一種改進的主動移頻式孤島檢測方法

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

一種改進的主動移頻式孤島檢測方法

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

針對傳統(tǒng)主動移頻式孤島檢測（Active Frequency Drift，AFD）方法總諧波失真度高和檢測時間不夠理想的問題，提出了一種改進的AFD孤島檢測方法。通過并網(wǎng)光伏系統(tǒng)向電網(wǎng)注入近似的余弦波，采用坐標平面分析對傳統(tǒng)方法與該方法的總諧波失真與檢測盲區(qū)進行分析描述。最后，通過MATLAB/Simulink進行仿真。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時間。

孤島檢測；總諧波失真；檢測盲區(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)利用成為當前的研究熱點，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，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。實際上，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，當電網(wǎng)在供電時由于故障或者停電維修跳閘時，各用戶端的分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不能及時檢測出停電狀態(tài)就不能及時將自身切離市電網(wǎng)絡(luò)，從而形成了由分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和其相連負載組成的一個自給供電的孤島發(fā)電系統(tǒng)。

孤島會威脅電網(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、準確地檢測出孤島意義重大。孤島檢測方法通常分為兩類：被動式孤島檢測和主動式孤島檢測。被動式檢測方法雖然簡單、有效，并對電網(wǎng)電能沒有影響，但是檢測盲區(qū)（Non-Detection Zone，NDZ）大，且在某些情況下檢測速度較慢，不能滿足國家標準［3］。因此，研究人員提出了主動式反孤島策略方法。

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)注入略微有點變形的電流，以形成一個連續(xù)改變頻率的趨勢，從而實現(xiàn)孤島檢測。為了進一步減少檢測盲區(qū)，提高檢測質(zhì)量，減少總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD），研究人員提出了一些改進方案。參考文獻［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，確實減少了檢測盲區(qū)，但是其檢測時間需要比較長。參考文獻［5］提出一種基于負序電壓分配因子的孤島檢測方法，該方法抗電網(wǎng)擾動能力強，但需要引入負序電源，同時，基于負序電流的孤島檢測方法可能受電網(wǎng)側(cè)非對稱故障的影響。

基于以上分析，本文提出了一種改進的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時間，當與傳統(tǒng)的AFD方法具有相同的THD時，其NDZ會比較小。利用MATLAB/Simulink環(huán)境，對本文所提及的AFD方法進行仿真，從而驗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

以一個給出的正弦波為對照，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。零傳導時間tz在逆變器輸出的參考電流波形中都有出現(xiàn)，因為有了tz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（Point of Common Coupling，PCC）處的角頻率。

但是RLC負載的品質(zhì)因素越大，孤島檢測越容易失敗，所以相對被動檢測方法，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

2.1 相關(guān)分析

為了減小NDZ和THD，而且不影響孤島的檢測特性，參考文獻［7］提出了另一種電流擾動方程，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）為擾動系數(shù)。

圖3 參考文獻［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確實比傳統(tǒng)的AFD方法減少了30％左右的THD。

2.2 改進算法的分析［8］

［7］中的方法雖然減少了THD和NDZ，但是改進程度有限，檢測速度也不理想。由于當沒有THD問題時，純正的余弦波注入到同頻率的正弦波中時可獲得無功功率，而向系統(tǒng)中注入額外的無功功率就是需要用來檢測孤島效應(yīng)的。于是本文提出了一種改進的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THD=4％時，傳統(tǒng)方法Q/P= 4％，而本文方法Q/P=18％，也就是說，當它們具有相同的THD時，本文方法比傳統(tǒng)方法需要更少的檢測時間。

圖6為當本文AFD方法和傳統(tǒng)AFD方法都具有相同 THD=5％時，它們在 Qf×Cnorm坐標平面的 NDZ位置。當這兩種方法具有相同的NDZ寬度時，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際檢測孤島時具有更高的可靠性。因此本文方法不僅能有效地檢測孤島效應(yīng)，更能夠減小對電流波的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 孤島檢測的仿真分析

3.1 仿真參數(shù)

為了驗證本文AFD方法的高效性，設(shè)計了單相全橋逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)在 MATLAB/Simulink上進行仿真。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，頻率保護動作閾值為50±0.5 Hz，負載品質(zhì)因素 Qf為2.5，取負載諧振頻率為50 Hz的最壞情況下來進行仿真實驗，則可用負載值為：R=22Ω，L=28.4e-3 H，C=367e-6 F，設(shè)置在0.3 s時斷網(wǎng)。

圖8顯示的是在Q/P=5％時，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，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時斷網(wǎng)，傳統(tǒng)AFD方法在斷網(wǎng)后 0.3 s內(nèi)檢測不到孤島發(fā)生，而本文的AFD方法在斷網(wǎng)0.06 s時就能檢測到孤島發(fā)生，滿足國家標準［3］的要求。

4 結(jié)論

本文根據(jù)國家標準的要求，分析總結(jié)以前的AFD方法，提出了一種改進的AFD方法，即向初始電流波注入近似余弦波從而減少并網(wǎng)時產(chǎn)生電流波的THD。通過對電流波形進行傅里葉變換，從理論上對傳統(tǒng)的AFD方法和本文AFD方法的NDZ和THD進行了對比分析，進一步根據(jù)實際的2.2 kW單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進行了仿真分析，驗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，又可以減少檢測孤島的時間。

圖10 兩種方法的孤島檢測結(jié)果圖

3.4 D/A轉(zhuǎn)換輸出模塊

本設(shè)計中只需選中TLC5618并向SLCK發(fā)送一個時鐘信號，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)計以單片機作為控制器，對非標準交流伺服電機進行控制，有效利用單片機內(nèi)部資源以及

掌握了相應(yīng)電機運動控制系統(tǒng)的運行特性，在生產(chǎn)調(diào)速電機的配套裝置實際應(yīng)用中，降低了生產(chǎn)成本，提高了系統(tǒng)的性能。

參考文獻

［1］孫廣輝.遠程自修復光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.微型機與應(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)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.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.基于負序電壓分配因子的孤島檢測新原理［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移頻式孤島檢測方法［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，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

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

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

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

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

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

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

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

［8］趙磊，王哈力.基于單片機的交流伺服電機轉(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）

作者簡介：

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

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：目標識別與運動跟蹤。

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.一種改進的主動移頻式孤島檢測方法［J］.微型機與應(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：自動控制系統(tǒng)及先進功率變換。E-mail：357035835@qq.com。

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

周西峰（1960-），男，學士，教授，主要研究方向：計算機監(jiān)測與控制技術(shù)、智能與網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。