一種新型低畸變主動孤島檢測算法的研究

喬家振 楊淑連 李田澤 南雪

摘 要： 孤島檢測是并網(wǎng)光伏逆變器保護電氣設備和相關維修人員安全所必備的功能，要求其檢測算法不僅具有較快的檢測速度，而且還要盡量減少對電能質量的不良影響。傳統(tǒng)的主動頻移式孤島檢測算法行之有效，但是由于電流擾動量的存在，對其輸出的電能質量影響較大。針對上述問題，通過對其擾動原理進行研究，提出一種新型主動頻移式孤島檢測方案，該方案通過移相的方式實現(xiàn)頻移。仿真結果表明，頻移式新算法檢測盲區(qū)小，與傳統(tǒng)頻移法相比總諧波畸變率降低了24.8%，檢測速度提前了0.1 s。該算法在有效減少諧波畸變率的同時提高了檢測速度，顯著提高了注入電網(wǎng)的電能質量。

關鍵詞： 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)； 主動移頻； 孤島檢測； 擾動方式； 諧波； 分布式發(fā)電

中圖分類號： TN98?34； TM615 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）17?0132?04

Abstract： The islanding detection is a necessary function for photovoltaic grid?connected inverter to protect the electrical equipment and related maintenance personnel security， and its detection algorithm should have fast detection speed and active power quality effect. The traditional active frequency drift algorithm for islanding detection is effective， but its current disturbance quantity has a great influence on the output power quality. Aiming at the above problems， a new type of active frequency drift scheme for islanding detection is proposed by studying its disturbance principle， which can realize the frequency drift by means of phase drift. The simulation results show that the new frequency drift detection algorithm has small non?detection zone， its total harmonic distortion rate is reduced by 24.8% and the detection speed is 0.1 s improved than that of the traditional frequency drift method. The algorithm improves the detection speed while effectively reducing the harmonic distortion rate， and significantly improves the power quality of power grid.

Keywords： photovoltaic grid?connected system； active frequency drift； islanding detection； disturbance mode； harmonic； distributed generation

0 引 言

近年來，可再生能源以其清潔環(huán)保、可再生等特點得到了迅速發(fā)展，越來越多的分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）系統(tǒng)接入到電網(wǎng)中，使得孤島效應問題日益突出，引起了人們越來越多的關注。孤島效應[1]是指在電網(wǎng)突然停止供電后，光伏發(fā)電裝置未能及時檢測出電網(wǎng)的失電狀態(tài)，并繼續(xù)向失壓的電網(wǎng)供電，并與其周圍的負載形成一個自給供電的孤島系統(tǒng)。孤島效應的發(fā)生有諸多危害，因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時必須采取有效措施來防止孤島效應的發(fā)生。

反孤島策略通常分為被動式方案和主動式方案兩類[2?4]。被動式方案通過測量系統(tǒng)中頻率或電壓的異常來識別孤島現(xiàn)象，該方法簡單、有效，并且對電網(wǎng)電能質量沒有污染，但存在較大的不可檢測區(qū)域（Non?detection Zone，NDZ）。而主動式方案通過向逆變器的輸出注入擾動來判斷孤島的發(fā)生，雖然有效減小了檢測盲區(qū)，但或多或少對電能質量造成不良影響。在主動式孤島檢測方案中，主動頻移（Active Frequency Drift，AFD）[5?9]是一種較好的孤島檢測方法，無需在系統(tǒng)中添加任何硬件，且對孤島檢出率高。但是該算法中電流給定非正弦引入的電流畸變，增加了總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion，THD），從而對電能質量產生了更大的不利影響。

本文在前人研究的基礎上提出一種新的主動頻移式孤島檢測方案，其電流給定為正弦波，僅在電流波形的第二和第四個[14]處進行擾動，通過移相的方式來移頻。與傳統(tǒng)AFD檢測方案相比，不僅電流畸變率低，而且檢測速度快，并通過Matlab仿真進行驗證。

1 傳統(tǒng)AFD算法原理

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)等效模型如圖1所示。系統(tǒng)正常工作時，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)受電網(wǎng)的鉗制，二者同時向負載供電。而當電網(wǎng)斷開連接時，負載由光伏系統(tǒng)單獨供電。在電網(wǎng)斷開連接時，若逆變器的輸出功率與負載功率不匹配，逆變器輸出頻率就會發(fā)生較大的偏移，當偏移量超出所設定的閾值時，系統(tǒng)將自動檢測出孤島的發(fā)生[10]。

傳統(tǒng)的主動頻移（AFD）反孤島策略原理[11]為：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。當孤島發(fā)生時，公共連接點電壓的過零點比期望的提前到達，因此其電壓和逆變器輸出電流之間的相位差將會增加，這樣光伏并網(wǎng)逆變器能繼續(xù)檢測到二者的頻率誤差并再次增加公共連接點的電壓頻率，當頻率偏移量足夠大時，就會觸發(fā)孤島保護。

傳統(tǒng)主動頻移（AFD）法的電流波形如圖2所示，[Iref]為參考電流波形，[Irej]為注入的諧波波形，[IAFD]為AFD法時逆變器的輸出電流波形，[tz]定義了擾動的深度，[T]為參考電流的周期，τ為傳統(tǒng)主動頻移法電流的周期。

對于并網(wǎng)逆變器來說，AFD方案原理簡單，容易實現(xiàn)。特別是在負載為純阻性的情況下能有效阻止光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的孤島運行，檢測盲區(qū)（NDZ）比被動式反孤島策略更小。但是其電流給定為非正弦，增加了總諧波畸變率（THD），給并網(wǎng)電能質量帶來了較大的不良影響。

2 新型頻移式算法原理

通過對傳統(tǒng)主動頻移（AFD）法的擾動原理進行分析，本文提出一種新型擾動方式的孤島檢測方案。其電流波形如圖3所示，通過在電流的第二和第四個[14]處施加擾動，有效的移動了正弦波電流波形的相位角，通過移相的方式來實現(xiàn)頻移。該方法不僅使電流的頻率發(fā)生偏移，而且與傳統(tǒng)AFD法相比，輸出的電流波形是正弦波，沒有發(fā)生畸變，有效的減少了電流給定非正弦所產生的THD。

因此，由式（4），式（8）和式（10）可知，當以上兩種孤島檢測方案的功率比均為5%時，頻移式新算法的THD是3.2%，傳統(tǒng)主動頻移（AFD）法的THD是5%?？梢姡c傳統(tǒng)孤島檢測法相比，頻移式新算法的諧波畸變率減少了36%。同時由文獻[6]可知，增加注入負載的無功功率將會減小孤島檢測的非檢測區(qū)域，當以上兩種方法的THD均為3.2%時，所提算法注入負載的無功比傳統(tǒng)AFD法多，從而具有更小的檢測盲區(qū)，能更好地實現(xiàn)孤島檢測。

3 仿真驗證

3.1 仿真參數(shù)設置

針對以上分析，本文利用400 V單項、小容量光伏發(fā)電系統(tǒng)對所提算法的孤島檢測性能用Matlab/ Simulink進行仿真驗證。仿真中采用恒電流控制的逆變器，電網(wǎng)電壓為220 V，電網(wǎng)頻率為50 Hz。由文獻[14]可知，仿真時選取負載為RLC并聯(lián)負載，并且負載消耗的功率與并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的輸出功率相匹配。取品質因數(shù)為2.5，諧振頻率為50 Hz的最壞的情況進行仿真實驗。則可用負載值為：[R=]6 Ω，[L=]7.45 mH，[C=]1 300 μF。仿真時間設置為0.4 s，公共電網(wǎng)在0.06 s斷開。

3.2 仿真結果

傳統(tǒng)AFD法和新型頻移式算法的仿真電流波形分別如圖4，圖5所示。

諧波分析和孤島檢測結果如圖6～圖9所示。為了便于對比，仿真時兩種算法選取相同的擾動量。當[tz=]0.1 ms（[α=]0.03）時，傳統(tǒng)AFD法和新型孤島檢測法的輸出電流波形諧波分析分別如圖6，圖7所示。由圖可知，傳統(tǒng)AFD法的總諧波畸變率（THD）為3.23%，新型頻移式算法的諧波畸變率（THD）為2.43%；與傳統(tǒng)AFD算法相比，新算法下的諧波畸變率降低了24.8%，有效地減少了注入電網(wǎng)的諧波，提高了電能質量。

傳統(tǒng)AFD法和新型孤島檢測方法的孤島檢測結果如圖8，圖9所示。由圖可知，在擾動量相同的條件下，傳統(tǒng)AFD法在電網(wǎng)斷開后0.26 s檢測到孤島，而新算法在電網(wǎng)斷網(wǎng)后0.16 s檢測到孤島的發(fā)生；斷網(wǎng)后頻率被更快地推至正常范圍以外，比傳統(tǒng)AFD法的檢測時間提前了0.1 s。

4 結 語

本文對傳統(tǒng)主動頻移AFD算法的擾動原理進行詳細分析，立足減少算法產生的諧波對電網(wǎng)電能質量的不良影響，提出一種與傳統(tǒng)AFD法擾動方式不同的孤島檢測新算法。經過仿真驗證，該算法原理簡單，滿足孤島檢測標準的要求，與傳統(tǒng)AFD法相比總諧波畸變率（THD）降低了24.8%，檢測速度提高了0.1 s。所提算法在有效減少諧波的同時提高了檢測速度，同時具有更小的檢測盲區(qū)，因此該算法對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)有孤島檢測算法的進一步完善具有重要意義。

注：本文通訊作者為楊淑連。

參考文獻

[1] ROPP M E， BEGOVIC M， ROHATGI A. Analysis and performance assessment of the active frequency drift method of islanding prevention [J]. IEEE transactions on energy conversion， 1999， 14（3）： 810?816.

[2] 程啟明，王映斐，程尹曼，等.分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中孤島檢測方法的綜述研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39（6）：147?154.

CHENG Qiming， WANG Yingfei， CHENG Yinman， et al. Overview study on islanding detecting methods for distributed generation grid?connected system [J]. Power system protection and control， 2011， 39（6）： 147?154.

[3] 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.

JIANG Cui， QI Xinmei， ZHENG Shousen. Active frequency drift islanding detection with positive feedback of voltage frequency [J]. Power system protection and control， 2014， 42（8）： 95?100.

[4] ROPP M E， BEGOVIC M， ROHATGI A. Prevention of islan?ding in grid?connected photovoltaic systems [J]. IEEE transactions on energy conversion， 1999， 14（3）： 39?59.

[5] GE Y， SUN J， WANG G， et al. Improved active frequency drift anti?islanding detection method [C]// 2015 International Conference on Materials Engineering and Information Technology Applications. [S.l.]： ACM， 2015： 1?6.

[6] YAFAOUI A， WU B， KOURO S. Improved active frequency drift anti?islanding detection method for grid connected photovoltaic systems [J]. IEEE transactions on power electronics， 2012， 27（5）： 2367?2375.

[7] 黎璋霞，羅曉曙，廖志賢，等.改進的正反饋主動頻移式孤島檢測方法[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2015，27（4）：13?17.

LI Zhangxia， LUO Xiaoshu， LIAO Zhixian， et al. Improved active frequency drift with positive feedback islanding detection method [J]. Proceedings of the CUS?EPSA， 2015， 27（4）： 13?17.

[8] ROPP M E， BEGOVIC M， ROHATGI A， et al. Determining the relative effectiveness of islanding detection methods using phase criteria and nondetection zones [J]. IEEE transactions on energy conversion， 2000， 15（3）： 290?296.

[9] 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.

DENG Yanni， GUI Weihua. An improved active frequency?drift method for islanding detection with low harmonics distortion [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2009， 24（4）： 219?223.

[10] 張瑞葉.分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測技術[D].石家莊：河北師范大學，2014.

ZHANG Ruiye. Islanding detection techniques on grid?connected distributed photovoltaic power generation system [D]. Shijiazhuang： Hebei Normal University， 2014.

[11] YAFAOUI A， WU B， KOURO S. Improved active frequency drift anti?islanding method with lower total harmonic distortion [C]// 2010 IEEE Conference on Industrial Electronics Society. Glendale： IEEE， 2010： 3216?3221.

[12] 劉芙蓉，康勇，王輝，等.主動移相式孤島檢測的一種改進的算法[J].電工技術學報，2010，25（3）：172?176.

LIU Furong， KANG Yong， WANG Hui， et al. An improved active phase?shift method for islanding detection [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2010， 25（3）： 172?176.

[13] JUNG Y， CHOI J， YU B， et al. A novel active frequency drift method of islanding prevention for the grid?connected photovoltaic inverter [C]// 2005 IEEE Power Electronics Specialists Conference. Recife： IEEE， 2005： 1915?1921.

[14] IEEE Society. 929?2000： IEEE recommended practice for utility interface of photovoltaic （PV） systems [S]. US： IEEE Society， 2000.