改進的正反饋主動頻率偏移孤島檢測法研究

陳祥鵬 李田澤 李 倩 暴 敏 韓 濤

1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 山東 淄博 255049；

2.國網(wǎng)山東萊州市供電公司 山東 萊州 261400；

3.國網(wǎng)山東送變電工程公司 山東 濟南 250000

隨著光伏電源并網(wǎng)的不斷增多，這將提高了電網(wǎng)及并網(wǎng)光伏電源對運行的安全性和可靠性的要求。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)電氣故障和誤操作時，供電系統(tǒng)發(fā)生斷電，并網(wǎng)光伏電源沒有及時檢測出供電系統(tǒng)的停電狀態(tài)，難以與電網(wǎng)中斷，使并網(wǎng)光伏電源和其周圍的負載形成一個自給供電的孤島，這就形成了孤島效應(yīng)［1］。 主動頻率偏移法［2］（active frequency drift，AFD）較多應(yīng)用在孤島效應(yīng)檢測中。這種方法的檢測精度比較高，無須添加任何硬件，盲區(qū)較小，但在不同負載條件下，檢測結(jié)果會出現(xiàn)較大不同，嚴重時可能會出現(xiàn)孤島檢測失效［3］。為解決不同負載檢測失效問題，本文對正反饋主動頻率偏移法進行了修正，提出了一種新型AFD檢測方法。

1 孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)與特性分析

1.1 孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)

目前并網(wǎng)光伏發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展，國內(nèi)外先后出現(xiàn)一些光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，并且規(guī)定并網(wǎng)發(fā)電裝置的孤島檢測功能是必備條件之一。因為光伏并網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范關(guān)系到配電網(wǎng)的運行，各個國家都會規(guī)范不相同的光伏發(fā)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，國際上對孤島效應(yīng)保護方案也沒有提出明確的規(guī)定［4］，而我國在2005年發(fā)布了GB／T19939-2005并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范和要求，給我國的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)提供了一系列滿足我國電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。表1為GB／T19939-2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的異常電壓響應(yīng)時間。

表1 異常電壓的響應(yīng)時間

1.2 孤島效應(yīng)的特性分析

下圖1是按照光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的功率流向?qū)聧u效應(yīng)的特性進行分析。

圖1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)功率圖

圖1中，P、Q分別表示光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的有功和無功功率；Pl、Ql分別表示負載所需的有功和無功功率；ΔP、ΔQ為供電系統(tǒng)中負載之間和光伏并網(wǎng)逆變器的有功和無功功率偏差［6］。

1）電網(wǎng)正常運行

由圖1可知，在電網(wǎng)正常運行時，開關(guān)閉合。并網(wǎng)逆變器輸出的有功P和無功Q的一部分提供并聯(lián)RLC負載的用電，另外一部分輸送到電網(wǎng)，則可以得到式（1）、（2）：

式中us、ωs分別為電網(wǎng)電壓和其角頻率。

2）電網(wǎng)停止運行

由圖1可知，當(dāng)電網(wǎng)停止運行時，因為并網(wǎng)逆變器的輸出功率和負載功率之間存在巨大差異，因此PCC處的電壓和頻率變化很大，故只要檢測PCC處的電壓和頻率就不難檢測到孤島效應(yīng)的發(fā)生。為進一步研究PCC處電壓和頻率的變化，根據(jù)能量守恒定律可推出式（3）、（4）：

根據(jù)上面公式可得到：

由式（5）知，當(dāng)電網(wǎng)工作停止時，光伏并網(wǎng)逆變器的有功和無功功率關(guān)系到PCC處電壓和頻率。

由圖1可知，如果光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的功率與負載需求的功率一致，即 P=Pl、Q=Ql，則 ΔP=0，當(dāng)電網(wǎng)停止工作時，由式（1）、（3）可得 us=U，PCC 處的電壓與電網(wǎng)電壓相等，并且式（5）可解得

綜上所述：當(dāng)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中斷并網(wǎng)工作時，如果系統(tǒng)的輸出頻率和電壓與并網(wǎng)運行時沒有發(fā)生變化，這就會使過壓或欠壓和過頻或欠頻保護出現(xiàn)失敗的現(xiàn)象。所以，一定要采取主動式孤島檢測方法，即本文所用的主動式頻率偏移法（Active Frequency Drift ，AFD）［7］。

2 AFD孤島檢測方法分析

2.1 AFD的檢測原理

當(dāng)正常工作時，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出單位功率因數(shù)；當(dāng)出現(xiàn)孤島時，對孤島檢測點處施加一定的頻率擾動，如圖2所示，孤島效應(yīng)的檢測過程是［8］：電流半波的初始時刻不變，對光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電流頻率施加擾動，使其比上一周期公共點電壓的頻率略高（或略低），如果電流半波已到達零點而電壓未到零點，則規(guī)定電流為零，并且一直到電壓過零點，電流方能進行下個半波。

圖2 PCC處輸出電流給定信號與電壓關(guān)系圖

圖2中t0表示在過零點時刻光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電流的給定信號超前（或滯后）電網(wǎng)公共點過零點電壓的時間間隔，并規(guī)定截斷系數(shù)為：

用截斷系數(shù)表示孤島檢測中進行頻率擾動的強度。

AFD 法工作原理［9］如圖 3所示。

圖3 AFD孤島檢測方法控制原理

該系統(tǒng)控制光伏逆變器的輸出，使電網(wǎng)的電壓頻率與其輸出頻率finv出現(xiàn)誤差Δf，該誤差在并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)。在電網(wǎng)按規(guī)定進行工作時，因為鎖相環(huán)電路帶有矯正的作用，Δf波動范圍較小，這時光伏逆變器工作正常。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，針對光伏逆變器而言，在下個工頻周期之內(nèi)，系統(tǒng)將以finv為基準(zhǔn)，然后加上設(shè)定的誤差頻率Δf去控制finv，從而導(dǎo)致Δf進一步增加。該過程不斷重復(fù)，直至finv超出規(guī)定的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，從而進行孤島保護動作［10］。

2.2 改進型AFD孤島檢測

為提高孤島檢測速度，人們在AFD檢測法基礎(chǔ)上得出正反饋主動頻率偏移法（Active frequency drift with positive feedback，AFDPF），該法顯然提升了孤島檢測的速度，但是當(dāng)對其施加正向擾動時，存在容性負載檢測失效的問題。

由于正反饋主動頻率偏移法中存在容性負載檢測失敗的現(xiàn)象，文章針對AFDPF提出了修正，提出雙向正反饋主動頻率偏移檢測法。即對光伏逆變器電流的頻率施加正反雙向的擾動，使負載性質(zhì)對單向擾動的平衡作用得以消除，如圖4所示。

圖4 雙向AFDPF的控制原理框圖

在該方法中cf滿足下式：

在光伏逆變器輸出的電流頻率上施加擾動信號cf1和 cf2，施加擾動cf1和cf2前后電流頻率的差值分別為 Δf1、Δf2。 然后對 Δf1、Δf2絕對值的大小進行比較。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)孤島運行時，對Δf1、Δf2絕對值的大小進行判斷比較，選取其中絕對值較大者作為擾動的基準(zhǔn)信號，從而正反饋積累擾動基準(zhǔn)信號，然后會在短時間內(nèi)超越標(biāo)準(zhǔn)頻率的允許范圍，斷開光伏并網(wǎng)開關(guān)，孤島效應(yīng)檢測成功。

通過正反雙向?qū)夥孀兤鞯碾娏魇┘訑_動，容性負載檢測困難的問題得到合理地解決。在實際的電網(wǎng)中，各種故障和停電狀況時常出現(xiàn)，電力負載的性質(zhì)也是不確定的，改進孤島檢測法可以改善檢測的效果，增加檢測的成功率，減小檢測失效的概率。

3 仿真分析

為驗證改進型AFDPF的孤島檢測效果，本文通過MATLAB/Simulink仿真軟件對孤島檢測系統(tǒng)進行仿真，并在此平臺搭建模型對改進的AFDPF檢測法進行仿真驗證。 圖 5 中的（a）、（b）、（c）為在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建的仿真模型。

圖（c）中的AFD模塊為孤島檢測算法的S函數(shù)模塊，其輸入為PCC點電壓的相位和頻率，經(jīng)過AFD檢測算法得到輸出，輸出信號經(jīng)PID控制輸入PWM Generator模塊，產(chǎn)生四路脈沖控制信號，控制逆變器開關(guān)管與控制逆變器的輸出電壓和電流。

圖5 AFD的MATLAB/Simulink仿真模型

初始截斷系數(shù)cf0應(yīng)該盡量小，同時k的增大能夠有效減小檢測盲區(qū)并加快檢測速度，所以為了與傳統(tǒng)的AFDPF檢測法進行對比，在改進的AFDPF檢測法中，分別在感性負載和容性負載條件下對該檢測方法進行仿真驗證，其仿真結(jié)果如下：

1）感性負載條件下，盲區(qū)外，檢測成功，如圖6（a）、（b）。

圖6 改進的AFDPF檢測法的感性負載仿真結(jié)果

2）容性負載條件下，盲區(qū)外，檢測成功，如圖7（a）、（b）。

圖7 改進的AFDPF檢測法的容性負載仿真結(jié)果

3）改進的檢測法和傳統(tǒng)的檢測法的諧波失真度，如圖 8（a）、（b）。

圖8 改進AFDPF與傳統(tǒng)AFDPF的THD對比圖

4 結(jié)束語

本文提出的改進的AFDPF檢測法具備了傳統(tǒng)檢測法檢測效率高的優(yōu)點，通過正反雙向的擾動來解決單向擾動的不足，施加雙向正反饋主動頻率偏移檢測后，改進AFDPF算法可以在感性負載和容性負載條件下都能迅速檢測出孤島，有效解決了擾動和負載特性之間的沖突，克服了檢測失敗的缺陷，改善了孤島檢測效果，減小了檢測盲區(qū)，兼顧檢測速度的同時減小了電流諧波的失真度，降低了擾動對電能質(zhì)量的影響。

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