周 磊，郭前崗，周西峰，馬 永（南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210023）

一種改進(jìn)的主動(dòng)移頻式孤島檢測(cè)方法

周 磊，郭前崗，周西峰，馬 永
（南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210023）

針對(duì)傳統(tǒng)主動(dòng)移頻式孤島檢測(cè)（Active Frequency Drift，AFD）方法總諧波失真度高和檢測(cè)時(shí)間不夠理想的問題，提出了一種改進(jìn)的AFD孤島檢測(cè)方法。通過并網(wǎng)光伏系統(tǒng)向電網(wǎng)注入近似的余弦波，采用坐標(biāo)平面分析對(duì)傳統(tǒng)方法與該方法的總諧波失真與檢測(cè)盲區(qū)進(jìn)行分析描述。最后，通過MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，該方法能顯著減小總諧波失真、有效地縮短了孤島檢測(cè)時(shí)間。

孤島檢測(cè)；總諧波失真；檢測(cè)盲區(qū)；仿真分析

0 引言

隨著地球環(huán)境污染的加劇和常規(guī)能源的逐漸枯竭，新能源的開發(fā)利用成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，基于可再生能源的分布式發(fā)電技術(shù)不僅能提高能源利用率，而且可以保持較高的電能指標(biāo)，光伏發(fā)電是其中潛力最大的一種可再生綠色能源［1］。光伏發(fā)電（Photovoltaic，PV）作為其中一種重要的發(fā)電形式，仍存在三大主要難題：最大功率跟蹤控制、并網(wǎng)技術(shù)和孤島檢測(cè)。實(shí)際上，孤島效應(yīng)問題是包括光伏發(fā)電在內(nèi)的分布式發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)比較基本的問題，所謂孤島效應(yīng)［2］是指：在圖1所示的分布式發(fā)電系統(tǒng)（Distributed Generation，DG）中，當(dāng)電網(wǎng)在供電時(shí)由于故障或者停電維修跳閘時(shí)，各用戶端的分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)就不能及時(shí)將自身切離市電網(wǎng)絡(luò)，從而形成了由分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和其相連負(fù)載組成的一個(gè)自給供電的孤島發(fā)電系統(tǒng)。

孤島會(huì)威脅電網(wǎng)維修人員的安全，可能損壞設(shè)備、燒毀發(fā)電系統(tǒng)等。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)出孤島意義重大。孤島檢測(cè)方法通常分為兩類：被動(dòng)式孤島檢測(cè)和主動(dòng)式孤島檢測(cè)。被動(dòng)式檢測(cè)方法雖然簡(jiǎn)單、有效，并對(duì)電網(wǎng)電能沒有影響，但是檢測(cè)盲區(qū)（Non-Detection Zone，NDZ）大，且在某些情況下檢測(cè)速度較慢，不能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)［3］。因此，研究人員提出了主動(dòng)式反孤島策略方法。

圖1 分布式發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)示意圖

AFD的原理是通過并網(wǎng)光伏系統(tǒng)向電網(wǎng)注入略微有點(diǎn)變形的電流，以形成一個(gè)連續(xù)改變頻率的趨勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)。為了進(jìn)一步減少檢測(cè)盲區(qū)，提高檢測(cè)質(zhì)量，減少總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD），研究人員提出了一些改進(jìn)方案。參考文獻(xiàn)［4］提出了一種基于奇偶周期之間輪流改變逆變器輸出電流頻率的方法，該方法與傳統(tǒng)的AFD方法相比，確實(shí)減少了檢測(cè)盲區(qū)，但是其檢測(cè)時(shí)間需要比較長。參考文獻(xiàn)［5］提出一種基于負(fù)序電壓分配因子的孤島檢測(cè)方法，該方法抗電網(wǎng)擾動(dòng)能力強(qiáng)，但需要引入負(fù)序電源，同時(shí)，基于負(fù)序電流的孤島檢測(cè)方法可能受電網(wǎng)側(cè)非對(duì)稱故障的影響。

基于以上分析，本文提出了一種改進(jìn)的AFD方法，它與傳統(tǒng)的AFD方法相比，既能夠大幅度減少THD又能夠縮短孤島檢測(cè)時(shí)間，當(dāng)與傳統(tǒng)的AFD方法具有相同的THD時(shí)，其NDZ會(huì)比較小。利用MATLAB/Simulink環(huán)境，對(duì)本文所提及的AFD方法進(jìn)行仿真，從而驗(yàn)證了此方法的高效性。

1 AFD基本原理［6］

AFD算法的工作原理如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)AFD方法圖

以一個(gè)給出的正弦波為對(duì)照，在正弦波中插入死區(qū)，可見并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的輸出電流頻率被相應(yīng)地提高了。零傳導(dǎo)時(shí)間tz在逆變器輸出的參考電流波形中都有出現(xiàn)，因?yàn)橛辛藅z的存在，所以獲得的參考電流與初始參考電流相比，相位角變化了θ，從而向電網(wǎng)注入了無功功率。無功功率/有功功率（Q/P）和THD的關(guān)系為：

其中，R、L和 C分別為負(fù)載的電阻、電感和電容，ω為分布式電源與電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)（Point of Common Coupling，PCC）處的角頻率。

但是RLC負(fù)載的品質(zhì)因素越大，孤島檢測(cè)越容易失敗，所以相對(duì)被動(dòng)檢測(cè)方法，傳統(tǒng)的AFD方法雖然能夠減小 NDZ，但還是存在較大的 NDZ，而且 THD也比較大。

其中，cf為半個(gè)電壓波形中 tz所占的比率。

傳統(tǒng)AFD方法的NDZ為：

2 算法改進(jìn)

2.1 相關(guān)分析

為了減小NDZ和THD，而且不影響孤島的檢測(cè)特性，參考文獻(xiàn)［7］提出了另一種電流擾動(dòng)方程，如圖3所示。向初始參考波注入階躍變化波形，也就是不改變電流頻率而改變部分電流的幅值，從而打破平衡來檢測(cè)孤島效應(yīng)的發(fā)生。此電流方程為：

其中，ω0為電網(wǎng)頻率，I為電流幅值，k（0＜k＜1）為擾動(dòng)系數(shù)。

圖3 參考文獻(xiàn)［5］AFD方法圖

圖3中所提出的AFD方法的Q/P和THD分別為：

其中，N為注入的階躍波形的幅度。

通過式（4）和式（5）可以得到Q/P與 THD之間的關(guān)系，進(jìn)而得到此AFD方法的NDZ為：

通過式（3）～式（6）可得，在相同的 Q/P的前提下，此AFD方法的NDZ確實(shí)比傳統(tǒng)的AFD方法減少了30％左右的THD。

2.2 改進(jìn)算法的分析［8］

［7］中的方法雖然減少了THD和NDZ，但是改進(jìn)程度有限，檢測(cè)速度也不理想。由于當(dāng)沒有THD問題時(shí)，純正的余弦波注入到同頻率的正弦波中時(shí)可獲得無功功率，而向系統(tǒng)中注入額外的無功功率就是需要用來檢測(cè)孤島效應(yīng)的。于是本文提出了一種改進(jìn)的AFD方法，就是將一近似余弦的波注入到初始參考波形中，如圖4所示。

圖4 本文AFD方法圖

從圖4可得到電流方程為：

為了分析本文所提方法的參考電流波形的諧波分量和相位角，根據(jù)傅里葉變換可得：

其中，a1和 b1分別為基波電流的傅里葉系數(shù)，φ1為基波的位移角，Irms和 I1rms分別為本文方法的電流波和它的基波的均方根。

通過式（12）和式（13）可以得到本文方法的波形的THD為：

通過式（10）和式（13）可得到 THD和 Q/P的關(guān)系。圖5為傳統(tǒng)AFD方法和本文AFD方法中THD和Q/P的關(guān)系圖線，可以看到，對(duì)于給定的 Q/P，本文方法的THD比傳統(tǒng)方法的要低得多。

從圖5中可以知道，本文方法的Q/P比傳統(tǒng)方法的增加了4.5倍。比如說當(dāng)THD=4％時(shí)，傳統(tǒng)方法Q/P= 4％，而本文方法Q/P=18％，也就是說，當(dāng)它們具有相同的THD時(shí)，本文方法比傳統(tǒng)方法需要更少的檢測(cè)時(shí)間。

圖6為當(dāng)本文AFD方法和傳統(tǒng)AFD方法都具有相同 THD=5％時(shí)，它們?cè)?Qf×Cnorm坐標(biāo)平面的 NDZ位置。當(dāng)這兩種方法具有相同的NDZ寬度時(shí)，本文方法的NDZ位置比傳統(tǒng)方法的高，高的NDZ位置顯示了本文方法在實(shí)際檢測(cè)孤島時(shí)具有更高的可靠性。因此本文方法不僅能有效地檢測(cè)孤島效應(yīng)，更能夠減小對(duì)電流波的THD影響。

圖5 兩種方法THD與Q/P關(guān)系圖

圖6 兩種方法NDZ位置圖

3 孤島檢測(cè)的仿真分析

3.1 仿真參數(shù)

為了驗(yàn)證本文AFD方法的高效性，設(shè)計(jì)了單相全橋逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)在 MATLAB/Simulink上進(jìn)行仿真。2.2 kW單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)電壓為220 V/50 Hz，頻率保護(hù)動(dòng)作閾值為50±0.5 Hz，負(fù)載品質(zhì)因素 Qf為2.5，取負(fù)載諧振頻率為50 Hz的最壞情況下來進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，則可用負(fù)載值為：R=22Ω，L=28.4e-3 H，C=367e-6 F，設(shè)置在0.3 s時(shí)斷網(wǎng)。

圖8顯示的是在Q/P=5％時(shí)，傳統(tǒng)AFD方法和本文AFD方法的逆變器輸出電流的仿真圖。

圖8 兩種方法逆變器輸出電流波形圖

圖9顯示的是在兩種方法具有不同的THD值時(shí)，它們各自電流的波譜圖。從圖8中可以知道本文AFD方法輸出的電流近似為正弦波，那么它就應(yīng)該具有最小的THD，這個(gè)在圖9中有所體現(xiàn)。

圖9 兩種方法逆變器處電流波譜圖

3.2 孤島檢測(cè)速度

在傳統(tǒng)AFD方法和本文AFD方法各自的諧波分量比較小的條件下，取Cnorm=1.03和 Qf=2.5。本文 AFD方法比傳統(tǒng)AFD方法快很多，如圖10所示，電網(wǎng)在0.3 s時(shí)斷網(wǎng)，傳統(tǒng)AFD方法在斷網(wǎng)后 0.3 s內(nèi)檢測(cè)不到孤島發(fā)生，而本文的AFD方法在斷網(wǎng)0.06 s時(shí)就能檢測(cè)到孤島發(fā)生，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)［3］的要求。

4 結(jié)論

本文根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，分析總結(jié)以前的AFD方法，提出了一種改進(jìn)的AFD方法，即向初始電流波注入近似余弦波從而減少并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生電流波的THD。通過對(duì)電流波形進(jìn)行傅里葉變換，從理論上對(duì)傳統(tǒng)的AFD方法和本文AFD方法的NDZ和THD進(jìn)行了對(duì)比分析，進(jìn)一步根據(jù)實(shí)際的2.2 kW單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了此方法的高效性。與傳統(tǒng)AFD方法相比，本文AFD方法既可以減少更多的THD，又可以減少檢測(cè)孤島的時(shí)間。

圖10 兩種方法的孤島檢測(cè)結(jié)果圖

3.4 D/A轉(zhuǎn)換輸出模塊

本設(shè)計(jì)中只需選中TLC5618并向SLCK發(fā)送一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，DIN發(fā)送數(shù)據(jù)即可，數(shù)據(jù)為 16 bit，前4 bit控制其工作狀態(tài)，后12 bit控制兩路輸出電壓大小。

4 結(jié)論

此次控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為控制器，對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制，有效利用單片機(jī)內(nèi)部資源以及

掌握了相應(yīng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行特性，在生產(chǎn)調(diào)速電機(jī)的配套裝置實(shí)際應(yīng)用中，降低了生產(chǎn)成本，提高了系統(tǒng)的性能。

參考文獻(xiàn)

［1］孫廣輝.遠(yuǎn)程自修復(fù)光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（3）：47-49.

［2］張興，曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GBT19939-2005光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求［S］.2005.

［4］Ren Biying，Tong Xiangqian，Sun Xiangdong，et al.Research on an improved active frequency drift method for the grid-connected anti-islanding detection［C］.International Conference on Electrical Machines and Systems，2008，ICEMS 2008，Wuhan，2008：2657-2660.

［5］馬靜，米超，王增平，等.基于負(fù)序電壓分配因子的孤島檢測(cè)新原理［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（8）：239-242.

［6］蔣翠，祁新梅，鄭壽森.帶電壓頻率正反饋的主動(dòng)移頻式孤島檢測(cè)方法［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42（8）：95-100.

［7］YAFAOUI A，WU B，KOURO S.Improved active frequency drift anti-islanding detection method for grid connec-ted photovoltaic system［J］.IEEE Transactions on Power Electron，2012，27（5）：2367-2375.

［8］Chen Wu，Wang Guangjiang，Zhu Xu，et al.An improved active frequency drift islanding detection method with lower total harmonic distortion［J］.ECCE，IEEE，2013：5248-5252.

參考文獻(xiàn)

［1］張國斌，尹崗.基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2009，1（11）：105-107.

［2］陳華林.基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)研究［J］.硅谷，2014，17（6）：9-10.

［3］苗敬利，鄒靖.無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（7）：88-91.

［4］鄒智慧.淺談直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用［J］.才智，2010，19（16）：65-66.

［5］陳德益.基于嵌入式單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2010，1（7）：359-362.

［6］滕莉，李英，阮德林，等.一種基于步進(jìn)電機(jī)的振蕩器控制設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（8）：87-90.

［7］曾浩.淺談AT89C51單片機(jī)在SR電機(jī)控制中的應(yīng)用［J］.電子測(cè)試，2013，5（9）：123-124.

［8］趙磊，王哈力.基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，16（12）：196-198.

（收稿日期：2015-08-26）

作者簡(jiǎn)介：

白濤（1979-），男，博士，碩士生導(dǎo)師，講師，主要研究方向：水下超空泡航行體的導(dǎo)航與控制。

吳振（1991-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：現(xiàn)代控制理論及應(yīng)用。E-mail：1078222542@qq.com。

陳若謎（1992-），男，本科生，主要研究方向：目標(biāo)識(shí)別與運(yùn)動(dòng)跟蹤。

An improved active frequency drift islanding detection method

Zhou Lei，Guo Qian′gang，Zhou Xifeng，Ma Yong
（School of Automation，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023，China）

In view of the classic Active Frequency Drift（AFD）anti-islanding detection method of total harmonic distortion and islanding detection time is not ideal，this paper puts forward an improved AFD anti-islanding detection method.A current waveform approximates to cosine is injected to the original reference by grid photovoltaic system，the total harmonic distortion and nondetection zone of the classic method and the proposed method are described by using coordinate plane.Finally，in the MATLAB/Simulink environment，the simulation results show that the proposedmethod has less total harmonic distortion and shorter islanding detection time.

islanding detection；non-detection zone；total harmonic distortion；simulation analysis

TM615

A

1674-7720（2015）24-0004-04

周磊，郭前崗，周西峰，等.一種改進(jìn)的主動(dòng)移頻式孤島檢測(cè)方法［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（24）：4-7，12.

2015-08-27）

周磊（1992-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：自動(dòng)控制系統(tǒng)及先進(jìn)功率變換。E-mail：357035835@qq.com。

郭前崗（1960-），男，博士，教授，主要研究方向：自動(dòng)控制系統(tǒng)及先進(jìn)功率變換系統(tǒng)理論與技術(shù)。

周西峰（1960-），男，學(xué)士，教授，主要研究方向：計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)、智能與網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。