改進的正反饋主動頻移孤島檢測方法的仿真分析

劉觀起，游曉科

（華北電力大學，河北保定071003）

改進的正反饋主動頻移孤島檢測方法的仿真分析

劉觀起，游曉科

（華北電力大學，河北保定071003）

能源緊缺，環(huán)境惡化是日趨嚴重的全球性問題。人類為追求可持續(xù)發(fā)展，正積極發(fā)展可再生能源技術。太陽能作為可再生能源之一，這些年來引起了世界各國政府和能源專家的日益重視。在國內(nèi)，電能緊缺已經(jīng)是一個非常嚴峻的問題，光伏并網(wǎng)發(fā)電有望在未來緩解這一緊張的局面。當越來越多的光伏發(fā)電系統(tǒng)并接到電網(wǎng)上時，就帶來了電網(wǎng)保護的新現(xiàn)象——孤島效應。孤島效應[1]是指當電力公司因故障或停電維修而停止供電時，用戶端的并網(wǎng)逆變器仍處于工作狀態(tài)，使得并網(wǎng)逆變器和周圍的負載形成一個電力公司無法控制的自供電網(wǎng)絡。孤島效應會導致用電設備損壞和人身傷亡事故，因此必須及時檢測出孤島效應的發(fā)生，并切斷系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接。

本文針對傳統(tǒng)正反饋頻率漂移孤島檢測方法在不同負載性質(zhì)下檢測效果存在較大差異的缺點，分析了一種改進的檢測方法，介紹了其工作原理，以及負載性質(zhì)對檢測方法的影響，最后通過仿真驗證了所采用的方法的有效性。

1 AFD工作原理

主動頻率偏移法是一種比較常用的主動式孤島檢測方法[2]。通過采樣公共節(jié)點處的頻率并作偏移，作為逆變器的輸出電流頻率，造成對負載端電壓頻率的擾動。主動頻率偏移法示意圖如圖1所示。

圖1 主動頻率偏移法示意圖Fig.1 The diagram of AFD detection method

調(diào)整輸出電流的頻率，使其比電壓頻率略高，若電流半波已完成而電壓未過零，則強制電流給定為零，直到電壓過零點到來，電流才開始下一個半波。當市電斷電后，公共點電壓的頻率受電流頻率的影響而偏離原值，超過正常范圍即可檢測出孤島。該方法具有對電能質(zhì)量影響小，易于實現(xiàn)等優(yōu)點。

圖1中，VPCC為公共耦合點電壓，并網(wǎng)運行時即為電網(wǎng)電壓；TV是對應的周期；i為逆變器輸出電流；tz為電流截斷時間；定義cf=2tz/TV為截斷系數(shù)，通過傅里葉分析可得，逆變器輸出電流基波超前輸出電流的相位為wtz/2，定義其為主動移頻角θAFD，即

定義θload為負載電流超前電壓的角度，即

脫網(wǎng)后若θAFD始終大于或小于θload，則頻率將保持一個方向偏移，穩(wěn)定運行點不存在，以此便能檢測出孤島。

但是，對于并聯(lián)的RLC負載，無論負載阻抗角大于或者小于零，在阻抗角和頻率偏移的相互影響下，其作用相互抵消，且此時頻率和電壓均未能超過預設的閾值，那么，系統(tǒng)將無法檢測到孤島現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2 傳統(tǒng)的正反饋AFD檢測原理

為適應并網(wǎng)運行時對電能質(zhì)量影響小，脫網(wǎng)時能快速檢測出孤島，且檢測盲區(qū)小或在特定負載下無盲區(qū)的要求，AFD法引入頻率正反饋，此即為帶正反饋的主動頻率偏移法（Active Frequency with Positive Feedback，AFDPF）[3]，其表達式如下

式中，cf0為初始截斷系數(shù)；k為頻率正反饋系數(shù)；fg為電網(wǎng)頻率。

將式（3）代入式（1）得

cf0代表了電網(wǎng)存在時的固有頻率擾動，作用是觸發(fā)脫網(wǎng)瞬間的頻率偏移，其值直接影響逆變器輸出電流的諧波大小，一般取cf0=0.02，k=0.1。

3 改進的正反饋AFD原理

由于傳統(tǒng)的AFDPF孤島效應檢測方法中擾動信號cf均按一個方向?qū)進行擾動。當電網(wǎng)發(fā)生故障且負載性質(zhì)不同時，f的變化方向有可能與擾動信號方向相反，這會導致f的誤差積累較慢，從而延長孤島檢測時間。特殊情況下，負載對f的平衡作用會抵消頻率擾動的作用，這種情況下會出現(xiàn)孤島效應的漏判。

考慮到電路噪聲和檢測誤差的存在，斷網(wǎng)瞬間檢測頻率總有相對于電網(wǎng)頻率的偏移，因此可對初始截斷系數(shù)作修正，即

式中，當f-fg≥0時，sign（f-fg）＝1；f-fg＜0時，sign（f-fg）＝-1。對于感性負載和容性負載的孤島檢測效率都可提高[4]。

4 改進的AFDPF檢測方法仿真

4.1 仿真模型

根據(jù)上述理論分析，采用Matlab/Simulink建立了2kW單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變系統(tǒng)功率輸出級仿真模型[5-8]。仿真模型由單相并網(wǎng)系統(tǒng)輸出級的主電路部分、并網(wǎng)控制部分、孤島檢測部分組成,圖2、3、4分別為這3部分仿真模塊。孤島檢測中AFDPF模塊由s-function函數(shù)來實現(xiàn)，并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻同相。

圖2 主電路模塊Fig.2 Main circuit block diagram

圖3 并網(wǎng)控制模塊Fig.3 Grid control block diagram

圖4 孤島檢測模塊Fig.4 Islanding detection block diagram

4.2 仿真結(jié)果分析

取仿真參數(shù)為：直流電壓400V；取電網(wǎng)電壓有效值220V(峰值為310V)；頻率50.0Hz；逆變器輸出參考電流值為12.5A；頻率保護的動作閥值設置為50.0±0.5Hz；整定負載有功為2kW；濾波電感L=5mH；R=0.01Ω；整定負載品質(zhì)因數(shù)Qf=2.5；RLC負載參數(shù)為：R=24.04Ω；L=7.65×10-3H；C=1.325×10-6F；諧振頻率f0=50Hz。電網(wǎng)在0.12s斷開。

為了便于觀察，圖中將電壓峰值縮小為實際值的1/8，電流幅值擴大為原來的2倍，根據(jù)cf0取值的不同，分別進行3次仿真：

當cf=0.02+0.1·（f-fg）時，光伏發(fā)電系統(tǒng)正常工作時并網(wǎng)電流THD=2.82%，在t=0.258s時發(fā)生過頻保護動作；當cf=-0.02+0.1·（f-fg）時，并網(wǎng)電流THD=2.33%，在t=0.261s處欠頻保護動作；當cf=0.02·sign（f-fg）+0.1·（f-fg）時，并網(wǎng)電流THD=1.40%，在t=0.24s處欠頻保護。歸納的孤島檢測仿真結(jié)果如表1所示。表中，當f-fg≥0時，sign（f-fg）＝1；f-fg＜0時，sign（f-fg）＝-1。

仿真結(jié)果如圖5、6、7所示，仿真中設置0.12s電網(wǎng)斷電，孤島發(fā)生。一段時間后，PCC點負載電壓頻率超出了預設閥值，系統(tǒng)檢測到孤島并動作，并網(wǎng)輸出電流為0，PV系統(tǒng)停止工作。此時，由于負載為RLC并聯(lián)負載，因此，當PV系統(tǒng)停止工作時，RLC自身會發(fā)生衰減振蕩，最后逐漸衰減至0。從仿真結(jié)果可以看出，當cf0=0.02·sign（f-fg）時，斷網(wǎng)后頻率偏移方向完全由負載性質(zhì)決定，在斷網(wǎng)瞬間下拉頻率，在AFDPF方法作用下最終導致欠頻保護，如圖7所示，其速度比圖5、6所示快。這充分說明了當孤島現(xiàn)象發(fā)生時，f與負載的性質(zhì)有關。若cf0為負，表明負載為容性負載，孤島效應發(fā)生時f將下降，反之f則將上升。結(jié)合仿真結(jié)果可得，諧振負載略呈容性。

表1 孤島檢測仿真結(jié)果Tab.1 Detected Results of Islanding Detection

綜上所述，采用改進的正反饋頻率偏移檢測方法，即當取cf=0.02·sign（f-fg）+0.1·（f-fg）時，斷網(wǎng)后7個周期就能檢測到孤島的發(fā)生，即系統(tǒng)最多用7±2周期（1s±0.04s）即可檢測到孤島的發(fā)生，遠小于IEEE 1547－2003對孤島發(fā)生后最大跳閘時間(120個周期)的規(guī)定，且并網(wǎng)電流THD=2.32%，也符合IEEE1547-2003對交流輸出諧波的要求(THD≤5.0%)，說明改進后的正反饋頻率漂移法對不同性質(zhì)的負載均有較好的檢測效果，即具有較快檢測速度的同時能保證并網(wǎng)電流諧波較小。

圖5 cf=0.02+0.1·（f-fg）時孤島檢測Fig.5 Islanding detection when the value of cf equals 0.02+0.1·（f-fg）

5 結(jié)語

本文介紹了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中一種改進的正反饋頻率偏移孤島檢測方法，分析了負載性質(zhì)對孤島檢測方法的影響。與傳統(tǒng)AFDPF相比，該方法通過對截斷系數(shù)進行實時修正，克服了負載性質(zhì)對單一方向擾動信號的平衡作用，可以兼顧孤島檢出的快速性和較好的并網(wǎng)電流波形。用Matlab/Simulink對該方法進行了仿真，仿真結(jié)果驗證了改進的孤島檢測方法的有效性。

圖6 cf=-0.02+0.1·（f-fg）時孤島檢測Fig.6 Islanding detection when the value of cf equals-0.02+0.1·（f-fg）

圖7 cf=0.02·sign（f-fg）+0.1·（f-fg）時孤島檢測Fig.7 Islanding detection when the value of cf equals 0.02·sign（f-fg）+0.1·（f-fg）

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Emulation of Improved Positive Feedback Active Frequency Drift with Positive Feedback Islanding Detection Method

LIU Guan-qi，YOU Xiao-ke
（North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei Province，China）

In the light of the control process of the gridconnected inverter in PV system,this paper proposes a kind of islanding detection method which is based on improved active frequency drift with positive feedback.The theory of the method and influences of the load characteristics on it are elaborated.The simulation results on Simulink show that this improved method can detect the islanding operation effectively with faster detecting speed,smaller non-detection.and less harmonics pollution to the grid.

grid-connected photovoltaic;islanding detection;positive feedback;active frequency drift

結(jié)合光伏并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器的并網(wǎng)控制過程,分析了一種改進的正反饋頻率漂移孤島檢測方法，詳細闡述了該方法的原理和負載性質(zhì)對其的影響，通過仿真分析表明所采用的孤島檢測方法的有效性，改進后的方法加快了檢測速度，減少了檢測盲區(qū)和對電力系統(tǒng)的諧波污染。

光伏并網(wǎng)；孤島檢測；正反饋；主動頻移

1674-3814（2011）11-0041-05

TM712

A

2011-07-09。

劉觀起（1956—），男，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)分析、運行與控制；

游曉科（1985—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)分析、運行與控制。

（編輯 馮露）