本發(fā)明涉及分布式光伏發(fā)電領域，具體涉及一種基于mppt的自適應孤島檢測算法。

背景技術：

近年來分布式光伏發(fā)展迅速，隨著越來越多的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網，引起了一些新的問題，關鍵問題之一就是如何檢測孤島效應。所謂孤島效應是指，當電網因故障事故或停電維修而中斷供電時，分布式電源未能檢測出停電狀態(tài)并及時脫網，而形成脫離電網公司控制的局部供電系統(tǒng)。孤島效應會造成重合閘失敗，檢修人員人身傷害，電氣設備損害，因此孤島檢測的研究具有重要意義。

常見的孤島檢測方法包括被動法和主動法兩種。被動法只需檢測逆變器輸出的參數，不會對電能質量和系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響，但此類方法閾值難以整定，檢測盲區(qū)較大。主動法主要有滑模頻率漂移法、主動移頻法、有功電流擾動法等方法。主動法有效的減小了檢測盲區(qū)，但需要對逆變器的輸出進行擾動，影響電能質量，造成功率損耗?；ｎl率漂移法和主動移頻法會引入額外的諧波，且檢測盲區(qū)受品質因數影響較大。有功電流擾動法不會引入額外的諧波，且檢測盲區(qū)受品質因數影響較小，但此法會造成光伏輸出功率與逆變器輸出功率間不平衡，進而影響直流母線電壓的穩(wěn)定?；趍ppt的有功功率擾動法，該算法與滑模頻率漂移法和主動移頻法相比不會引入額外的諧波，且檢測盲區(qū)受品質因數的影響較小，由于該算法通過減小電池板輸出功率實現逆變器輸出功率的降低，因此與有功電流擾動法相比對直流母線電壓的影響較小，有效的彌補了有功電流擾動法的不足，但其擾動參數設計不合理，導致功率損耗大，且存在檢測盲區(qū)。

技術實現要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于mppt的自適應孤島檢測算法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的，一種基于mppt的自適應孤島檢測算法，該方法具體為：

根據擾動開始前并網點電壓幅值，確定對boost升壓電路占空比d的擾動量，通過對占空比d的擾動量，實現對mppt以及光伏輸出有功功率的擾動，在電網斷電時并網點電壓幅值偏離正常范圍，進而檢測出孤島狀態(tài)。

進一步，當upcc0<0.88un時，確定為孤島狀態(tài)，upcc0為并網點電壓，un為電網電壓有效值。

進一步，當upcc0>1.1un時，確定為孤島狀態(tài)，upcc0為并網點電壓，un為電網電壓有效值。

進一步，當0.5hz＜|f-fs|時，確定為孤島狀態(tài)，f為并網點電壓頻率，fs為電網額定頻率即50hz。

進一步，boost升壓電路擾動前后的占空比d、d1滿足：

其中，um為最大功率點處的光伏電池板輸出電壓，ut為直流母線電壓，upv為光伏輸出電壓。

進一步，對占空比的擾動周期為2s。

由于采用以上技術方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明所提出的基于mppt的自適應孤島檢測算法不會引入額外的諧波；克服了現有基于mppt的孤島檢測算法存在檢測盲區(qū)的缺點，對占空比d進行自適應擾動，減小了功率損耗。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中：

圖1光伏并網系統(tǒng)圖；

圖2光伏電池板輸出特性曲線；

圖3孤島檢測算法流程圖；

圖4正常情況下擾動結果；

圖5r＝rm時仿真結果；(a)并網點電壓波形圖，(b)占空比d、光伏輸出電壓upv、逆變器輸出功率p，(c)upcc與un的比值，(d)并網點電壓頻率f；

圖6r＝1.21rm時仿真結果；(a)并網點電壓波形圖，(b)孤島發(fā)生時局部放大圖，(c)并網點電壓頻率f，(e)孤島檢測時局部放大圖，(d)upcc與un的比值；

圖7實驗平臺示意圖；

圖8r＝rm時實驗結果；

圖9r＝1.21rm時實驗結果。

具體實施方式

下面將結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。

如圖1所示為孤島檢測原圖，圖中ppv、qpv分別為光伏輸出有功功率、無功功率，p、q分別為逆變器輸出有功功率、無功功率，節(jié)點a為并網點，s為斷路器，ug為電網電壓，δp、δq分別為節(jié)點a送入電網的有功功率、無功功率，r、l、c為等效負載，pload、qload分別為負載有功功率、無功功率。忽略逆變器損耗，光伏輸出功率與逆變器輸出功率相等即ppv＝p、qpv＝q。

由圖1可看出當斷路器s閉合時，因電網的鉗位作用并網點電壓upcc的幅值與電網電壓幅值ug相等，當斷路器s斷開時并網點電壓(r為負載電阻)，故在孤島狀態(tài)下，對光伏輸出有功功率進行適當擾動，可以造成并網點電壓幅值的波動，如果upcc超出過/欠壓保護閾值，即可檢測出孤島狀態(tài)。目前光伏并網系統(tǒng)一般是單位功率因數并網，且?guī)в凶畲蠊β矢櫹到y(tǒng)(mppt)，工作在最大功率點處。故對mppt進行擾動，會影響光伏輸出功率，在孤島狀態(tài)下會影響并網點電壓upcc的幅值。

圖2為光伏輸出特性曲線圖。從圖中可以看出，光伏輸出電壓upv由最大功率點處的um減小時，光伏輸出電流ipv基本沒有變化，此時光伏輸出功率ppv與光伏輸出電壓upv成線性關系即ppv＝k*upv(k是p-u曲線的斜率)。故通過減小光伏輸出電壓，可以減小光伏輸出的功率。

光伏并網發(fā)電系統(tǒng)，按系統(tǒng)結構可分為單級式和兩級式。單級式光伏并網發(fā)電系統(tǒng)逆變器，需同時實現最大功率跟蹤(mppt)和并網的功能，控制器設計復雜。光伏陣列輸出電壓幅值要滿足逆變要求，需串聯電池板數量較多。兩級式光伏并網發(fā)電系統(tǒng)，首先經過dc/dc變換實現升壓和mppt功能，然后經過dc/ac變換實現并網。dc/dc和dc/ac兩級變換可以獨立控制，控制器設計簡單。dc/dc變換可以實現升壓功能，故不需要通過增加串聯電池板數量，提高光伏陣列輸出電壓。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般功率比較小，串聯的電池板數量有限，很難達到電網電壓的倍，故需要先進行升壓才能實現dc/ac變換，所以分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)多采用兩級式結構。其中前級dc/dc變換電路多采用boost升壓電路，實現升壓及最大功率跟蹤功能。因直流母線電壓是穩(wěn)定的，如式(1)所示通過增大boost升壓電路的占空比d，可以減小光伏輸出電壓，進而減小光伏輸出功率。

其中d為boost電路占空比，ut為直流母線電壓。本發(fā)明所提出的算法，通過對boost升壓電路的占空比d進行周期性的擾動，實現對mppt的周期性擾動，在電網斷電時影響并網點的電壓，使其超出過/欠壓保護閾值，從而檢測出孤島狀態(tài)。

ieeestd.92-2000規(guī)定，孤島發(fā)生后并網點電壓upcc0滿足0.88un≤upcc0≤1.1un(un為電網電壓有效值)時，需在2s鐘之內檢測出孤島狀態(tài)。分布式光伏并網系統(tǒng)，多數時間工作在正常狀態(tài)，故擾動周期越長越好。擾動周期越長單位時間內造成的功率損耗越小，同時為了滿足2s鐘之內檢測出孤島狀態(tài)，本發(fā)明設置的擾動周期為2s，每周期擾動時間持續(xù)兩個工頻周期。

光伏并網系統(tǒng)一般工作在最大功率點處，對mppt的擾動只能減小光伏輸出功率，故在孤島狀態(tài)下，對mppt進行擾動只能減小并網點電壓uppc的幅值。因此孤島發(fā)生后，并網點電壓幅值滿足0.88un≤upcc0≤1.1un時，最難檢測的情況為upcc0＝1.1un，為確保不漏檢，每次都需要按照最難檢測的情況進行擾動，這樣會造成損耗功率較大，因此本發(fā)明提出了基于mppt的自適應孤島檢測算法。

(1)孤島發(fā)生后，若并網點電壓upcc0幅值和頻率，滿足a、b、c三個條件中的一個，即可根據過欠壓和過欠頻確定為孤島狀態(tài)，三個條件如下：

a.upcc0<0.88un；

b.upcc0>1.1un；

c.0.5hz＜|f-fs|。

其中f表示并網點電壓頻率，un表示電網電壓有效值。

(2)如果孤島發(fā)生后，并網點電壓upcc0滿足0.88un≤upcc0≤1.1un，則必須對mppt進行擾動才能檢測出孤島狀態(tài)。

孤島發(fā)生后負載功率pload滿足：

pm＝k*um(3)

其中pm表示最大功率點處光伏輸出有功功率。擾動之后負載功率需滿足：

ppv＝k*upv(5)

boost電路擾動前后的占空比d、d1滿足：

由式(2)-(7)可得：

為了保證不漏檢，取d1為式(9)所示：

由于擾動周期為2s，每周期擾動持續(xù)時間為兩個工頻周期，擾動前無法判定孤島是否發(fā)生，故實際計算時，式(9)中upcc0取為u100n-2，則d1也可表示為式(10)：

在光照和溫度不發(fā)生突變的情況下，本發(fā)明所提算法對輸出功率的影響如式(12)所示。

ppv＝0.96pm+0.04ppv＝0.96kum+0.04kupv(11)

把式(6)、(7)、(10)帶入式(11)得：

如式(12)所示本發(fā)明所提孤島檢測算法造成的功率損耗不足1.5％。

綜上所述，經過擾動，孤島狀態(tài)下并網點電壓幅值會降到0.88un以下，超出了過/欠壓保護閾值，無檢測盲區(qū)，算法流程圖如圖3所示。

為驗證本算法的正確性和有效性，利用matlab/simulink對基于mppt的自適應孤島檢測算法，在三相并網逆變器上進行了仿真驗證。仿真參數設置為：電網相電壓峰值為311v，頻率為50hz；直流母線電壓為800v；濾波電路lcl參數為li＝3.5mh、cf＝4.5μf、ls＝0.5mh；開關管頻率為10khz。為了能夠充分說明問題，本發(fā)明對r＝rm即upcc0＝un、r＝1.21rm即upcc0＝1.1un兩種情況下的rlc負載，分別進行了仿真。根據ieeestd.92—2000的推薦rlc負載諧振頻率為50hz、品質因數qf＝2.5，兩種情況對應的rlc負載參數分別為r＝37.2ω、c＝213.9μf、l＝47.4mh；r＝45ω、c＝176.8μf、l＝57.3mh，孤島發(fā)生時刻為1.5s。本發(fā)明所提出的孤島檢測算法，擾動周為2s，每個周期對mppt實施連續(xù)的兩個工頻周期擾動。因在三相平衡條件下，三相電壓電流波形相同，故本發(fā)明只給出了a相電壓電流波形。

圖4為正常情況下擾動結果。從圖4可看出，正常情況下對boost電路的占空比d進行擾動時，占空比d增加，光伏輸出電壓upv減小，光伏輸出電流ipv不變，并網點電壓upcc因電網的鉗位作用也沒有變化，而逆變器輸出電流ia減小。這些參數的變化和理論分析相符，即通過對boost電路占空比d的擾動，可以實現對mppt的擾動，減小光伏輸出有功功率。

upcc0＝un即r＝rm(rm為逆變器輸出有功率與負載有功功率平衡時的負載電阻)情況下的仿真結果如圖5所示。從圖5(a)、(c)可看出1.5s孤島發(fā)生后，由于光伏輸出功率ppv＝pload，網點電壓upcc幅值沒有變化。圖5(a)、(d)可看出因rlc負載的諧振頻率為50hz，并網點電壓的頻率也沒有明顯變化，即并網點電壓的幅值和頻率都在正常范圍內，系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)運行，對mppt進行擾動才能檢測出孤島狀態(tài)。從圖5(b)、(c)可看出1.96s對mppt進行擾動后，boost電路占空比d增大，光伏陣列輸出電壓減小，逆變器輸出功率減小，進而導致并網點電壓幅值upcc迅速減小，1.995s并網點電壓幅值減小到0.88un以下，即檢測出孤島狀態(tài)，僅耗時35ms。

upcc0＝1.1un即r＝1.21rm情況下的仿真結果如圖6所示。從圖6(a)、(b)、(e)可以看出1.5s孤島發(fā)生后，因r＝1.21rm，網點電壓upcc幅值增大upcc≈1.1un。因儲能元件的存在，圖6(b)中逆變器輸出功率p的變化滯后于占空比d的變化。從圖6(a)、(c)可看出因rlc負載的諧振頻率為50hz，并網點電壓的頻率沒有明顯變化。并網點電壓的幅值和頻率都在正常范圍內，系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)運行，對mppt進行擾動才能檢測出孤島狀態(tài)。從圖6(d)、(e)可以看出1.96s對mppt進行擾動后，并網點電壓幅值upcc迅速減小，1.995s并網點電壓幅值減小到0.88un以下，即檢測出孤島狀態(tài)，僅耗時35ms。

為了進一步驗證理論分析的正確性，本發(fā)明搭建了圖7所示的實驗平臺。

其中光伏模擬電源采用深圳市菊水皇家科技有限公司的agp1000系列光伏模擬電源，dsp采用ti公司的tms320f28335控制芯片，三相并聯rlc負載采用chroma63802電子負載。負載品質因數qf＝2.5，諧振頻率為50hz，與仿真相一致負載載分為兩種情況r＝rm即uppc0＝un1(un1為實驗中并網點電壓額定值)、r＝1.21rm即uppc0＝1.1un1，兩種情況對應的rlc負載參數分別為r＝15.1ω、c＝526.2μf、l＝19.3mh；r＝18.3ω、c＝434.9μf、l＝23.3mh，電網相電壓峰值為100v，頻率為50hz。實驗波形如圖8、9所示，因占空比d的擾動情況與電壓、電流無法在同一時間尺度下表示，故本發(fā)明用擾動信號代替占空比d的變化，當擾動信號為1時表示擾動開始，擾動信號為0時表示擾動結束。ia表示逆變器輸出a相電流，ua表示電網a相電壓。

從圖8可以看出r＝rm時，孤島發(fā)生后因光伏陣列輸出功率與負載功率相等，負載電流沒有變化，且負載電阻不變，所以并網點電壓的幅值沒有明顯的變化，又因rlc負載的諧振頻率為50hz，故并網點電壓的幅值和頻率都在正常范圍內，光伏發(fā)電系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)運行。孤島發(fā)生后40ms，開始對mppt進行擾動，38ms后檢測出了孤島狀態(tài)。

從圖9可看出r＝1.21rm時，孤島發(fā)生后因光伏輸出功率大于負載功率，負載電流增大化，負載電阻不變的情況下，并網點電壓的幅值增大，但仍在正常范圍內，因rlc負載的諧振頻率為50hz，并網點電壓的頻率沒有變化，故光伏發(fā)電系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)運行。孤島發(fā)生后70ms，開始對mppt進行擾動，33ms后檢測出了孤島狀態(tài)。

圖8代表的一般負載條件下的實驗結果，圖9代表的是本發(fā)明算法在負載最苛刻條件下的實驗結果。從圖8、9可看出兩種情況下，本發(fā)明所提算法都能迅速檢測孤島狀態(tài)。實驗結果與理論分析、仿真結果相符，驗證了本發(fā)明所提算法的正確性和有效性。

本發(fā)明所提基于mppt的自適應算法，根據擾動開始前并網點電壓幅值u100n-2，確定對boost升壓電路占空比d的擾動量，通過對占空比d的擾動，實現對mppt以及光伏輸出有功功率的擾動，當孤島發(fā)生后影響并網點電壓幅值，使其偏離正常范圍，進而檢測出孤島狀態(tài)。本發(fā)明所提出的算法與基于頻率的孤島檢測算法相比不會引入額外的諧波；克服了現有基于mppt的孤島檢測算法存在檢測盲區(qū)的缺點，對占空比d進行自適應擾動，減小了功率損耗。在ieeestd.92—2000規(guī)定的最惡劣條件下進行了仿真和實驗，驗證了本發(fā)明所提出算法的有效性。

最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權利要求書所限定的范圍。