改進(jìn)型正反饋主動(dòng)頻移孤島檢測(cè)方法的仿真研究

楊新華，孫艷軍，汪龍偉，委曉翠

(1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省工業(yè)過(guò)程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，孤島檢測(cè)技術(shù)至關(guān)要。目前，孤島檢測(cè)的主要方法包括基于通信的方法和局部檢測(cè)方法。正反饋主動(dòng)頻率偏移法(Active frequency drift with positive feedback，簡(jiǎn)稱(chēng)PFAFD)是主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法中經(jīng)常使用的一種有效的檢測(cè)方法，但由于負(fù)載的多變性，往往由于添加擾動(dòng)方向的不確定性，在一定程度上抵消了公共點(diǎn)頻率的變化，使檢測(cè)進(jìn)入盲區(qū)，導(dǎo)致檢測(cè)失敗。

本文在研究正反饋主動(dòng)頻率偏移法工作原理的基礎(chǔ)上，提出了一種確定擾動(dòng)方向的檢測(cè)方法，改進(jìn)和提高正反饋主動(dòng)頻率偏移法在減小檢測(cè)盲區(qū)、提高檢測(cè)時(shí)效性等方面的檢測(cè)效果。

1 傳統(tǒng)正反饋主動(dòng)頻率偏移的原理

正反饋主動(dòng)頻率偏移(Active Frequency Drift with Positive Feedback，簡(jiǎn)稱(chēng)AFDPF)，是對(duì)AFD方法的改進(jìn)，對(duì)公共耦合點(diǎn)的頻率運(yùn)用了正反饋，使孤島發(fā)生時(shí)此處的頻率誤差相對(duì)增加，加速頻率的偏移，以便更快地檢測(cè)到孤島現(xiàn)象的發(fā)生［1］。其中斬波因子定義為:

(1)式中tZ是正反饋主動(dòng)頻率偏移法信號(hào)的零值時(shí)間，Tug是電網(wǎng)電壓的周期，顯然cf為逆變器輸出端電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率偏差的函數(shù)，令:

其中cfi為第i周期的斬波因子，cfi-1為第i-1周期的斬波因子，k為加速因子，Δω為公共點(diǎn)電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率的偏差。cf0為固定初始擾動(dòng)，對(duì)盲區(qū)的大小改變作用不大，將其引入的目的是為了增加頻率的擾動(dòng)量，便于在電網(wǎng)斷電時(shí)能有效觸發(fā)頻率正反饋動(dòng)作［2］。

這種檢測(cè)方法應(yīng)用于感性負(fù)載的時(shí)候，因?yàn)楦行载?fù)載在斷網(wǎng)后有使節(jié)點(diǎn)電壓的頻率上升的趨勢(shì)，使得更快的超出頻率保護(hù)閥值，達(dá)到孤島檢測(cè)的效果。但是當(dāng)這種檢測(cè)方法應(yīng)用于容性負(fù)載的時(shí)候，因?yàn)槿菪载?fù)載在斷網(wǎng)后公共耦合點(diǎn)電壓的頻率有下降的趨勢(shì)，如果公共耦合點(diǎn)頻率的該變量與逆變器輸出電流中添加的擾動(dòng)信號(hào)頻率相互抵消，則可能孤島檢測(cè)失敗，即RLC負(fù)載的諧振頻率仍然在過(guò)/欠頻的閥值范圍內(nèi)，則此時(shí)電網(wǎng)發(fā)生故障斷網(wǎng)后形成孤島就不能得到檢測(cè)，進(jìn)入孤島檢測(cè)盲區(qū)。因此，有必要對(duì)檢測(cè)算法進(jìn)行改進(jìn)。

2 正反饋頻率偏移法的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)

2.1 算法改進(jìn)

為了解決傳統(tǒng)算法中對(duì)容性負(fù)載的有效檢測(cè)，使得容性負(fù)載具有與感性負(fù)載同樣的快速檢測(cè)性，從實(shí)現(xiàn)正反饋的目的出發(fā)，定義每一電流周期的斬波率cf為頻率偏差的函數(shù):

與(2)式相比較，(3)式可通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算有選擇性的進(jìn)行擾動(dòng)，避免當(dāng)負(fù)載為容性、感性、阻性時(shí)，由于添加的擾動(dòng)方向與頻率改變方向相反而造成對(duì)頻率增量的削弱，影響對(duì)孤島的準(zhǔn)確判斷。(3)式中abs(f-fg)為取絕對(duì)值運(yùn)算，當(dāng)公共耦合點(diǎn)頻率不小于電網(wǎng)額定頻率的時(shí)候取正，即當(dāng)負(fù)載為感性負(fù)載的情況下，對(duì)電流施加正方向的擾動(dòng)信號(hào);當(dāng)公共耦合點(diǎn)頻率小于電網(wǎng)額定頻率的時(shí)候取負(fù)，即當(dāng)負(fù)載為容性負(fù)載的情況下，對(duì)電流施加負(fù)方向的擾動(dòng)信號(hào)。cf0為斬波率初始值，f為公共耦合點(diǎn)電壓頻率，fg為電網(wǎng)電壓的額定頻率，ksin(f-fg)為公共耦合點(diǎn)電壓頻率增量的函數(shù)。由于f-fg是一個(gè)比較小的數(shù)，在接近0的情況下f-fg可以用sin(f-fg)近似代替，而當(dāng)公用點(diǎn)電壓頻率發(fā)生較大偏移的情況下，sin(f-fg)的值小于f-fg，這樣一定范圍內(nèi)減少了對(duì)電網(wǎng)注入的諧波，起到提高電能質(zhì)量的作用。

2.2 算法的參數(shù)設(shè)置

在研究和測(cè)試孤島性能時(shí)通常用并聯(lián)RLC來(lái)模擬本地負(fù)載。當(dāng)并聯(lián)RLC負(fù)載的諧振頻率與電網(wǎng)的頻率相當(dāng)時(shí)，電網(wǎng)斷電后系統(tǒng)的頻率變化非常小，較難判斷出孤島的發(fā)生。因此，要求在最?lèi)毫拥那闆r下該方法能準(zhǔn)確檢測(cè)出孤島，則必須滿(mǎn)足逆變器的電流相角比并聯(lián)RLC負(fù)載的相角增加得更快［3］。一般情況下負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)Qf小于2.5［4］，對(duì)于負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Qf給定的情況下，斬波因子cf的取值不會(huì)影響盲區(qū)的大?。?］，但cf的初始值cf0越大，盲區(qū)越往上移。因此選用增大系數(shù)k的值來(lái)減小盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)給定Qf的情況下無(wú)盲區(qū)的檢測(cè)，一般取k=0.1。

3 孤島檢測(cè)的建模及仿真

根據(jù)上述理論研究，采用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建8 kW的單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。仿真模型包括主電路圖、并網(wǎng)控制部分和孤島檢測(cè)部分，如圖1所示。孤島檢測(cè)中通過(guò)S-function函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)AFDPF模塊的實(shí)現(xiàn)，并網(wǎng)電流和電壓同頻同相。

圖1 8KW單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模型

取仿真參數(shù)為:直流電壓400 V，取電網(wǎng)電壓峰值311 V，頻率為50 Hz，逆變器輸出電流值為36.6 A，頻率保護(hù)的動(dòng)作閾值設(shè)置為50 ±0.5 Hz，cf0=0.02，k=0.1，并網(wǎng)電流 THD=1.25%，符合關(guān)于并網(wǎng)的要求(THD≤5.0%)。逆變器輸出功率為8 kW，濾波電感為 L=5 mH;R=0.01 Ω，負(fù)載的品質(zhì)因素為2.5，RLC 參數(shù)為R=6.01 Ω;L=7.65e-3H;C=1324e-6F，諧振頻率為 50 Hz，斷路器在0.1s斷開(kāi)。

為了便于觀察，圖中將電壓峰值縮小為實(shí)際值的1/4倍，根據(jù)負(fù)載性質(zhì)的不同進(jìn)行仿真，具體仿真結(jié)果見(jiàn)下圖。圖2為負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)的仿真結(jié)果圖，(a)圖為傳統(tǒng)的正反饋頻率偏移法，(b)圖為改進(jìn)的正反饋頻率偏移法，從圖(a)中我們可以看到，在t=0.1 s大電網(wǎng)斷開(kāi)后，經(jīng)過(guò)3個(gè)電網(wǎng)周期，即t=0.18 s后頻率的偏移量超過(guò)了預(yù)先設(shè)置的頻率動(dòng)作閾值，進(jìn)行過(guò)頻保護(hù)，同時(shí)關(guān)閉逆變器的輸出。而圖(b)為改進(jìn)的正反饋頻率偏移法，由于負(fù)載為感性負(fù)載，當(dāng)電網(wǎng)斷電后公共點(diǎn)頻率向增大的方向改變，而在傳統(tǒng)的算法中，cf0取值為正值，與改進(jìn)后的添加的擾動(dòng)信號(hào)是一樣的，因此他們經(jīng)過(guò)相同的時(shí)間后進(jìn)行過(guò)頻保護(hù)，達(dá)到了孤島檢測(cè)的目的。

圖3為負(fù)載為容性負(fù)載時(shí)的仿真結(jié)果圖，(a)圖為傳統(tǒng)的正反饋頻率偏移法，(b)圖為改進(jìn)的正反饋頻率偏移法，從圖(a)中我們可以看到，在t=0.1 s大電網(wǎng)斷開(kāi)后，由于負(fù)載為容性負(fù)載，電網(wǎng)斷電后公共耦合點(diǎn)頻率向減小的方向改變，在傳統(tǒng)的算法中，cf0取值為正值，一定程度上淹沒(méi)了電壓頻率的變化，經(jīng)過(guò)8個(gè)電網(wǎng)周期，即t=0.26 s后頻率的偏移量超過(guò)了預(yù)先設(shè)置的頻

率動(dòng)作閾值，進(jìn)行過(guò)頻保護(hù)，同時(shí)關(guān)閉逆變器的輸出。而圖(b)為改進(jìn)的正反饋頻率偏移法的仿真結(jié)果圖，由于改進(jìn)的算法中通過(guò)有選擇的按照公共耦合點(diǎn)頻率偏移的方向添加擾動(dòng)信號(hào)，避免了對(duì)頻率改變的淹沒(méi)，經(jīng)過(guò)4個(gè)電網(wǎng)周期，即t=0.18 s后發(fā)生欠頻保護(hù)，關(guān)閉逆變器。與傳統(tǒng)算法想比較，在相同的條件下改進(jìn)的檢測(cè)方法在檢測(cè)時(shí)間上優(yōu)于傳統(tǒng)檢測(cè)方法0.08 s。由仿真結(jié)果可知，改進(jìn)的算法避免了由于負(fù)載為容性情況下造成的檢測(cè)遲緩，更加準(zhǔn)確、及時(shí)得達(dá)到了孤島檢測(cè)的目的。

圖2 負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)的仿真圖

圖3 負(fù)載為容性負(fù)載時(shí)的仿真圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種改進(jìn)型正反饋的頻率偏移法的孤島檢測(cè)方法，分析了由于負(fù)載性質(zhì)的不同而對(duì)孤島檢測(cè)的影響。與傳統(tǒng)AFDPF算法相比較，改進(jìn)算法在添加擾動(dòng)的時(shí)候進(jìn)行有選擇的進(jìn)行添加，避免了傳統(tǒng)算法由于對(duì)擾動(dòng)信號(hào)方向的固定性而對(duì)孤島擾動(dòng)信號(hào)的抑制作用，即對(duì)添加擾動(dòng)信號(hào)的方向進(jìn)行實(shí)時(shí)的修正，克服了擾動(dòng)信號(hào)與頻率變化相互抵消而造成對(duì)孤島檢測(cè)的延緩［6-8］。同時(shí)兼顧擾動(dòng)信號(hào)對(duì)電能質(zhì)量的影響，實(shí)現(xiàn)快速、高效、低諧波的孤島檢測(cè)。通過(guò)MATLAB/Simulink軟件仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該算法的有效性。

［1］吳威，韓愚拙，陳昆.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測(cè)技術(shù)綜述［J］.電工電氣，2012，32(4):1-6.

［2］劉方銳，康勇，張宇，等.帶正反饋的主動(dòng)移頻孤島檢測(cè)法的參數(shù)優(yōu)化［J］.電工電能新技術(shù)，2008，27(3):22-25.

［3］LOPES L A C，HUILI SUN，Performance assessment of active frequency drifting islanding detection methods.energy conversion［J］.IEEE Transaction on，2006，21(1):171-180.

［4］IEEE Std.929-2000，IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic(PV)Systems［S］，Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc，NewYork，USA，2000.

［5］劉芙蓉，康勇，段善旭，等.主動(dòng)移頻式孤島檢測(cè)方法的參數(shù)優(yōu)化［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(1):95-99.

［6］李秉鍵，吳華波.基于頻差正反饋的孤島效應(yīng)檢測(cè)方法［J］.電力電子技術(shù)，2011，45(5):1-3.

［7］肖龍，楊國(guó)華，鮑麗芳，等.基于改進(jìn)滑模頻率偏移法的光伏孤島檢測(cè)研究［J］.電測(cè)與儀表，2012，49(6):52-56.

［8］應(yīng)展烽，陳運(yùn)運(yùn)，田亞生，等.基于抗干擾六點(diǎn)測(cè)頻法的主動(dòng)頻移孤島檢測(cè)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，41(4):72-76.