基于MPPT的自适应孤岛检测算法

摘要

本发明涉及一种基于MPPT的自适应孤岛检测算法，该方法具体为：根据扰动开始前并网点电压幅值，确定对Boost升压电路占空比D的扰动量，通过对占空比D的扰动量，实现对MPPT以及光伏输出有功功率的扰动，在电网断电时并网点电压幅值偏离正常范围，进而检测出孤岛状态。本发明所提出的基于MPPT的自适应孤岛检测算法不会引入额外的谐波；克服了现有基于MPPT的孤岛检测算法存在检测盲区的缺点，对占空比D进行自适应扰动，减小了功率损耗。

权利要求

1.一种基于MPPT的自适应孤岛检测算法，其特征在于：该方法具体为：根据扰动开始前并网点电压幅值，确定对Boost升压电路占空比D的扰动量，通过对占空比D的扰动量，实现对MPPT以及光伏输出有功功率的扰动，在电网断电时并网点电压幅值偏离正常范围，进而检测出孤岛状态；其中对占空比的扰动周期为2s；

如果孤岛发生后，并网点电压UPCC0满足0.88UN≤UPCC0≤1.1UN，则必须对MPPT进行扰动才能检测出孤岛状态；为了保证不漏检，Boost电路扰动后的占空比为：其中，UPCC0为并网点电压，UN为电网电压有效值；

输出功率为：

其中，Pm表示最大功率点处的光伏输出有功功率。

2.根据权利要求1所述的一种基于MPPT的自适应孤岛检测算法，其特征在于：当UPCC0<

0.88UN时，确定为孤岛状态，UPCC0为并网点电压，UN为电网电压有效值。

3.根据权利要求1所述的一种基于MPPT的自适应孤岛检测算法，其特征在于：当UPCC0>

1.1UN时，确定为孤岛状态，UPCC0为并网点电压，UN为电网电压有效值。

4.根据权利要求1所述的一种基于MPPT的自适应孤岛检测算法，其特征在于：当0.5Hz＜|f-fs|时，确定为孤岛状态，f为并网点电压频率，fs为电网额定频率即50Hz。

5.根据权利要求1所述的一种基于MPPT的自适应孤岛检测算法，其特征在于：Boost升压电路扰动前后的占空比D、D1满足：其中，Um为最大功率点处的光伏电池板输出电压，UT为直流母线电压，UPV为光伏输出电压。

说明书

基于MPPT的自适应孤岛检测算法

技术领域

[0001] 本发明涉及分布式光伏发电领域，具体涉及一种基于MPPT的自适应孤岛检测算法。

背景技术

[0002] 近年来分布式光伏发展迅速，随着越来越多的分布式光伏发电系统接入电网，引起了一些新的问题，关键问题之一就是如何检测孤岛效应。所谓孤岛效应是指，当电网因故障事故或停电维修而中断供电时，分布式电源未能检测出停电状态并及时脱网，而形成脱离电网公司控制的局部供电系统。孤岛效应会造成重合闸失败，检修人员人身伤害，电气设备损害，因此孤岛检测的研究具有重要意义。

[0003] 常见的孤岛检测方法包括被动法和主动法两种。被动法只需检测逆变器输出的参数，不会对电能质量和系统稳定性造成影响，但此类方法阈值难以整定，检测盲区较大。主动法主要有滑模频率漂移法、主动移频法、有功电流扰动法等方法。主动法有效的减小了检测盲区，但需要对逆变器的输出进行扰动，影响电能质量，造成功率损耗。滑模频率漂移法和主动移频法会引入额外的谐波，且检测盲区受品质因数影响较大。有功电流扰动法不会引入额外的谐波，且检测盲区受品质因数影响较小，但此法会造成光伏输出功率与逆变器输出功率间不平衡，进而影响直流母线电压的稳定。基于MPPT的有功功率扰动法，该算法与滑模频率漂移法和主动移频法相比不会引入额外的谐波，且检测盲区受品质因数的影响较小，由于该算法通过减小电池板输出功率实现逆变器输出功率的降低，因此与有功电流扰动法相比对直流母线电压的影响较小，有效的弥补了有功电流扰动法的不足，但其扰动参数设计不合理，导致功率损耗大，且存在检测盲区。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于MPPT的自适应孤岛检测算法。

[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种基于MPPT的自适应孤岛检测算法，该方法具体为：

[0006] 根据扰动开始前并网点电压幅值，确定对Boost升压电路占空比D的扰动量，通过对占空比D的扰动量，实现对MPPT以及光伏输出有功功率的扰动，在电网断电时并网点电压幅值偏离正常范围，进而检测出孤岛状态。

[0007] 进一步，当UPCC0<0.88UN时，确定为孤岛状态，UPCC0为并网点电压，UN为电网电压有效值。

[0008] 进一步，当UPCC0>1.1UN时，确定为孤岛状态，UPCC0为并网点电压，UN为电网电压有效值。

[0009] 进一步，当0.5Hz＜|f-fs|时，确定为孤岛状态，f为并网点电压频率，fs为电网额定频率即50Hz。

[0010] 进一步，Boost升压电路扰动前后的占空比D、D1满足：

[0011]

[0012]

[0013] 其中，Um为最大功率点处的光伏电池板输出电压，UT为直流母线电压，UPV为光伏输出电压。

[0014] 进一步，对占空比的扰动周期为2s。

[0015] 由于采用以上技术方案，本发明具有以下优点：

[0016] 本发明所提出的基于MPPT的自适应孤岛检测算法不会引入额外的谐波；克服了现有基于MPPT的孤岛检测算法存在检测盲区的缺点，对占空比D进行自适应扰动，减小了功率损耗。

附图说明

[0017] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

[0018] 图1光伏并网系统图；

[0019] 图2光伏电池板输出特性曲线；

[0020] 图3孤岛检测算法流程图；

[0021] 图4正常情况下扰动结果；

[0022] 图5 R＝Rm时仿真结果；(a)并网点电压波形图，(b)占空比D、光伏输出电压UPV、逆变器输出功率P，(c)UPCC与UN的比值，(d)并网点电压频率f；

[0023] 图6 R＝1.21Rm时仿真结果；(a)并网点电压波形图，(b)孤岛发生时局部放大图，(c)并网点电压频率f，(e)孤岛检测时局部放大图，(d)UPCC与UN的比值；

[0024] 图7实验平台示意图；

[0025] 图8 R＝Rm时实验结果；

[0026] 图9 R＝1.21Rm时实验结果。

具体实施方式

[0027] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

[0028] 如图1所示为孤岛检测原图，图中PPV、QPV分别为光伏输出有功功率、无功功率，P、Q分别为逆变器输出有功功率、无功功率，节点a为并网点，S为断路器，Ug为电网电压，ΔP、ΔQ分别为节点a送入电网的有功功率、无功功率，R、L、C为等效负载，PLoad、QLoad分别为负载有功功率、无功功率。忽略逆变器损耗，光伏输出功率与逆变器输出功率相等即PPV＝P、QPV＝Q。

[0029] 由图1可看出当断路器S闭合时，因电网的钳位作用并网点电压UPCC的幅值与电网电压幅值Ug相等，当断路器S断开时并网点电压 (R为负载电阻)，故在孤岛状态下，对光伏输出有功功率进行适当扰动，可以造成并网点电压幅值的波动，如果UPCC超出过/欠压保护阈值，即可检测出孤岛状态。目前光伏并网系统一般是单位功率因数并网，且带有最大功率跟踪系统(MPPT)，工作在最大功率点处。故对MPPT进行扰动，会影响光伏输出功率，在孤岛状态下会影响并网点电压UPCC的幅值。

[0030] 图2为光伏输出特性曲线图。从图中可以看出，光伏输出电压UPV由最大功率点处的Um减小时，光伏输出电流IPV基本没有变化，此时光伏输出功率PPV与光伏输出电压UPV成线性关系即PPV＝K*UPV(K是P-U曲线的斜率)。故通过减小光伏输出电压，可以减小光伏输出的功率。

[0031] 光伏并网发电系统，按系统结构可分为单级式和两级式。单级式光伏并网发电系统逆变器，需同时实现最大功率跟踪(MPPT)和并网的功能，控制器设计复杂。光伏阵列输出电压幅值要满足逆变要求，需串联电池板数量较多。两级式光伏并网发电系统，首先经过DC/DC变换实现升压和MPPT功能，然后经过DC/AC变换实现并网。DC/DC和DC/AC两级变换可以独立控制，控制器设计简单。DC/DC变换可以实现升压功能，故不需要通过增加串联电池板数量，提高光伏阵列输出电压。

[0032] 分布式光伏发电系统一般功率比较小，串联的电池板数量有限，很难达到电网电压的 倍，故需要先进行升压才能实现DC/AC变换，所以分布式光伏发电系统多采用两级式结构。其中前级DC/DC变换电路多采用Boost升压电路，实现升压及最大功率跟踪功能。因直流母线电压是稳定的，如式(1)所示通过增大Boost升压电路的占空比D，可以减小光伏输出电压，进而减小光伏输出功率。

[0033]

[0034] 其中D为Boost电路占空比，UT为直流母线电压。本发明所提出的算法，通过对Boost升压电路的占空比D进行周期性的扰动，实现对MPPT的周期性扰动，在电网断电时影响并网点的电压，使其超出过/欠压保护阈值，从而检测出孤岛状态。

[0035] IEEE Std.92-2000规定，孤岛发生后并网点电压UPCC0满足0.88UN≤UPCC0≤1.1UN(UN为电网电压有效值)时，需在2s钟之内检测出孤岛状态。分布式光伏并网系统，多数时间工作在正常状态，故扰动周期越长越好。扰动周期越长单位时间内造成的功率损耗越小，同时为了满足2s钟之内检测出孤岛状态，本发明设置的扰动周期为2s，每周期扰动时间持续两个工频周期。

[0036] 光伏并网系统一般工作在最大功率点处，对MPPT的扰动只能减小光伏输出功率，故在孤岛状态下，对MPPT进行扰动只能减小并网点电压UPPC的幅值。因此孤岛发生后，并网点电压幅值满足0.88UN≤UPCC0≤1.1UN时，最难检测的情况为UPCC0＝1.1UN，为确保不漏检，每次都需要按照最难检测的情况进行扰动，这样会造成损耗功率较大，因此本发明提出了基于MPPT的自适应孤岛检测算法。

[0037] (1)孤岛发生后，若并网点电压UPCC0幅值和频率，满足A、B、C三个条件中的一个，即可根据过欠压和过欠频确定为孤岛状态，三个条件如下：

[0038] A.UPCC0<0.88UN；

[0039] B.UPCC0>1.1UN；

[0040] C.0.5Hz＜|f-fs|。

[0041] 其中f表示并网点电压频率，UN表示电网电压有效值。

[0042] (2)如果孤岛发生后，并网点电压UPCC0满足0.88UN≤UPCC0≤1.1UN，则必须对MPPT进行扰动才能检测出孤岛状态。

[0043] 孤岛发生后负载功率PLoad满足：

[0044]

[0045] Pm＝K*Um   (3)

[0046] 其中Pm表示最大功率点处光伏输出有功功率。扰动之后负载功率需满足：

[0047]

[0048] PPV＝K*UPV   (5)

[0049] Boost电路扰动前后的占空比D、D1满足：

[0050]

[0051]

[0052] 由式(2)-(7)可得：

[0053]

[0054] 为了保证不漏检，取D1为式(9)所示：

[0055]

[0056] 由于扰动周期为2s，每周期扰动持续时间为两个工频周期，扰动前无法判定孤岛是否发生，故实际计算时，式(9)中UPCC0取为U100n-2，则D1也可表示为式(10)：

[0057]

[0058] 在光照和温度不发生突变的情况下，本发明所提算法对输出功率的影响如式(12)所示。

[0059] PPV＝0.96Pm+0.04PPV＝0.96KUm+0.04KUPV   (11)

[0060] 把式(6)、(7)、(10)带入式(11)得：

[0061]

[0062] 如式(12)所示本发明所提孤岛检测算法造成的功率损耗不足1.5％。

[0063] 综上所述，经过扰动，孤岛状态下并网点电压幅值会降到0.88UN以下，超出了过/欠压保护阈值，无检测盲区，算法流程图如图3所示。

[0064] 为验证本算法的正确性和有效性，利用Matlab/Simulink对基于MPPT的自适应孤岛检测算法，在三相并网逆变器上进行了仿真验证。仿真参数设置为：电网相电压峰值为311V，频率为50Hz；直流母线电压为800V；滤波电路LCL参数为Li＝3.5mH、Cf＝4.5μF、Ls＝
0.5mH；开关管频率为10KHz。为了能够充分说明问题，本发明对R＝Rm即UPCC0＝UN、R＝1.21Rm即UPCC0＝1.1UN两种情况下的RLC负载，分别进行了仿真。根据IEEE Std.92—2000的推荐RLC负载谐振频率为50Hz、品质因数Qf＝2.5，两种情况对应的RLC负载参数分别为R＝37.2Ω、C＝213.9μF、L＝47.4mH；R＝45Ω、C＝176.8μF、L＝57.3mH，孤岛发生时刻为1.5s。本发明所提出的孤岛检测算法，扰动周为2s，每个周期对MPPT实施连续的两个工频周期扰动。因在三相平衡条件下，三相电压电流波形相同，故本发明只给出了A相电压电流波形。

[0065] 图4为正常情况下扰动结果。从图4可看出，正常情况下对Boost电路的占空比D进行扰动时，占空比D增加，光伏输出电压UPV减小，光伏输出电流IPV不变，并网点电压UPCC因电网的钳位作用也没有变化，而逆变器输出电流Ia减小。这些参数的变化和理论分析相符，即通过对Boost电路占空比D的扰动，可以实现对MPPT的扰动，减小光伏输出有功功率。

[0066] UPCC0＝UN即R＝Rm(Rm为逆变器输出有功率与负载有功功率平衡时的负载电阻)情况下的仿真结果如图5所示。从图5(a)、(c)可看出1.5s孤岛发生后，由于光伏输出功率PPV＝PLoad，网点电压UPCC幅值没有变化。图5(a)、(d)可看出因RLC负载的谐振频率为50Hz，并网点电压的频率也没有明显变化，即并网点电压的幅值和频率都在正常范围内，系统处于孤岛状态运行，对MPPT进行扰动才能检测出孤岛状态。从图5(b)、(c)可看出1.96s对MPPT进行扰动后，Boost电路占空比D增大，光伏阵列输出电压减小，逆变器输出功率减小，进而导致并网点电压幅值UPCC迅速减小，1.995s并网点电压幅值减小到0.88UN以下，即检测出孤岛状态，仅耗时35ms。

[0067] UPCC0＝1.1UN即R＝1.21Rm情况下的仿真结果如图6所示。从图6(a)、(b)、(e)可以看出1.5s孤岛发生后，因R＝1.21Rm，网点电压UPCC幅值增大UPCC≈1.1UN。因储能元件的存在，图6(b)中逆变器输出功率P的变化滞后于占空比D的变化。从图6(a)、(c)可看出因RLC负载的谐振频率为50Hz，并网点电压的频率没有明显变化。并网点电压的幅值和频率都在正常范围内，系统处于孤岛状态运行，对MPPT进行扰动才能检测出孤岛状态。从图6(d)、(e)可以看出1.96s对MPPT进行扰动后，并网点电压幅值UPCC迅速减小，1.995s并网点电压幅值减小到
0.88UN以下，即检测出孤岛状态，仅耗时35ms。

[0068] 为了进一步验证理论分析的正确性，本发明搭建了图7所示的实验平台。

[0069] 其中光伏模拟电源采用深圳市菊水皇家科技有限公司的AGP1000系列光伏模拟电源，DSP采用TI公司的TMS320F28335控制芯片，三相并联RLC负载采用chroma63802电子负载。负载品质因数Qf＝2.5，谐振频率为50Hz，与仿真相一致负载载分为两种情况R＝Rm即UPPC0＝UN1(UN1为实验中并网点电压额定值)、R＝1.21Rm即UPPC0＝1.1UN1，两种情况对应的RLC负载参数分别为R＝15.1Ω、C＝526.2μF、L＝19.3mH；R＝18.3Ω、C＝434.9μF、L＝23.3mH，电网相电压峰值为100V，频率为50Hz。实验波形如图8、9所示，因占空比D的扰动情况与电压、电流无法在同一时间尺度下表示，故本发明用扰动信号代替占空比D的变化，当扰动信号为1时表示扰动开始，扰动信号为0时表示扰动结束。Ia表示逆变器输出A相电流，Ua表示电网A相电压。

[0070] 从图8可以看出R＝Rm时，孤岛发生后因光伏阵列输出功率与负载功率相等，负载电流没有变化，且负载电阻不变，所以并网点电压的幅值没有明显的变化，又因RLC负载的谐振频率为50Hz，故并网点电压的幅值和频率都在正常范围内，光伏发电系统处于孤岛状态运行。孤岛发生后40ms，开始对MPPT进行扰动，38ms后检测出了孤岛状态。

[0071] 从图9可看出R＝1.21Rm时，孤岛发生后因光伏输出功率大于负载功率，负载电流增大化，负载电阻不变的情况下，并网点电压的幅值增大，但仍在正常范围内，因RLC负载的谐振频率为50Hz，并网点电压的频率没有变化，故光伏发电系统处于孤岛状态运行。孤岛发生后70ms，开始对MPPT进行扰动，33ms后检测出了孤岛状态。

[0072] 图8代表的一般负载条件下的实验结果，图9代表的是本发明算法在负载最苛刻条件下的实验结果。从图8、9可看出两种情况下，本发明所提算法都能迅速检测孤岛状态。实验结果与理论分析、仿真结果相符，验证了本发明所提算法的正确性和有效性。

[0073] 本发明所提基于MPPT的自适应算法，根据扰动开始前并网点电压幅值U100n-2，确定对Boost升压电路占空比D的扰动量，通过对占空比D的扰动，实现对MPPT以及光伏输出有功功率的扰动，当孤岛发生后影响并网点电压幅值，使其偏离正常范围，进而检测出孤岛状态。本发明所提出的算法与基于频率的孤岛检测算法相比不会引入额外的谐波；克服了现有基于MPPT的孤岛检测算法存在检测盲区的缺点，对占空比D进行自适应扰动，减小了功率损耗。在IEEE Std.92—2000规定的最恶劣条件下进行了仿真和实验，验证了本发明所提出算法的有效性。

[0074] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。