u(State Key Laboratory of Power Electronics,Zhejiang 

University,Hangzhou 310027,China)Abstract:Islanding 

detection is one of the most important functions in the photovoltaic power generation system.In order toeliminate the non-detection zone and minimize the effect on the power quality,a novel islanding detection method using thepositive feedback between reactive current and frequency is proposed based on the phase-locked loop of three-phase photovoltaicgrid-connected inverter.The parameters are selected to guarantee the positive feedback and the flowchart of this method isgiven out.Simulation and experiments show that the method almost has no disturbance on the system under normal op

erations.But when an islanding occurs,the positive feedback between the reactive current and frequency will change the frequencyquickly in one direction until triggering the islanding 

protection.Key 

words:islanding detection;phase-locked loop;positive feedback;reactive current;frequency drift—

991—·绿色电力自动化· 杨 滔,等 基于无功电流-频率正反馈的孤岛检测方法

无功功率的测量方法

四种相位的测量方法(无功功率) 一、无功功率概念的历史发展 最早的无功功率概念是建立在单相正弦交流信号的基础上。 设某线路的电压 ,电流,则 有功功率为 ,无功功率为。U 、I,分别为电压与电流的有效值。 随着半导体行业和电力工业的发展,各种整流器件、换流设备以及其他非线性负载大量安装与电力系统中,使原有的无功功率定义在工程运用中非常不方便。 现在人们对正弦信号无功功率有了新的理解。 假设某单相线路的电压为 ,电流为,则将按照与平行和垂直两个方向分解为与,那么与的积即为无功功率。 二、无功功率的测量方法 1、替代法 主要使用于无功功率变送器中,用于测量三相平衡电路的无功功率。当三相电路严格平衡对称时,此方法不存在原理性误差。在不对称与存在多谐波的情况下,此方法不适用。 2、电子移相测量法(简称模拟移相法) 多用于比较高级的综合仪器中(多用数字表) 根据三角公式变换??sin 90-cos =?)(,从而把无功功率测量转化为有功功率测量,即转化为求两个向量的内积)(???=??=90-cos U I sin U I Q ??。这已经可以比较方便的测量了。 理想情况下电子移相并不存在原理性误差。但在工程上电容与电阻是实际元件,其值及相应的效应与理想值差距巨大,所以效果并不理想。 3、数字移相测量法 在一个周期内对三相电压、三相电流均匀采样24点至64点(因生产厂家所生产的设备不同而异),然后用电压采样值乘以滞后90度点的电流采样值,做积分运算从而得到一个周期内的平均无功功率 N N N N /)j 4/(i u )j 4/(i u )j 4/(i u Q N 1j C Cj B Bj A Aj ∑=+?++?++?=)( 式中 j ——代表第j 个采样点 N ——代表一个周期的采样点数,N/4代表1/4个周期 从原理上讲,不存在理论误差。该方法的问题主要在于数字移相的适用性。当被测量是单纯的三相正弦信号,可以通过控制采样点数及其均匀的程度来实现精密的数字移相。但是如果被测信号不是严格的正弦波,有谐波含量、则数字移相就要出现误差。原因在于,数字移相90度是按基波计算的,对于三次谐波而言,则相当于移了270度,对于五次谐波而言,相当于移相90度。所以此时的无功功率测量存在着各次谐波造成的误差。 )?+=wt sin(2u U )?+=wt sin(I 2i ?cos UI P =?sin UI Q =→U →I →I →U →1I →2I →U →2I

三相电力系统中的广义瞬时无功功率理论

三相电力系统中的广义瞬时无功功率理论 摘要该篇论文讲述了三相电力系统中广义上的瞬时无功功率理论。该理论给出了瞬时无功功率的一般定义,适用于任何三相电力系统,不论正弦或非正弦,平衡或不平衡以及是否含有零序电流和电压。并且详细论述了新定义的瞬时无功功率的特性和物理意义,然后又以含零序的三相滤波器为例来说明如何用该理论来计算和补偿无功功率。 1.引言 对于正弦电压和正弦电流的单相电力系统来说,有功功率,无功功率,有功电流,无功电流、功率因数等参数都是基于平均值的概念。很多学者都试图重新定义上述参数来处理不平衡以及电压、电流发生畸变的三相系统。 其中,引入了一个有用的瞬时无功功率的概念,它提供了一个有效的方法可以不用储存能量就能补偿三相电力系统的瞬时无功功率分量。但是这个瞬时无功功率理论仍然在概念上仍然受[2]中所列出的限制,即该理论只是对于不含零序电流和零序电压的三相系统是完整的。为了解决这个限制和其他问题,提出了一个新方法来定义瞬时有功电流和瞬时无功电流。但是,他的方法是把电流分解成正交的分量,而不是分解功率。 这篇论文提出了三相电力系统的瞬时无功功率的一般理论,该理论给出了瞬时无功功率的一般定义,适用于任何三相电力系统,不论正弦或非正弦,平衡或不平衡,以及是否含有零序电流和电压。下面介绍这个理论的一些性能。

2.三相系统的瞬时无功功率的定义 图1 三相电路的结构 对于图1所示的三相电力系统,瞬时电压和瞬时电流表 示成瞬时空间矢量v和i ,也就是 图2 三相的相量图 图2给出了互相垂直的三相坐标图,依次记为a相,b相,c相。这个三相电路的瞬时有功功率p可以写成 这里表示点乘或者矢量的内积。 公式(2)也可以写成传统的定义式 这里,我们定义一个新的瞬时空间矢量为

三相无功功率的测量方法

三相无功功率的测量方法 发电机及变压器等电气设备的额定容量为S=UI,单位为伏安。在功率因数较低时,即使设备已经满载,但输出的有功功率却很小(因为P=UIcosφ),不仅设备不能很好利用,而且增加了线路损失。因此提高功率因数是挖掘电力系统潜能的一项重要措施。电力工业中,在发电机、配电设备上进行无功功率的测量,可以进一步了解设备的运行情况,以便改进调度工作,降低线路损失和提高设备利用率。测量三相无功功率主要有如下方法。 1. 一表法 在三相电源电压和负载都对称时,可用一只功率表按图4-1联接来测无功功率。 将电流线圈串入任意一相,注意发电机端接向电源侧。电压线圈支路跨接到没接电流线圈的其余两相。根据功率表的原理,并对照图4-1,可知它的读数是与电压线圈两端的电压、通过电流线圈的电流以及两者间的相位差角的余 弦cosφ的乘积成正比例的,即P Q =U BC I A cosθ (4-1) 其中θ =ψ UBC –ψ iA 图4-1 由于uBC与uA间的相位差等于90度(由电路理论知),故有θ=90o-φ式中φ为对称三相负载每一相的功率因数角。在对称情况下UBC IA 可用线电压U1及线电流I1表示,即 PQ=U1I1cos(90o-φ )=U1I1sinφ (4-2) 在对称三相电路中,三相负载总的无功功率Q =√3 U1I1sinφ (4-3) ∴ 亦即Q=√3PQ (4-4) 可知用上述方法测量三相无功功率时,将有功功率表的读数乘上√3/2 倍即可。 2. 二表法

用两只功率表或二元三相功率表按图4-2联接,从功率表的作用原理可知,这时两个功率表的读数之和为 PQ=PQ1=PQ2=2U1I1sinφ(4-5) 较式(4-3) (4-5) 知(4-6) Q=√3PQ/2 图4-2 从上式可见将两功率表读数之和(或二元三相功率表的读数)乘以√3/2,可得到三相负载的无功功率。 3. 三表法 三表法可用于电源电压对称而负载不对称时,三相电路无功功率的测量,其接线如图4-3所示。当三相负载不对称时,三个线电流IA、IB、IC不相等,三个相的功率因数角φA 、φB 、φC 也不相同. 图4-3 因此,三只功率表的读数P 1、P 2 、P 3 也各不相同,它们分别是:4-3 (1) P 1=U BC I A cos(90o-φ A )=√3U A I A sinφ A (2) P 2=U CA I B cos(90o-φ B )=√3U B I B sinφ B

无功电流的测试

摘要 随着电力电子设备及非线性负载在电力系统中广泛应用,电网中的电压和电流波形畸变也越来越严重。谐波的抑制和无功电流补偿已成为电力电子学和现代电力系统急需解决的问题。这些非线性负荷在工作中时向电源反馈高次谐波,导致供电系统的电压、电流波形畸变,使电力质量变坏。而由于无功电流的存在,在传送同样能量的情况下,电流比没有无功的情况下增加,会大量增加系统的铜损,降低线路与变压器的利用率。无功电流检测是对电网无功功率补偿必不可少的部分。本文主要介绍了电流的检测基本原理和从检测电流中分解出无功电流的方法和原理。检测电流包括基波分量和谐波分量,基波分量又包含有功电流分量和无功电流分量,通过滤波可以得到基波电流分量,与原有电流相减就可以得到谐波电流,通过坐标变换可以将基波电流分解成有功电流和无功电流。 关键词:基波谐波有功电流无功电流

目录 摘要I 1 电流检测的意义和基本原理 1 2无功电流的分解方法 2 2.1三相对称电路无功电流检测2 2.2单相电路无功电流检测8 3无功电流检测仿真及分析12 3.1三相对称电路无功电流检测仿真及分析12 3.2单相电路无功电流检测仿真及分析 18 总结与体会23

参考文献:25

无功电流检测研究 1 电流检测的意义和基本原理 电力电子技术的快速发展使得非线性装置在工业界广泛应用,随之产生的谐波污染问题也日益严重。谐波抑制及无功补偿的一个重要手段是电力有源滤波器。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波或无功电流,由补偿装置产生一个与该电流大小相等而极性相反的补偿电流与其相抵消。其中,谐波和无功电流的正确检测是决定补偿效果的重要环节。无功功率Q是既产生附加线损,又对发,配电系统都有影响的量,分析Q 的物理本质,研究它的正确涮量与补偿的方法,是电工理论与电工技术中尚无定论的一个重要课题。无功功率是无功电流引起的,欲了解无功功率,应先了解无功电流。无功电流是导出量,不是基本量,基本量是有功电流。由有功电流不仅可导出无功电流和无功功率,还可以确定无功补偿所需要达到的目标以及无功补偿应采取的方法等。

光伏并网逆变器一个有效的反孤岛解决方案

反孤岛解决方案 1. 孤岛效应 所谓孤岛效应,是指当电力公司因故障或停电维修而停止供电时,用户端的并网逆变器系统仍处于工作状态,使得并网逆变器和周围的负载形成了电力公司无法控制的自供电网络。光伏并网发电系统处于孤岛运行状态时会产生严重的后果: (1)电网无法控制孤岛中的电压和频率,若电压和频率超出允许的范围,可能对用户的设备造成的损坏; (2)若负载容量大于光伏发电系统的容量,光伏发电系统过载运行,易被烧毁; (3)与光伏发电系统连接的电路仍会带电,对检修人员造成危险,降低电网的安全性; (4)对孤岛进行重合闸操作时会导致该线路再次跳闸,还有可能损坏光伏发电系统和其他设备。 因此,光伏并网逆变器具有孤岛检测和反孤岛的功能是很有必要的。 2. 孤岛检测 检测孤岛效应的方法有很多种,主要分为两种:被动检测和主动检测。 被动检测就是光伏并网逆变器检测与电网连接处的电网电压或频率的异常来检测孤岛效应。 主动检测是有意的引入一些扰动信号,来监控系统中的电压、频率和阻抗的相应变化,以确定电网的存在与否。 比较被动检测和主动检测的区别,被动检测的软件实现比较简单,但是检测范围有限,无法满足并网发电系统反孤岛保护安全标准的要求,因此我们选择用主动检测的方法;而主动检测可以使孤岛检测的盲区尽可能的小,孤岛检测比较有效,但是软件实现比较复杂,并且会使并网发电系统的发电效率有所降低。 国际上对反孤岛检测方案和响应时间没有明确的规定, IEEE Std.929[2]和IEEE Std.1547[3]根据孤岛效应发生时的具体情况推荐了不同的孤岛效应检测时间。表1为IEEE Std.1547[3]允许的孤岛效应检测时间。 n n n f 指电网电压的频率值。对于中国的单相市电,n f 为50Hz 。

讲义 第6章 反馈与振荡电路

第6章 反馈与振荡电路 放大电路引入反馈后,称为反馈放大电路,或闭环电路。反馈电路又分负反馈电路和正反馈电路。 负反馈能改善放大电路的各种性能指标,广泛应用在模拟电子技术中。 放大电路接入正反馈可以构成振荡电路。 (本章只介绍反馈) 6.1 反馈的基本概念 6.1.1 反馈的基本概念的引出 在第二章讨论过工作点稳定的共射极放大电路,如图6-1所示。 图中电阻E R 称为温度补偿电阻,E R 的作用是稳定静态工作点。 静 态 工 作 点 稳 定 的 实 质 : ,()(),C E E E E E E C BE B B C E T I I U U R I R I U U I I I ↑?↑↑?↑=≈?↓?↓?↓↓固定 E R 把输出端的静态电流C I 返送到输入端,进而稳定C I 的变化。这个稳定过程是直流负反馈的过程。 1、反馈:将输出信号(电压或电流)的一部分或全部以某种方式回送到电路的输入端,使输入量(电压或电流)发生改变,这种现象称为反馈 2、反馈放大电路 具有反馈的放大电路包括基本放大电路A 及反馈网络F 两个部分。其组成框图如图6-2所示 基本放大电路:未加反馈的单级、多级放大电路,或者是集成运算放大器。 反馈网络:可由电阻。电感。电容或半导体器件组成。 3、直流反馈和交流反馈 (1)直流反馈:若反馈信号只包含直流分量。直流负反馈具有稳定静态工作点的作用。 (如图6-1所示就是直流反馈电路) (2)交流反馈:若反馈信号只包含交流分量。 (3)判断交流与直流反馈:看反馈元件是在交流通路中还是在直流通路中起作用。 (去掉旁路电容E C ,如图6-3所示电路,就包含有交流反馈) 有时反馈既有直流分量,又有交流分量,称之为交、直流反馈。图6-3所示电路就是既有交流反馈又有直流反馈。 4、正反馈与负反馈 (1)正反馈:若反馈信号在输入端与输入信号相加,使净输入信号i X '增加,称为正反馈; (2)负反馈:若反馈信号在输入端与输入信号相加,使净输入信号i X '减小,称为负反馈。 (负反馈使放大倍数下降,但使得其他许多性能得到改善,因此在放大电路中得到广泛应用。正反馈虽然提高了放大倍数,但使得其他性能降低,因此在放大电路中很少采用,主要用于振荡电路和数字电路的暂态过程。)

三相电路瞬时无功功率理论首先1983年由赤木泰文提出,此后该理论经不断研究逐渐完善。赤木最初提出的理

三相电路瞬时无功功率理论首先1983年由赤木泰文提出,此后该理论经不断研究逐渐完善。赤木最初提出的理论亦称pq 理论,是以瞬时实功率p 和瞬时虚功率q 的定义为基础,其主要的一点不足是未对有关的电流量进行定义。下面将要介绍的是以瞬时有功电流p i 和瞬时无功电流q i 为基础的理论体系,以及它与传统功率定义之间的关系。 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为a e 、b e 、c e 和a i 、b i 、c i 。为分析问题方便,把它们变换到βα-两相正交的坐标系上研究。由下面的变换可以得到α、β两相瞬时电压αe 、βe 和α、β两相瞬时电流αi 、βi ??????e e βα??????i i βα式中=32C 在图6-1 e e e α+=i i i βα+=式中,e 【定义 cos i i p =?sin i i q = (6-6) 式中,i e ???-=。βα-平面中的p i 、q i 如图6-1所示。 【定义6-2】三相电路瞬时无功功率q (瞬时有功功率p )为电压矢量的模和三相电路瞬时无功电流q i (三相电路瞬时有功电流p i )的乘积。即 p ei p = (6-7)

q ei q = (6-8) 把式(6-5)、式(6-6)及i e ???-=代入式(6-7)、式(6-8)中,并写成矩阵形式得出 ??????=????????????-=??????βαβααβ βαi i C i i e e e e q p pq (6-9) 式中?? ????-=βββα e e e e C pq 。 把式(6-1)、式(6-2)代入上式,可得出p 、q 对于三相电压、电流的表达式 a a i e p +=([q =3 1从式(【定义q i (瞬i i p p α=i i p p β=i i q q α=i i q q β-=图6-1从定义3(1) 2 22p p p i i i =+βα (6-13a ) 222q q q i i i =+βα (6-13b ) αααi i i q p =+ (6-14a ) βββi i i q p =+ (6-14b ) 上述性质(1)是由α轴和β轴正交而产生的。

孤岛检测知识部分文档

孤岛检测知识部分文档 1、IEEE孤岛检测标准 国际通行的光伏系统入网标准IEEE Std.2000-929以及分布式电站入网标准IEEE1547,都对并网逆变器孤岛检测功能做出了要求。 两种异常(公共点的频率和电压) 2000-929规定当公共点的频率在59.3~60.5(美国60hz工频)之外时,并网逆变器在6个周期内停止供电;在公共点电压异常下逆变器停止供电时间标准如表: 2、户用光伏系统国际检测标准对比:美国、英国、中国 我国的光伏系统并网技术要求(GB/T 19939-2005)规定光伏系统并网后的频率允许偏差值为正负0.5Hz,一旦超过,则应在0.2s内动作,即与电网断开。电压异常见下表。同时还规定,在电网的电压和频率恢复到正常范围后的20s~5min,光伏系统不应向电网送电。北美标准至少延迟5min,德国标准延迟20s。 3、检测通用电路和流程 检测电路:2000-929标准给出了一套标准的检测方法。测试电路主要由电网、rlc负载和并网逆变器以及电网隔离开关组成。检测点在电网隔离开关和负载开关之间。其中在选择RLC 参数时牵涉到电路品质因数Q值的选取问题,因为高Q值使电路有朝着并保持于谐振频率处工作的趋势。在使用频率扰动反孤岛检测时,Q值越高,频率漂移的困难越大。因此在进行反孤岛测试时,太小或太大的Q,值都是不实际和不可取的。IEEE Std 929工作组成员和十几位电网工程师经过讨论认为选取Q=2.5符合电网的实际情况。下图为基于逆变器的孤岛效应RLC型测试电路图,当电网隔离开关断开时,发电系统处于孤岛状态。 各国采用的测试电路都不尽相同,比如日本就采用电容补偿的单相感应电机带大惯性负载(某种程度与RLC负载等效)。而欧盟的ENS标准则采用0.5欧的电阻切投,测试对阻抗变化的

谐波及无功电流检测方法对比分析

谐波及无功电流检测方法对比分析 0 引言 APF补偿电流的检测不同于电力系统中的谐波测量。它不须分解出各次谐波分量,而只须检测出除基波和有功电流之外的总的高次谐波和无功畸变电流。难点在于准确、实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电流,为有源电力滤波器控制系统进行精确补偿提供电流参考,这是决定APF性能的关键。目前文献已报道运行的三相APF中所使用的几种谐波电流检测方法,除了各自存在的难以克服的缺陷外,共同存在的问题是,由于是开环检测系统,故对元件参数和系统的工作状况变化依赖性都比较大,且都易受电网电压畸变的影响。对单相电路的谐波和无功电流的检测还存在实时性较差的缺点。 本文对目前有源电力滤波器中应用的畸变电流检测与控制方法进行了分析比较,在此基础上,针对APF中只须检测总的畸变电流,反向后注入系统,以抵消或补偿系统中畸变电流,使电网仅提供基波有功电流这一工作特点,从保证APF能最有效地工作出发,综合瞬时无功功率理论检测法的快速性和闭环电路的鲁棒性,提出了基于瞬时无功功率理论的闭环检测方案。从谐波及无功电流开环、闭环检测电路抽象出检测电路的本质(本文称为统一模型),在此基础上,给出了检测电路的优化设计方案,研究了检测系统中等效低通滤波器的阶数与截止频率对检测精度与快速性的影响,推导了统一模型下闭环检测电路的实现。最后,通过实验加以验证。 1 基波幅值检测原理 设单相电路中的电源电压为 u s= U sin t(1) 非线性负荷电流为 i L(t)=i f(t)+i h(t)=i fp(t)+i fq(t)+i h(t)=i fp(t)+i c(t)(2) 式中:i f(t)为i L(t)的基波电流; i h(t)为i L(t)中高次谐波电流; i fp(t),i fq(t)分别为基波电流的有功分量和无功分量; i c(t)为要补偿的谐波和无功电流之和,称为畸变电流。 因为,负荷电流中的基波有功分量必定是一个初相角与电网电压相同,角频率为基波角频率ω的正弦波,所以,我们可以设负荷电流的基波有功分量为 i fp(t)=A sin t(3) 若能求出A的大小,则可由式(3)得出基波有功电流的表达式。

基于旋转空间矢量分析的瞬时无功功率理论及应用

基于旋转空间矢量分析的瞬时无功功率理论及应用 Instantaneous Reactive Power Theory Based on Space Vector Analysis and Its Applications 刘进军 王兆安 西安交通大学 Liu Jinjun Wang Zhaoan ( Xi’an Jiaotong University ) 摘要 本文建立了瞬时无功功率理论基于旋转空间矢量的分析方法借以深入分析瞬时无功功率理论与传统功率理论统一关系的内在本质并探讨了瞬时无功功率理论中功率脉动现象的实质原因最后在对瞬时无功功率理论的深入认识的基础上分析了其应用范围并给出了应用实例 叙词无功功率 功率理论 空间矢量 Abstract This paper established a space vector method for the analysis of instantaneous reactive power theory. By this method , the inner nature of the uniform relationship between the instantaneous reactive power theory and the conventional theory is revealed, and the origins of the power oscillation phenomenon in the instantaneous reactive power theory can be easily investigated. Based on the above analysis and the understanding of the uniform relationship, the application area of the theory is well enlarged. This is discussed in detail in the final part and experimental results are shown. Keywords: Reactive power Power theory Space vector . 引言 自日本学者赤木泰文提出三相电路瞬时无功功率理论以来[,]12不少文献进行了跟踪研 究并成功地应用于实际当中[] 15?但仍存在作者在文献[6]中所指出的问题使其应用范围 也难以扩展文献[6]深入分析了瞬时无功功率理论与传统功率理论的统一关系揭示了其物理意义该文的分析是基于由传统功率定义引申来的统一数学描述结果与赤木瞬时无功功率理论描述结果的对照本文将首先建立瞬时无功功率理论基于旋转空间矢量的分析方法然后借以分析这种统一关系的内在本质并探讨瞬时无功功率理论中功率脉动现象的实质文献[6]及本文对瞬时无功功率理论的深入认识大大扩展了其原有的应用范围本文最后将对此进行讨论并给出应用实例 . 三相电路电压和电流的旋转空间矢量表示法 图1 三相电路电压和电流的旋转空间矢量表示法

基于无功电流控制的并网逆变器孤岛检测

2017年8月电工技术学报Vol.32 No. 16 第32卷第16期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Aug. 2017 DOI: 10.19595/https://www.wendangku.net/doc/e410734840.html,ki.1000-6753.tces.160872 基于无功电流控制的并网逆变器孤岛检测 沈虹周文飞王怀宝伞国成郭小强 (燕山大学电气工程学院秦皇岛 066004) 摘要孤岛检测技术是并网逆变器运行所必须具备的关键技术。传统有源孤岛检测方法注入的扰动影响电能质量。为了解决该问题,提出一种基于无功电流控制的孤岛检测方法,通过控制无功电流使其产生的频率偏移方向与有功电流产生的频率偏移方向一致,使电网断开后频率迅速超过所设置的阈值而检测出孤岛,并对其进行量化分析,使孤岛算法在无检测盲区的基础上尽可能地减小对电网的影响。根据IEEE Std.1547测试标准对提出的方法进行仿真和实验验证。结果表明,提出的孤岛检测方法可以快速有效地检测到孤岛的发生,验证了提出方法的有效性。 关键词:并网逆变器频率偏移正反馈检测盲区 中图分类号:TM46 Islanding Detection for Grid-Connected Inverter Based on Reactive Current Control Shen Hong Zhou Wenfei Wang Hauibao San Guocheng Guo Xiaoqiang (Department of Electrical Engineering Yanshan University Qinhuangdao 066004 China)Abstract The islanding detection technology is necessary for grid connected inverter. The conventional active islanding detection methods have negative impacts on power quality due to the disturbance injection. In order to solve the problem, a new islanding detection algorithm based on reactive current control is proposed. As a result, the frequency offset direction by the reactive current is the same as that by the active current. The frequency will exceed the detection threshold quickly and the islanding can be detected after grid disconnection. Islanding detection was quantitatively analyzed to reduce the negative impacts on grid without non-detection zone. Simulation and experiment are carried out according to IEEE Std. 1547. The results reveal that the proposed method can quickly detect the islanding, which verify the effectiveness of the proposed method. Keywords:Grid-connected inverter, frequency shift, positive feedback, non-detection zone 0引言 近年来,分布式发电(Distributed Generation, DG)技术在世界各国快速发展。分布式发电技术不仅清洁环保、经济高效,而且供电可靠,能够提高整个电力系统的稳定性和灵活性,更减少了远距离输电造成的电能损耗,提高了整个电力系统的利用率和稳定性[1]。随着分布式发电系统渗入电网的程度日益加深,一旦电网出现故障,分布式发电系统与负载形成孤岛的概率就会增大,孤岛现象的存在会对用电设备和人生安全造成伤害[2]。因此,分布式发电系统在并网运行时必须具备孤岛检测功能,对开展孤岛检测研究具有重要意义。 孤岛检测方法大致分为三种[3-5]:基于通信的检测方法、无源检测方法和有源检测方法[6-9]。基于通 河北省自然科学基金项目(E201620315,E2015203407)、河北省引进留学人员资助项目(CL201622)和燕山大学青年教师自由研究计划课题(15LGB011)资助。 收稿日期 2016-06-12 改稿日期 2016-12-26

光伏并网逆变器的孤岛效应保护原理介绍(甘电投金塔)

光伏并网逆变器的孤岛效应保护原理介绍 所谓“孤岛效应”是指当电网的部分线路因故障或维修而停电时,停电线路由所连的并网发电装置继续供电,并连同周围负载构成一个自给供电的孤岛的现象。 一般来说,孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响,主要包括: 电力公司输电线路维修人员的安全危害; 影响配电系统上的保护开关动作程序; 电力孤岛区域所发生的供电电压与频率的不稳定现象; 当电力公司供电恢复时所造成的相位不同步问题; 太阳能供电系统因单相供电而造成系统三相负载的欠相供电问题。 防止孤岛效应的基本点和关键点是电网断电的检测,为了能快速检测到电网断电,通常需要采用被动式和主动式两种“孤岛效应”检测方法,一旦确认电网失电,均会在几个周期内将逆变器与电网断开并停止逆变器的运行。我司并网逆变器采用了主动式与被动式相结合的孤岛效应检测方法: 被动式孤岛效应检测方法:实时检测电网电压的幅值、频率和相位,当电网失电时,会在电网电压的幅值、频率和相位参数上,产生跳变信号,通过检测跳变信号来判断电网是否失电。 主动式孤岛效应检测方法:指对电网参数产生小干扰信号,通过检测反馈信号来判断电网是否失电。我司并网逆变器采用的是主动频移反孤岛策略,通过对输出电流在并网点的频率进行小的扰动,当电网有电时,该扰动对电网电压的频

率没有任何影响,当电网失电时,该扰动将会引起电网电压频率发生较大变化,从而判断电网是否失电。 当并网逆变器检测到电网失电后,在0.2秒内停止运行并与电网断开。当电网恢复供电时,并网逆变器并不会立即投入运行,而是需要持续检测电网信号在一段时间内完全正常(默认时间5分钟),才重新投入并网运行。 并网逆变器孤岛效应保护流程简图

无功电流检测方法与SVG控制策略研究

LOW CARBON WORLD 2017/12低碳技术无功电流检测方法与SVG控制茉略研究黄实批(广西大学电气工程学院,广西南宁530000) 【摘要】本文分析了无功电流检测方法,介绍了目前几种应用的比较多的几种检测方法,接着分析了SVG控制策略,主要分为电流间接控制和电流直接控制,然后对无功电流检测方法进行了阐述,主要分为三角波比较法和滞环比较法,最后进行了仿真分析,以期为我国无功电流检测与SVG控制提供相关的借鉴和参考。 【关键词】无功电流检测;SVG控制;策略研究 【中图分类号】TM761 【文献标识码】A【文章编号】2095-2066( 2017 )36-0077-03 1引言 随着现代社会迅速发展,重要和精密的设备的应用越来 越普遍,它们的负荷所占比例也越来越大,因此电力部门和用 户对电能质量提出了更高的要求。他们不仅要求供电连续可 靠,还要求供电电压频率穗定、波形良好。然而,由于工业和生 活用电中的感性负荷以及电力系统、各工业部门和家电行业 中的电力电子装置消耗了大量无功功率,因此使得电能质量 明显降低。无功功率的补偿是改善电能质量的重要手段之一, 其在提高功率因数、降低电路损耗、减小设备容量、确保供电 和用电设备的安全可靠运行等方面作用明显。因此,无功补偿 问题的研究具有深远的意义。 2无功电流检测方法 电力系统的谐波检测方法和S V G的无功检测不一样,因 为S V G的无功检测无需将各个高次谐波分量进行分离处理, 只需要得到除去基波电压和有功电流的无功电流总值,也就 是包含畸变电流和各次谐波的电参数,以此为S V G补偿系统 供应相应的补偿指令电流,为系统提供反相的补偿电流,中和 或者弥补系统内部的无功,保持和促进基波有功电流的平穗。 现阶段,对于非正弦电路,无功电流检测的方式主要有四种, 分别为自适应理论无功检测、基于Fryze时域分析法、基于频 域分析的Fourier检测法、基于瞬时无功功率理论的开闭环检 测手段及以上各种检测方式的叠加和完善。下面简要的对上 述几种检测法进行介绍: (1) 基于自适应理论的电流检测,这种检测方法主要是检 测无功电流结构是否为闭环控制,检测的基本原理是基于自 适应算法,对基准信号和输入进行对比分析,以此得到广义的 无功电流,自适应算法和很多种理论进行综合,这个系统也具 有非常好的抗干扰性,在电网频率发生偏移时比较适用,存在 畸变电流及不平衡的状态。但相应速度受到一定的限制,因此 需要完善控制算法。 (2) 基于Fryze时域分析检测方法,这种检测方法将平均功率作为主要的检测方法,其基础思路是分解负栽电流,通过 外围的辅助运算电路以及一个周期的积分积累,使负栽电流 变成两个分量,一个是包含谐波电流在内的无功电流,另外一 个是和电压波形吻合的分量。但是,采取这种方法得出的结果 并不是真正意义上面的瞬时无功,仅仅是通过几个周期延迟 的电流值,所以,S V G补偿系统中采取这种检测方法具有很大 的限制性,必须辅助其他的算法,并且对其进行相应的改进。 (3)频域分析Fourier检测法,目的在于使用快速Fourier 变换获得各次谐波的频域参数,以此来获取相位幅值等相关 的信息,需要进行两次计算,大概有80滋s的时差,虽然这种检 测方法在频谱分析方向操作和谐波检测方向都非常成熟,但 是因为延时比较长的原因,在具体的使用过程中,无法实现很 好的实时追踪。(4)无功电流检测的主要方法是瞬时无功功率理论,这种 检测方法是对传统平均值功率的突破,为无功和谐波的实时 监控提供强大的监视工具,基本原理是变换三相电网的所有 参数,之后再进行计算,将电流点积值、电压记为有功功率,将 电流矢量叉积、电压记为瞬时无功,之后再把这些指令值逆变 为补偿电流,通过交换,得到三相补偿电流。这种检测方法应 用的非常广泛,技术发展的很成熟,有诸多优点,但由于不适 用于单相系统和三相不平衡状态,推广性方面还有待加强。 神经网络无功检测理论于近几年成为新兴的研究方向, 主要依靠的是基本神经元和训练样本的自我学习技能,依据 实际情况,不断的对网络的权重值进行调节,以此确保输出的 可靠性。神经网络中的原始输入,输出和学习因子分别对应于 无功检测系统内的畸变电压和负栽电流,输出的指令无功电 流和功电流的反馈值。它的学习过程就是把电网电流和无功 电流的对比差值,保存在结构和权重中,不断的对输出结构进 行完善和更新,促使其无限的接近最优的无功检测值。若想保 证此检测方法的可靠性,必须训练大量的可靠样本,在此前提 下,检测的精度得以确信,由于神经网络的检测方法自称一 体,因此抗干扰能力极佳,实时并且计算量小,响应速度快。只 是目前的研究还并未成熟,需要进一步理论完善。 3 SVG控制策略 S V G的控制系统是一个包括检测、控制和驱动等多个环 节的复杂系统。一个典型的S V G控制系统的工作过程是:① 检测环节通过C T、P T将电网电流电压和S V G输出的电流电 压输送到检测运算电路,检测运算电路按照给定的算法计算 出需要的信号再传送到控制器中,这些信号称为指令信号。② 控制环节根据给定的控制策略对指令信号进行处理,产生触 发变流器门极的驱动信号传送到驱动电路。③驱动电路将驱 动信号进行功率放大,再加到变流器的门极,控制变流器的导 通与截止,这就完成了对S V G的控制。 根据上述理论介绍可知,S V G对电网的补偿效果是可以 控制的,为了达到改变补偿无功电流值的大小,可以采取控制 S V G的内部参数的措施。所以,对于S V G内部控制变量的控 制策略,对系统的运行效果也起着非常关键的作用。通过制定 合理的控制方案,可以对不同的物理量进行严格的控制,以此 达到最好的控制效果,依据不同的分类依据,将S V G的控制 方式总结如下:基于控制理论的思想,S V G的控制方法主要 有:P I D控制、逆PI控制、PI、神经网、自适应理论等相关的控 制方法。基于控制系统的结构角度,能够分为复合环、开环、闭 环及二者两两结合的控制方式。基于控制的物理量,可以分为 通过反馈环直接依靠P W M技术改变无功电流值的直接控制 法及控制相角变化的间接电流控制法等。 3.1电流间接控制 基于S V G装置无功有功功率的基本表达式,我们可以得 77

电容反馈振荡器设计

高频电子线路课程设计 电容反馈振荡器电路设计 班级: 11级电信班 学号: 111102051 姓名: 指导教师: 日期: 2013.12.20

目录 第1章电容反馈式振荡器的设计方案论证 (3) 1.1电容反馈式振荡器的应用意义 (3) 1.2 电容反馈式振荡器的设计要求及技术指标 (3) 1.3 电容反馈式振荡器的的电路原理 (4) 1.4 电容反馈式振荡器的方案框图及分析 (6) 第2章电容反馈式振荡器的电路设计及仿真 (7) 2.1电路的设计依据 (7) 2.2原理图EWB软件仿真 (8) 2.3 仿真结果 (8) 第3章设计总结 (9) 参考文献 (9)

第1章电容反馈式振荡器的设计方案论证 1.1电容反馈式振荡器的应用意义 随着社会的发展,通讯工具在我们的生活中的作用越来越重要。通信工程专业的发展势头也一定会更好,为了自己将来更好的适应社会的发展,增强自己对知识的理解和对理论知识的把握,本次课程设计我准备制作具有实用价值的电容反馈式振荡器。 振荡器是不需外信号激励、自身将直流电能转换为交流电能的装置。凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。 一个振荡器必须包括三部分:放大器、正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的,只有这样才能使振荡维持下去。选频网络则只允许某个特定频率 f 能通过,使振荡器产生单一频率的输出。 振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定的;一个是反馈电 压 U f 和输入电压 U i 要相等,这是振幅平衡条件。二是U f 和U i 必须相位相同,这 是相位平衡条件,也就是说必须保证是正反馈。一般情况下,振幅平衡条件往往容易做到,所以在判断一个振荡电路能否振荡,主要是看它的相位平衡条件是否成立。 振荡器的用途十分广泛,它是无线电发送设备的心脏部分,也是超外差式接收机的主要部分各种电子测试仪器如信号发生器、数字式频率计等,其核心部分都离不开正弦波振荡器。功率振荡器在工业方面(例如感应加热、介质加热等)的用途也日益广阔。 正弦波是电子技术、通信和电子测量等领域中应用最广泛的波形之一。能够产生正弦波的电路称为正弦波振荡器。通常,按工作原理的不同,正弦振荡器分为反馈型和负载型两种,前者应用更为广泛。在没有外加输入信号的条件下,电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率、一定波形和一定振幅的交变振荡信号输出。 1.2 电容反馈式振荡器的设计要求及技术指标 设计内容: 1.用EWB仿真,设计一个电容反馈振荡器 2.能够观察输出的振荡波形。 3.测量其振荡频率。 4.分析电路并计算其频率是否与所测的频率相同。 设计参数:振荡频率5MHZ左右

孤岛效应的含义及其检测方法

所谓孤岛效应(Islanding)是指分布式能源并网发电系统中,市电因人为切断或出现故障而停止向负载供电时分布式能源继续并网工作,从而使电网局部负载仍处于供电状态[28]。由于光伏发电系统与电网并联工作时,电网会因为故障、设备检修或者操作失误等原因停止工作,也就是说孤岛效应是光伏并网发电系统中普遍存在的一个问题。因此准确、及时的检测出孤岛效应是光伏并网发电系统设计中的一个关键性问题[29]。 4.1孤岛效应的分析 (1)孤岛效应概述 图4.1 光伏发电系统与电网链接示意图 图4.1是光伏发电系统与电网并联工作的示意图,如图所示:电网正常工作情况下,相当于开关S1, S2均闭合,电网和光伏发电系统同时向图中逆变器负载和电网负载供电;电网突然停止工作时,相当于开关S1闭合,S2打开,此时光伏发电系统继续向逆变器负载和局部电网负载供电,那么将会导致下列情况发生[30]:光伏发电系统功率较小,如果电网停止工作会失去对光伏发电系统输出电能的平衡控制能力,系统输出电能质量下降;危害到电力维护人员或用户的人身安全;当市电突然恢复时,光伏发电系统与电网相位不同步造成的冲击电流会损坏发电装置和设备;影响电网保护开关的动作,造成不必要的损失;因单相光伏并网发电系统继续供电,造成系统三相负载欠相工作。 (2)孤岛效应特性分析 逆变器与电网连接时功率流动情况如图4.2所示,其中变量名称及符号如下L C和R是逆变器的等效负载。 表所示,, r r --电网正常时逆变器输送到电网的有功功率P--逆变器输出有功功率;P

Q--逆变器输出无功功率;Q ?--电网正常时逆变器输送到电网的无功功率;g U --电网电压;i U --逆变器输出端电压。 图4.2逆变器输出功率流动示意图 a )电网正常工作 如图4.2所示,电网正常工作状态下,相当于开关S 闭合。光伏并网发电系统输出的有功功率P 、无功功率Q 的一部分提供给等效负载,另外一部分有功功率P ?、无功功率Q ?传递给电网。根据逆变器输出功率与负载功率平衡的关系有公式(4.1)、(4.2)存在,其中g ω为电网电压的角频率[31]。 2 g U P P R =-? (4.1) 21g r g g r C U Q Q L ωω??-=-??????? (4.2) b )电网停止工作 如图4.2所示,电网突然断电时,相当于开关S 断开。由于S 关断前后逆变器输出的有功功率P 、无功功率Q 近似保持不变,根据功率平衡的关系可得到: 2i U P R = (4.3) 21i r i i r C U Q L ωω??-=???? (4.4) 其中i ω是逆变器输出电压的角频率。根据逆变器输出有功功率的平衡关系,结合式(4.1)、(4.3)可得: 221g i U P P U ?=- (4.5)

反馈式正弦波振荡电路的判断

正弦波振荡电路的判断方法 1.自激振荡:指没有外加信号的作用下,电路能自动产生交流信号的一种现象。不需外界激励就能自动地将直流电能转换为交流电能的电路,就是自激振荡电路。 2.正弦波振荡电路按工作原理可分为反馈式振荡器和负阻式振荡器两大类。 3. 反馈式振荡电路组成和三大条件 判断电路是否是反馈式振荡电路,首先要判断电路是否具有振荡电路的基本特征,其次判断电路是否具有最基本的组成部分,第三判断电路是否满足振荡的三大条件。 反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈,当正反馈足够大时,放大器产生振荡,变成振荡器。所谓产生振荡是指这时放大器不需要外加激励信号,而是由本身的正反馈信号来代替外加激励信号的作用。由此可见,振荡电路是一个单口网络。这是判断是否是振荡电路的依据之一。 第二,反馈式振荡电路要具有五大环节:放大电路、选频回路、反馈网络、非线性稳幅环节和稳定环节。一般情况下,选频回路和反馈网络常合二为一;非线性稳幅环节常利用放大管的非线性去实现稳幅;稳定环节要通过计算才能判断是否满足。 第三,振荡电路必须满足三大振荡条件,缺一不可。 a. 起振条件:1>F A 。即振幅起振条:1>AF 和相位起振条件: 2 1 0 2,,,,==+n n F A π?? b. 平衡条件:1=F A 。即振幅平衡条件1=AF 和相位平衡条件 2 1 0 2,,,,==+n n F A π?? c. 稳定条件。稳定条件分两种,一是平衡状态的稳定条件: ,二是相位平衡的稳定条件: 。 一般情况下,放大电路的放大倍数较大,比较容易满足振幅的平衡条件,而稳定条件要经过计算分析才能确定是否满足,因此,如果电路是单口网络,同时具有振荡电路的基本组成部分后,只要判断电路满足相位条件,就认为电路可能产生振荡。而从上面的分析可知,判断振荡电路的相位平衡条件,即判断电路是正反馈电路。 0omQ om om

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