萬榮慶　葉銀忠　馬向華

摘 要： 孤島檢測是光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的必備功能，對孤島效應的檢測必須快速而準確，同時孤島檢測方法應盡量減小對并網電流質量的影響?；谡答佒鲃宇l率偏移法是目前應用最廣泛的一種檢測孤島的算法。為了解決該算法中的檢測盲區(qū)大、影響并網電流質量等缺點，提出一種改進的正反饋主動頻率偏移法。該方法通過檢測初始時刻頻率偏差的大小，確定初始斬波因子和擾動施加的方向，通過累加頻率偏差的絕對值反饋作用到公共點上。改進的孤島檢測方法不僅提高了孤島檢測精度，也降低了電流諧波畸變率。由仿真結果可知，改進后的AFDPF算法孤島檢測時間比傳統(tǒng)AFDPF算法快了0.04 s。

關鍵詞： 孤島檢測； 檢測盲區(qū)； 頻率偏差； 改進型正反饋主動頻率偏移法

中圖分類號： TN911?34； TM615 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0178?05

Abstract： The active frequency drift with positive feedback （AFDPF） algorithm is a current widely?used isolate detection algorithm. In order to eliminate the shortcomings of big detection blind area and the influence on quality of grid connected current existing in the algorithm， an improved AFDPF algorithm is proposed. The method detects the frequency deviation at the initial moment to determine the initial chopping factor and the disturbance infliction direction， and accumulates the absolute value of the frequency deviation to feed back to the common point. The improved island detection algorithm can improve the island detection accuracy， and also reduce the current harmonic distortion rate. The simulation results show that the island detection time of the improved AFDPF algorithm is 0.04 s faster than that of the traditional AFDPF algorithm.

Keywords： island detection； detection blind area； frequency deviation； improved AFDPF algorithm

0 引 言

隨著經濟和社會的發(fā)展，能源消耗日益增大。日益嚴重的環(huán)境污染和電力需求的巨大缺口迫使人們越來越重視可再生能源的開發(fā)與利用，光伏發(fā)電應運而生。太陽能光伏發(fā)電是開發(fā)利用可再生資源的一種形式，伴隨著更多的光伏發(fā)電系統(tǒng)并入電網，對電網和并網光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全運行帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的快速發(fā)展帶來的是導致逆變器孤島效應發(fā)生的幾率變大，孤島不僅會導致電力系統(tǒng)設備的損壞，嚴重時還有可能直接威脅維護電力系統(tǒng)工作人員的生命安全。所以，每一個并網發(fā)電系統(tǒng)都一定要具有反孤島檢測的功能。孤島效應指的是當市電電網發(fā)生故障或斷電的情況下，并入電網的光伏發(fā)電系統(tǒng)仍繼續(xù)向本地負載供電，使之局部正常工作，這就導致了孤島對系統(tǒng)的安全運行和用戶人身安全的影響也越來越大。其中，如何有效快速地檢測出孤島效應是光伏并網發(fā)電技術目前亟需克服的重要難題之一[1?3]。

在光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測中，孤島檢測方法一般分為主動式和被動式兩大類。被動式孤島檢測方法通過檢測逆變器輸出端電量的變化來判斷系統(tǒng)是否發(fā)生孤島。該方法存在門檻值不能精確設定、檢測盲區(qū)范圍較大等缺點，而且被動檢測法在逆變器輸出功率和負載功率相匹配的情況下容易發(fā)生漏檢的情況。

為了解決被動檢測法存在的問題，科學家們又發(fā)明了主動檢測法。帶正反饋的主動頻率偏移法（Active Frequency Drift with Positive Feedback，AFDPF）是目前應用最廣泛的一種孤島檢測算法。AFDPF是在AFD（Active Frequency Drift）檢測法的基礎上引入正反饋，通過加速公共點電壓頻率偏離正常值， 進一步縮小孤島檢測盲區(qū)。

文獻[4]提出的自適應主動頻率偏移方法雖然實現(xiàn)了電流低畸變的目的，但是該算法太過復雜，而且閾值不能精確設定。文獻[5]提出的新的檢測方法雖然縮短了孤島檢測時間，卻存在著誤判的可能。文獻[6]闡述的方法通過增大AFDPF的頻率偏差的次方數以提高輸出電能的質量。文獻[7]提出的間歇性擾動孤島檢測法解決了擾動量變大，相應的檢測盲區(qū)變小，輸出電流總諧波失真度變大的問題。雖然該方法提高了輸出電流波形的質量，但是在電網斷開后，頻率偏差的累積存在誤差，檢測孤島的時間會變長。

以上針對孤島效應提出的孤島檢測方法中所選取的初始斬波因子和正反饋因子k都是固定參數，k的值必須隨著不同情況下的孤島效應檢測隨時更改，并且k值固定時盲區(qū)的大小也是固定的，這就造成了檢測孤島效應的遲滯性，不能很好地降低輸出電流的諧波失真度。為此，本文提出了一種改進型的正反饋主動移頻檢測方法。該方法是在傳統(tǒng)AFDPF方法的基礎上，根據改進的算法實時改變正反饋因子k的值，通過檢測初始時刻頻率偏差的大小，確定初始斬波因子和施加擾動的方向，把累加頻率偏差的絕對值作為正反饋量作用到公共點上，從而能夠快速地檢測出孤島。仿真結果表明，該方法孤島檢測效果好，有一定的可行性。

1 AFD方法原理

AFD檢測方法的原理是通過向逆變器輸出電流[Iinv]周期性地注入微小的頻率擾動使得pcc點電壓[Vpcc]的頻率在公共電網斷開時向下或者向上偏移，如果該偏移量超過預設的閾值，則觸發(fā)孤島保護[8]。檢測原理見圖1。

在 AFD算法中，[cf]是固定參數，常取固定值為0.02。如果設置的參數過小，則孤島在規(guī)定的時間內檢測不出來，也會增大孤島檢測盲區(qū)；如果設置的參數過大，雖然孤島能被快速地檢測出來，并且也能減小檢測盲區(qū)，但與此同時，并網逆變器的輸出電流總諧波畸變率 THD（Total Harmonic Distortion）則會增大。

2 AFDPF方法工作原理

2.1 AFDPF檢測原理

帶正反饋的主動頻率檢測法是在AFD檢測方法的基礎上提出的一種改進方案，針對傳統(tǒng)AFD檢測方法中檢測盲區(qū)較大的缺點，AFDPF方法通過在AFD 頻率偏移的基礎上引入正反饋，加速公共點電壓頻率偏離正常值，以便能進一步減小孤島檢測盲區(qū)[9]。斬波因子[cf]定義為：

式中：[cf0]為初始斬波因子；k為正反饋因子；[f]與[fg]分別為公共點電壓頻率和電網頻率。當市網斷電后，如果頻率向下偏移，那么頻率偏差將隨公共點電壓頻率的減小而減小，斬波因子減小，逆變器也減小輸出電流的頻率，直到觸發(fā)孤島欠頻保護。反之，如果頻率向上偏移，則逆變器輸出電流的頻率一直增大，直到發(fā)生孤島過頻保護。

2.2 AFDPF方法的檢測盲區(qū)

檢測盲區(qū)（Non?Detection Zone，NDZ）是檢測孤島的方法失效時，相對應的負載參數空間。一般通過判斷檢測盲區(qū)來檢驗孤島檢測的有效性。品質因數[Qf0]作為橫坐標，標準化電容值[Cnorm]作為縱坐標，這樣既能直觀地映射NDZ和品質因數間的關系，又能避免兩個坐標變量間相互耦合給孤島檢測方法性能比較帶來的不便。因此在本文中采用該方法對 AFDPF的檢測盲區(qū)進行分析研究[10]。定義為：

3 改進的AFDPF方法

在傳統(tǒng)AFDPF中，由文獻[12]可知，電流THD 除了與初始斬波因子[cf0]有關外，還與頻率偏差[Δf]及正反饋因子k相關。k的值越大，THD的增量也就越大。由于輸出電壓頻率和電網電壓頻率的偏差以及初始斬波因子會作為擾動把算法作用引入，進而造成對電能質量的負面影響[12]。恒定的[cf]和k的參數會影響孤島檢測效果。針對上述不足，對傳統(tǒng)的AFDPF孤島檢測方法做如下修改：

式中：[cf0]是系統(tǒng)初始截斷系數；k是正反饋增益；[f0]是孤島發(fā)生初始時刻pcc點電壓頻率；n是孤島檢測的周期數；[sign（f-fg）]是初始時刻pcc點電壓頻率和電網額定頻率之差的符號，通過引入符號函數能夠實時改變[cf0]的正負性，進而克服負載對單一方向擾動信號的平衡作用。

在電網斷開的初始時刻，檢測公共點電壓頻率[f]，并與電網額定頻率[fg]比較，通過差值符號[sign（f-fg）]確定初始斬波因子及擾動方向并進行疊加，加速公共點電壓頻率偏離正常值。對前t個周期公共點電壓頻率和電網額定頻率的變化量取絕對值再累加作為正反饋量，能夠避免因電網擾動而引起的孤島誤判，使擾動量一直以初始時刻的擾動方向對公共點電壓頻率擾動，加速pcc點電壓頻率偏離到預先設定的閾值，最終檢測出孤島。改進后的AFDPF算法作用后，檢測盲區(qū)也明顯縮小，孤島檢測的及時性顯著提高，算法的作用時間用時更短，有效性得到了提高。

4 仿真與分析

為了驗證改進后AFDPF的孤島檢測效果，本文采用Matlab/Simulink仿真軟件對系統(tǒng)進行仿真，仿真模型如圖3所示。

仿真模型包括主電路、孤島檢測部分和并網控制部分。通過S?Function函數實現(xiàn)對AFDPF模塊的孤島檢測。仿真情況針對RLC并聯(lián)負載模型，直流輸入電壓400 V，電網電壓220 V，頻率[f]=50 Hz，輸出功率2 kW，R=24.2[Ω]，濾波電感L=30.8 mH，負載品質因素Qf= 2.5。此時負載偏容性是孤島發(fā)生最嚴重的工況環(huán)境。

由上文可知，增大正反饋因子k的參數能有效地減小盲區(qū)，但是k值取的過大會使得電流畸變增大。根據文獻[13]的表述，采用AFDPF方法檢測孤島效應時，要滿足[k>0.053]，一般取[k=0.06]，此時檢測孤島的效率高，并且對THD的影響小。

對孤島檢測時間來說，初始斬波因子越大，孤島檢測時間就越短。但是考慮到電能質量和孤島檢測時間的聯(lián)系，[cf0]的值不能取過大，該算法在傳統(tǒng)AFDPF的基礎上增大了k的值，使其能更快速地將公共點電壓頻率偏離正常值，直到pcc點電壓頻率偏離到預先設定的檢測閾值，所以取[cf0=0.01]。電網在0.1 s時斷開，通過Matlab/Simulink對改進的AFDPF算法進行仿真，電網斷開后，兩種不同算法的公共點電壓頻率和輸出電流波形分別如圖4、圖5所示。

上述的仿真結果采用的是帶正反饋的孤島檢測方法。仿真圖形如圖4所示，對于傳統(tǒng)AFDPF檢測方法來說，0.1 s 前，系統(tǒng)處于并網運行狀態(tài)，輸出的電壓電流保持同相同頻；在0.1 s時，將電網斷開，在0.12 s處pcc點電壓的頻率偏離了50 Hz，正反饋擾動開始引入，大約在0.2 s 時pcc點電壓頻率偏離超出閾值，實現(xiàn)孤島保護。采用改進的AFDPF檢測方法，仿真波形如圖5所示。改進后的AFDPF法在0.1 s前，光伏系統(tǒng)處于并網運行狀態(tài)，逆變器輸出的電壓電流始終保持同相同頻；0.1 s時，電網自動斷開，改進后的算法自動調整初始斬波因子的擾動方向，保證[cf0]和k的擾動方向相同，在正反饋因子和初始斬波因子的影響下，pcc點電壓頻率發(fā)生偏移；在0.16 s時pcc點電壓頻率偏離超出閾值，檢測出孤島。遠遠小于國際規(guī)定的孤島檢測時間（2 s內），比傳統(tǒng)AFDPF孤島檢測方法快了0.04 s。

圖6（a）、圖6（b）分別表示了傳統(tǒng)AFDPF檢測方法和改進后AFDPF檢測方法的THD。從圖6（a）可知傳統(tǒng)AFDPF方法并網電流總共20 次，由于引入了較大的干擾，總諧波失真率THD 是0.68%。而改進后的AFDPF方法的THD相比于傳統(tǒng)的AFDPF方法有了較大減小，從圖6（b）可知改進后AFDPF算法的THD 是0.64%，相比于前者THD下降了，說明該方法能夠改善光伏逆變器輸出電能的質量，降低了傳統(tǒng)AFDPF方法檢測孤島時的并網輸出電流的畸變率。

5 結 語

針對傳統(tǒng)AFDPF算法中[cf0]和k值都是恒定參數而導致的孤島檢測時間長和檢測盲區(qū)范圍大的缺點，提出一種改進的AFDPF檢測算法。通過改進初始斬波因子和正反饋系數，證明了該算法的有效性。結果表明，該方法在規(guī)定的時間（2 s）內能迅速地檢測出孤島，達到了預期的研究目的。

參考文獻

[1] 謝東.分布式發(fā)電多逆變器并網孤島檢測技術研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2014.

[2] 吳威，韓愚拙，陳昆.光伏并網發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測技術綜述[J].電工電氣，2012，32（4）：1?6.

[3] 張有兵，穆淼婕，翁國慶.分布式發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測方法研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39（1）：139?146.

[4] 周詩嘉，陸格文，黎濤，等.自適應主動頻率偏移孤島檢測新方法[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2012，24（2）：78?82.

[5] 劉洋，王明渝，高文祥，等.微電網新型孤島檢測技術的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40（12）：146?150.

[6] 鄧燕妮，桂衛(wèi)華.一種低畸變的主動移頻式孤島檢測算法[J].電工技術學報，2009，24（4）：219?223.

[7] MANN G I， HU B G， GOSINE R G. Analysis of direct action fuzzy PID controller structures [J]. IEEE transactions on systems， man， and cybernetics： part B， cybernetics， 1999， 29（3）： 371?388.

[8] 袁玲，鄭建勇，張先飛.光伏發(fā)電并網系統(tǒng)孤島檢測方法的分析與改進[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31（21）：72?75.

[9] 張超，何湘寧，趙德安.一種新穎的光伏并網系統(tǒng)孤島檢測方法[J].電力電子技術，2007，41（11）：97?100.

[10] 劉建，崔德民，李曉博，等.常見孤島檢測盲區(qū)描述方法[J].山東電力技術，2013（6）：39?42.

[11] ROPP M， ROHATGI M， ROHATGI M， et al. Determining the relative effectiveness of islanding detection methods using phase criteria and non?detection zones [J]. IEEE transactions on energy conversion， 2000， 15（9）： 290?296.

[12] 劉方銳，康勇，張宇，等.帶正反饋的主動移頻孤島檢測法的參數優(yōu)化[J].電工電能新技術，2008，27（3）：22?25.

[13] 劉芙蓉，康勇，段善旭，等.主動移頻式孤島檢測方法的參數優(yōu)化[J].中國電機工程學報，2008，28（1）：95?99.

[14] 羅雪芹，李開航，鄒佳.MB?OFDM?UWB通信系統(tǒng)接收機載波同步設計[J].現(xiàn)代電子技術，2015，38（10）：4?6.