基于改進(jìn)正反饋主動(dòng)移頻法的孤島檢測(cè)研究

萬(wàn)榮慶　葉銀忠　馬向華

摘 要： 孤島檢測(cè)是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的必備功能，對(duì)孤島效應(yīng)的檢測(cè)必須快速而準(zhǔn)確，同時(shí)孤島檢測(cè)方法應(yīng)盡量減小對(duì)并網(wǎng)電流質(zhì)量的影響?；谡答佒鲃?dòng)頻率偏移法是目前應(yīng)用最廣泛的一種檢測(cè)孤島的算法。為了解決該算法中的檢測(cè)盲區(qū)大、影響并網(wǎng)電流質(zhì)量等缺點(diǎn)，提出一種改進(jìn)的正反饋主動(dòng)頻率偏移法。該方法通過(guò)檢測(cè)初始時(shí)刻頻率偏差的大小，確定初始斬波因子和擾動(dòng)施加的方向，通過(guò)累加頻率偏差的絕對(duì)值反饋?zhàn)饔玫焦颤c(diǎn)上。改進(jìn)的孤島檢測(cè)方法不僅提高了孤島檢測(cè)精度，也降低了電流諧波畸變率。由仿真結(jié)果可知，改進(jìn)后的AFDPF算法孤島檢測(cè)時(shí)間比傳統(tǒng)AFDPF算法快了0.04 s。

關(guān)鍵詞： 孤島檢測(cè)； 檢測(cè)盲區(qū)； 頻率偏差； 改進(jìn)型正反饋主動(dòng)頻率偏移法

中圖分類號(hào)： TN911?34； TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）10?0178?05

Abstract： The active frequency drift with positive feedback （AFDPF） algorithm is a current widely?used isolate detection algorithm. In order to eliminate the shortcomings of big detection blind area and the influence on quality of grid connected current existing in the algorithm， an improved AFDPF algorithm is proposed. The method detects the frequency deviation at the initial moment to determine the initial chopping factor and the disturbance infliction direction， and accumulates the absolute value of the frequency deviation to feed back to the common point. The improved island detection algorithm can improve the island detection accuracy， and also reduce the current harmonic distortion rate. The simulation results show that the island detection time of the improved AFDPF algorithm is 0.04 s faster than that of the traditional AFDPF algorithm.

Keywords： island detection； detection blind area； frequency deviation； improved AFDPF algorithm

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，能源消耗日益增大。日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和電力需求的巨大缺口迫使人們?cè)絹?lái)越重視可再生能源的開(kāi)發(fā)與利用，光伏發(fā)電應(yīng)運(yùn)而生。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是開(kāi)發(fā)利用可再生資源的一種形式，伴隨著更多的光伏發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的快速發(fā)展帶來(lái)的是導(dǎo)致逆變器孤島效應(yīng)發(fā)生的幾率變大，孤島不僅會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)設(shè)備的損壞，嚴(yán)重時(shí)還有可能直接威脅維護(hù)電力系統(tǒng)工作人員的生命安全。所以，每一個(gè)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)都一定要具有反孤島檢測(cè)的功能。孤島效應(yīng)指的是當(dāng)市電電網(wǎng)發(fā)生故障或斷電的情況下，并入電網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)仍繼續(xù)向本地負(fù)載供電，使之局部正常工作，這就導(dǎo)致了孤島對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行和用戶人身安全的影響也越來(lái)越大。其中，如何有效快速地檢測(cè)出孤島效應(yīng)是光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)目前亟需克服的重要難題之一[1?3]。

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測(cè)中，孤島檢測(cè)方法一般分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類。被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法通過(guò)檢測(cè)逆變器輸出端電量的變化來(lái)判斷系統(tǒng)是否發(fā)生孤島。該方法存在門檻值不能精確設(shè)定、檢測(cè)盲區(qū)范圍較大等缺點(diǎn)，而且被動(dòng)檢測(cè)法在逆變器輸出功率和負(fù)載功率相匹配的情況下容易發(fā)生漏檢的情況。

為了解決被動(dòng)檢測(cè)法存在的問(wèn)題，科學(xué)家們又發(fā)明了主動(dòng)檢測(cè)法。帶正反饋的主動(dòng)頻率偏移法（Active Frequency Drift with Positive Feedback，AFDPF）是目前應(yīng)用最廣泛的一種孤島檢測(cè)算法。AFDPF是在AFD（Active Frequency Drift）檢測(cè)法的基礎(chǔ)上引入正反饋，通過(guò)加速公共點(diǎn)電壓頻率偏離正常值， 進(jìn)一步縮小孤島檢測(cè)盲區(qū)。

文獻(xiàn)[4]提出的自適應(yīng)主動(dòng)頻率偏移方法雖然實(shí)現(xiàn)了電流低畸變的目的，但是該算法太過(guò)復(fù)雜，而且閾值不能精確設(shè)定。文獻(xiàn)[5]提出的新的檢測(cè)方法雖然縮短了孤島檢測(cè)時(shí)間，卻存在著誤判的可能。文獻(xiàn)[6]闡述的方法通過(guò)增大AFDPF的頻率偏差的次方數(shù)以提高輸出電能的質(zhì)量。文獻(xiàn)[7]提出的間歇性擾動(dòng)孤島檢測(cè)法解決了擾動(dòng)量變大，相應(yīng)的檢測(cè)盲區(qū)變小，輸出電流總諧波失真度變大的問(wèn)題。雖然該方法提高了輸出電流波形的質(zhì)量，但是在電網(wǎng)斷開(kāi)后，頻率偏差的累積存在誤差，檢測(cè)孤島的時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)。

以上針對(duì)孤島效應(yīng)提出的孤島檢測(cè)方法中所選取的初始斬波因子和正反饋因子k都是固定參數(shù)，k的值必須隨著不同情況下的孤島效應(yīng)檢測(cè)隨時(shí)更改，并且k值固定時(shí)盲區(qū)的大小也是固定的，這就造成了檢測(cè)孤島效應(yīng)的遲滯性，不能很好地降低輸出電流的諧波失真度。為此，本文提出了一種改進(jìn)型的正反饋主動(dòng)移頻檢測(cè)方法。該方法是在傳統(tǒng)AFDPF方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)改進(jìn)的算法實(shí)時(shí)改變正反饋因子k的值，通過(guò)檢測(cè)初始時(shí)刻頻率偏差的大小，確定初始斬波因子和施加擾動(dòng)的方向，把累加頻率偏差的絕對(duì)值作為正反饋量作用到公共點(diǎn)上，從而能夠快速地檢測(cè)出孤島。仿真結(jié)果表明，該方法孤島檢測(cè)效果好，有一定的可行性。

1 AFD方法原理

AFD檢測(cè)方法的原理是通過(guò)向逆變器輸出電流[Iinv]周期性地注入微小的頻率擾動(dòng)使得pcc點(diǎn)電壓[Vpcc]的頻率在公共電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)向下或者向上偏移，如果該偏移量超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值，則觸發(fā)孤島保護(hù)[8]。檢測(cè)原理見(jiàn)圖1。

在 AFD算法中，[cf]是固定參數(shù)，常取固定值為0.02。如果設(shè)置的參數(shù)過(guò)小，則孤島在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)不出來(lái)，也會(huì)增大孤島檢測(cè)盲區(qū)；如果設(shè)置的參數(shù)過(guò)大，雖然孤島能被快速地檢測(cè)出來(lái)，并且也能減小檢測(cè)盲區(qū)，但與此同時(shí)，并網(wǎng)逆變器的輸出電流總諧波畸變率 THD（Total Harmonic Distortion）則會(huì)增大。

2 AFDPF方法工作原理

2.1 AFDPF檢測(cè)原理

帶正反饋的主動(dòng)頻率檢測(cè)法是在AFD檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上提出的一種改進(jìn)方案，針對(duì)傳統(tǒng)AFD檢測(cè)方法中檢測(cè)盲區(qū)較大的缺點(diǎn)，AFDPF方法通過(guò)在AFD 頻率偏移的基礎(chǔ)上引入正反饋，加速公共點(diǎn)電壓頻率偏離正常值，以便能進(jìn)一步減小孤島檢測(cè)盲區(qū)[9]。斬波因子[cf]定義為：

式中：[cf0]為初始斬波因子；k為正反饋因子；[f]與[fg]分別為公共點(diǎn)電壓頻率和電網(wǎng)頻率。當(dāng)市網(wǎng)斷電后，如果頻率向下偏移，那么頻率偏差將隨公共點(diǎn)電壓頻率的減小而減小，斬波因子減小，逆變器也減小輸出電流的頻率，直到觸發(fā)孤島欠頻保護(hù)。反之，如果頻率向上偏移，則逆變器輸出電流的頻率一直增大，直到發(fā)生孤島過(guò)頻保護(hù)。

2.2 AFDPF方法的檢測(cè)盲區(qū)

檢測(cè)盲區(qū)（Non?Detection Zone，NDZ）是檢測(cè)孤島的方法失效時(shí)，相對(duì)應(yīng)的負(fù)載參數(shù)空間。一般通過(guò)判斷檢測(cè)盲區(qū)來(lái)檢驗(yàn)孤島檢測(cè)的有效性。品質(zhì)因數(shù)[Qf0]作為橫坐標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)化電容值[Cnorm]作為縱坐標(biāo)，這樣既能直觀地映射NDZ和品質(zhì)因數(shù)間的關(guān)系，又能避免兩個(gè)坐標(biāo)變量間相互耦合給孤島檢測(cè)方法性能比較帶來(lái)的不便。因此在本文中采用該方法對(duì) AFDPF的檢測(cè)盲區(qū)進(jìn)行分析研究[10]。定義為：

3 改進(jìn)的AFDPF方法

在傳統(tǒng)AFDPF中，由文獻(xiàn)[12]可知，電流THD 除了與初始斬波因子[cf0]有關(guān)外，還與頻率偏差[Δf]及正反饋因子k相關(guān)。k的值越大，THD的增量也就越大。由于輸出電壓頻率和電網(wǎng)電壓頻率的偏差以及初始斬波因子會(huì)作為擾動(dòng)把算法作用引入，進(jìn)而造成對(duì)電能質(zhì)量的負(fù)面影響[12]。恒定的[cf]和k的參數(shù)會(huì)影響孤島檢測(cè)效果。針對(duì)上述不足，對(duì)傳統(tǒng)的AFDPF孤島檢測(cè)方法做如下修改：

式中：[cf0]是系統(tǒng)初始截?cái)嘞禂?shù)；k是正反饋增益；[f0]是孤島發(fā)生初始時(shí)刻pcc點(diǎn)電壓頻率；n是孤島檢測(cè)的周期數(shù)；[sign（f-fg）]是初始時(shí)刻pcc點(diǎn)電壓頻率和電網(wǎng)額定頻率之差的符號(hào)，通過(guò)引入符號(hào)函數(shù)能夠?qū)崟r(shí)改變[cf0]的正負(fù)性，進(jìn)而克服負(fù)載對(duì)單一方向擾動(dòng)信號(hào)的平衡作用。

在電網(wǎng)斷開(kāi)的初始時(shí)刻，檢測(cè)公共點(diǎn)電壓頻率[f]，并與電網(wǎng)額定頻率[fg]比較，通過(guò)差值符號(hào)[sign（f-fg）]確定初始斬波因子及擾動(dòng)方向并進(jìn)行疊加，加速公共點(diǎn)電壓頻率偏離正常值。對(duì)前t個(gè)周期公共點(diǎn)電壓頻率和電網(wǎng)額定頻率的變化量取絕對(duì)值再累加作為正反饋量，能夠避免因電網(wǎng)擾動(dòng)而引起的孤島誤判，使擾動(dòng)量一直以初始時(shí)刻的擾動(dòng)方向?qū)颤c(diǎn)電壓頻率擾動(dòng)，加速pcc點(diǎn)電壓頻率偏離到預(yù)先設(shè)定的閾值，最終檢測(cè)出孤島。改進(jìn)后的AFDPF算法作用后，檢測(cè)盲區(qū)也明顯縮小，孤島檢測(cè)的及時(shí)性顯著提高，算法的作用時(shí)間用時(shí)更短，有效性得到了提高。

4 仿真與分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)后AFDPF的孤島檢測(cè)效果，本文采用Matlab/Simulink仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真模型如圖3所示。

仿真模型包括主電路、孤島檢測(cè)部分和并網(wǎng)控制部分。通過(guò)S?Function函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)AFDPF模塊的孤島檢測(cè)。仿真情況針對(duì)RLC并聯(lián)負(fù)載模型，直流輸入電壓400 V，電網(wǎng)電壓220 V，頻率[f]=50 Hz，輸出功率2 kW，R=24.2[Ω]，濾波電感L=30.8 mH，負(fù)載品質(zhì)因素Qf= 2.5。此時(shí)負(fù)載偏容性是孤島發(fā)生最嚴(yán)重的工況環(huán)境。

由上文可知，增大正反饋因子k的參數(shù)能有效地減小盲區(qū)，但是k值取的過(guò)大會(huì)使得電流畸變?cè)龃?。根?jù)文獻(xiàn)[13]的表述，采用AFDPF方法檢測(cè)孤島效應(yīng)時(shí)，要滿足[k>0.053]，一般取[k=0.06]，此時(shí)檢測(cè)孤島的效率高，并且對(duì)THD的影響小。

對(duì)孤島檢測(cè)時(shí)間來(lái)說(shuō)，初始斬波因子越大，孤島檢測(cè)時(shí)間就越短。但是考慮到電能質(zhì)量和孤島檢測(cè)時(shí)間的聯(lián)系，[cf0]的值不能取過(guò)大，該算法在傳統(tǒng)AFDPF的基礎(chǔ)上增大了k的值，使其能更快速地將公共點(diǎn)電壓頻率偏離正常值，直到pcc點(diǎn)電壓頻率偏離到預(yù)先設(shè)定的檢測(cè)閾值，所以取[cf0=0.01]。電網(wǎng)在0.1 s時(shí)斷開(kāi)，通過(guò)Matlab/Simulink對(duì)改進(jìn)的AFDPF算法進(jìn)行仿真，電網(wǎng)斷開(kāi)后，兩種不同算法的公共點(diǎn)電壓頻率和輸出電流波形分別如圖4、圖5所示。

上述的仿真結(jié)果采用的是帶正反饋的孤島檢測(cè)方法。仿真圖形如圖4所示，對(duì)于傳統(tǒng)AFDPF檢測(cè)方法來(lái)說(shuō)，0.1 s 前，系統(tǒng)處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，輸出的電壓電流保持同相同頻；在0.1 s時(shí)，將電網(wǎng)斷開(kāi)，在0.12 s處pcc點(diǎn)電壓的頻率偏離了50 Hz，正反饋擾動(dòng)開(kāi)始引入，大約在0.2 s 時(shí)pcc點(diǎn)電壓頻率偏離超出閾值，實(shí)現(xiàn)孤島保護(hù)。采用改進(jìn)的AFDPF檢測(cè)方法，仿真波形如圖5所示。改進(jìn)后的AFDPF法在0.1 s前，光伏系統(tǒng)處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，逆變器輸出的電壓電流始終保持同相同頻；0.1 s時(shí)，電網(wǎng)自動(dòng)斷開(kāi)，改進(jìn)后的算法自動(dòng)調(diào)整初始斬波因子的擾動(dòng)方向，保證[cf0]和k的擾動(dòng)方向相同，在正反饋因子和初始斬波因子的影響下，pcc點(diǎn)電壓頻率發(fā)生偏移；在0.16 s時(shí)pcc點(diǎn)電壓頻率偏離超出閾值，檢測(cè)出孤島。遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國(guó)際規(guī)定的孤島檢測(cè)時(shí)間（2 s內(nèi)），比傳統(tǒng)AFDPF孤島檢測(cè)方法快了0.04 s。

圖6（a）、圖6（b）分別表示了傳統(tǒng)AFDPF檢測(cè)方法和改進(jìn)后AFDPF檢測(cè)方法的THD。從圖6（a）可知傳統(tǒng)AFDPF方法并網(wǎng)電流總共20 次，由于引入了較大的干擾，總諧波失真率THD 是0.68%。而改進(jìn)后的AFDPF方法的THD相比于傳統(tǒng)的AFDPF方法有了較大減小，從圖6（b）可知改進(jìn)后AFDPF算法的THD 是0.64%，相比于前者THD下降了，說(shuō)明該方法能夠改善光伏逆變器輸出電能的質(zhì)量，降低了傳統(tǒng)AFDPF方法檢測(cè)孤島時(shí)的并網(wǎng)輸出電流的畸變率。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)AFDPF算法中[cf0]和k值都是恒定參數(shù)而導(dǎo)致的孤島檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)和檢測(cè)盲區(qū)范圍大的缺點(diǎn)，提出一種改進(jìn)的AFDPF檢測(cè)算法。通過(guò)改進(jìn)初始斬波因子和正反饋系數(shù)，證明了該算法的有效性。結(jié)果表明，該方法在規(guī)定的時(shí)間（2 s）內(nèi)能迅速地檢測(cè)出孤島，達(dá)到了預(yù)期的研究目的。

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