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)過程先進(jìn)控制重點實驗室，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

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

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

1 傳統(tǒng)正反饋主動頻率偏移的原理

正反饋主動頻率偏移(Active Frequency Drift with Positive Feedback，簡稱AFDPF)，是對AFD方法的改進(jìn)，對公共耦合點的頻率運用了正反饋，使孤島發(fā)生時此處的頻率誤差相對增加，加速頻率的偏移，以便更快地檢測到孤島現(xiàn)象的發(fā)生［1］。其中斬波因子定義為:

(1)式中tZ是正反饋主動頻率偏移法信號的零值時間，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為公共點電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率的偏差。cf0為固定初始擾動，對盲區(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量，便于在電網(wǎng)斷電時能有效觸發(fā)頻率正反饋動作［2］。

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

2 正反饋頻率偏移法的改進(jìn)與實現(xiàn)

2.1 算法改進(jìn)

為了解決傳統(tǒng)算法中對容性負(fù)載的有效檢測，使得容性負(fù)載具有與感性負(fù)載同樣的快速檢測性，從實現(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)式可通過簡單的數(shù)學(xué)運算有選擇性的進(jìn)行擾動，避免當(dāng)負(fù)載為容性、感性、阻性時，由于添加的擾動方向與頻率改變方向相反而造成對頻率增量的削弱，影響對孤島的準(zhǔn)確判斷。(3)式中abs(f-fg)為取絕對值運算，當(dāng)公共耦合點頻率不小于電網(wǎng)額定頻率的時候取正，即當(dāng)負(fù)載為感性負(fù)載的情況下，對電流施加正方向的擾動信號;當(dāng)公共耦合點頻率小于電網(wǎng)額定頻率的時候取負(fù)，即當(dāng)負(fù)載為容性負(fù)載的情況下，對電流施加負(fù)方向的擾動信號。cf0為斬波率初始值，f為公共耦合點電壓頻率，fg為電網(wǎng)電壓的額定頻率，ksin(f-fg)為公共耦合點電壓頻率增量的函數(shù)。由于f-fg是一個比較小的數(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

在研究和測試孤島性能時通常用并聯(lián)RLC來模擬本地負(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，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，要求在最惡劣的情況下該方法能準(zhǔn)確檢測出孤島，則必須滿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的取值不會影響盲區(qū)的大小［5］，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的值來減小盲區(qū)，實現(xiàn)給定Qf的情況下無盲區(qū)的檢測，一般取k=0.1。

3 孤島檢測的建模及仿真

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部分，如圖1所示。孤島檢測中通過S-function函數(shù)來實現(xiàn)對AFDPF模塊的實現(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。

為了便于觀察，圖中將電壓峰值縮小為實際值的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)果見下圖。圖2為負(fù)載為感性負(fù)載時的仿真結(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)斷開后，經(jīng)過3個電網(wǎng)周期，即t=0.18 s后頻率的偏移量超過了預(yù)先設(shè)置的頻率動作閾值，進(jìn)行過頻保護(hù)，同時關(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)后的添加的擾動信號是一樣的，因此他們經(jīng)過相同的時間后進(jìn)行過頻保護(hù)，達(dá)到了孤島檢測的目的。

圖3為負(fù)載為容性負(fù)載時的仿真結(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)斷開后，由于負(fù)載為容性負(fù)載，電網(wǎng)斷電后公共耦合點頻率向減小的方向改變，在傳統(tǒng)的算法中，cf0取值為正值，一定程度上淹沒了電壓頻率的變化，經(jīng)過8個電網(wǎng)周期，即t=0.26 s后頻率的偏移量超過了預(yù)先設(shè)置的頻

率動作閾值，進(jìn)行過頻保護(hù)，同時關(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)的算法中通過有選擇的按照公共耦合點頻率偏移的方向添加擾動信號，避免了對頻率改變的淹沒，經(jīng)過4個電網(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)的檢測方法在檢測時間上優(yōu)于傳統(tǒng)檢測方法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遲緩，更加準(zhǔn)確、及時得達(dá)到了孤島檢測的目的。

圖2 負(fù)載為感性負(fù)載時的仿真圖

圖3 負(fù)載為容性負(fù)載時的仿真圖

4 結(jié)束語

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方法，分析了由于負(fù)載性質(zhì)的不同而對孤島檢測的影響。與傳統(tǒng)AFDPF算法相比較，改進(jìn)算法在添加擾動的時候進(jìn)行有選擇的進(jìn)行添加，避免了傳統(tǒng)算法由于對擾動信號方向的固定性而對孤島擾動信號的抑制作用，即對添加擾動信號的方向進(jìn)行實時的修正，克服了擾動信號與頻率變化相互抵消而造成對孤島檢測的延緩［6-8］。同時兼顧擾動信號對電能質(zhì)量的影響，實現(xiàn)快速、高效、低諧波的孤島檢測。通過MATLAB/Simulink軟件仿真，仿真結(jié)果驗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)孤島檢測技術(shù)綜述［J］.電工電氣，2012，32(4):1-6.

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［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.主動移頻式孤島檢測方法的參數(shù)優(yōu)化［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，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)檢測方法［J］.電力電子技術(shù)，2011，45(5):1-3.

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