改進(jìn)的正反饋主動(dòng)頻移孤島檢測(cè)方法的仿真分析

劉觀起，游曉科

（華北電力大學(xué)，河北保定071003）

改進(jìn)的正反饋主動(dòng)頻移孤島檢測(cè)方法的仿真分析

劉觀起，游曉科

（華北電力大學(xué)，河北保定071003）

能源緊缺，環(huán)境惡化是日趨嚴(yán)重的全球性問(wèn)題。人類為追求可持續(xù)發(fā)展，正積極發(fā)展可再生能源技術(shù)。太陽(yáng)能作為可再生能源之一，這些年來(lái)引起了世界各國(guó)政府和能源專家的日益重視。在國(guó)內(nèi)，電能緊缺已經(jīng)是一個(gè)非常嚴(yán)峻的問(wèn)題，光伏并網(wǎng)發(fā)電有望在未來(lái)緩解這一緊張的局面。當(dāng)越來(lái)越多的光伏發(fā)電系統(tǒng)并接到電網(wǎng)上時(shí)，就帶來(lái)了電網(wǎng)保護(hù)的新現(xiàn)象——孤島效應(yīng)。孤島效應(yīng)[1]是指當(dāng)電力公司因故障或停電維修而停止供電時(shí)，用戶端的并網(wǎng)逆變器仍處于工作狀態(tài)，使得并網(wǎng)逆變器和周圍的負(fù)載形成一個(gè)電力公司無(wú)法控制的自供電網(wǎng)絡(luò)。孤島效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備損壞和人身傷亡事故，因此必須及時(shí)檢測(cè)出孤島效應(yīng)的發(fā)生，并切斷系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接。

本文針對(duì)傳統(tǒng)正反饋頻率漂移孤島檢測(cè)方法在不同負(fù)載性質(zhì)下檢測(cè)效果存在較大差異的缺點(diǎn)，分析了一種改進(jìn)的檢測(cè)方法，介紹了其工作原理，以及負(fù)載性質(zhì)對(duì)檢測(cè)方法的影響，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了所采用的方法的有效性。

1 AFD工作原理

主動(dòng)頻率偏移法是一種比較常用的主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法[2]。通過(guò)采樣公共節(jié)點(diǎn)處的頻率并作偏移，作為逆變器的輸出電流頻率，造成對(duì)負(fù)載端電壓頻率的擾動(dòng)。主動(dòng)頻率偏移法示意圖如圖1所示。

圖1 主動(dòng)頻率偏移法示意圖Fig.1 The diagram of AFD detection method

調(diào)整輸出電流的頻率，使其比電壓頻率略高，若電流半波已完成而電壓未過(guò)零，則強(qiáng)制電流給定為零，直到電壓過(guò)零點(diǎn)到來(lái)，電流才開(kāi)始下一個(gè)半波。當(dāng)市電斷電后，公共點(diǎn)電壓的頻率受電流頻率的影響而偏離原值，超過(guò)正常范圍即可檢測(cè)出孤島。該方法具有對(duì)電能質(zhì)量影響小，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1中，VPCC為公共耦合點(diǎn)電壓，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)即為電網(wǎng)電壓；TV是對(duì)應(yīng)的周期；i為逆變器輸出電流；tz為電流截?cái)鄷r(shí)間；定義cf=2tz/TV為截?cái)嘞禂?shù)，通過(guò)傅里葉分析可得，逆變器輸出電流基波超前輸出電流的相位為wtz/2，定義其為主動(dòng)移頻角θAFD，即

定義θload為負(fù)載電流超前電壓的角度，即

脫網(wǎng)后若θAFD始終大于或小于θload，則頻率將保持一個(gè)方向偏移，穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)不存在，以此便能檢測(cè)出孤島。

但是，對(duì)于并聯(lián)的RLC負(fù)載，無(wú)論負(fù)載阻抗角大于或者小于零，在阻抗角和頻率偏移的相互影響下，其作用相互抵消，且此時(shí)頻率和電壓均未能超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值，那么，系統(tǒng)將無(wú)法檢測(cè)到孤島現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2 傳統(tǒng)的正反饋AFD檢測(cè)原理

為適應(yīng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)對(duì)電能質(zhì)量影響小，脫網(wǎng)時(shí)能快速檢測(cè)出孤島，且檢測(cè)盲區(qū)小或在特定負(fù)載下無(wú)盲區(qū)的要求，AFD法引入頻率正反饋，此即為帶正反饋的主動(dòng)頻率偏移法（Active Frequency with Positive Feedback，AFDPF）[3]，其表達(dá)式如下

式中，cf0為初始截?cái)嘞禂?shù)；k為頻率正反饋系數(shù)；fg為電網(wǎng)頻率。

將式（3）代入式（1）得

cf0代表了電網(wǎng)存在時(shí)的固有頻率擾動(dòng)，作用是觸發(fā)脫網(wǎng)瞬間的頻率偏移，其值直接影響逆變器輸出電流的諧波大小，一般取cf0=0.02，k=0.1。

3 改進(jìn)的正反饋AFD原理

由于傳統(tǒng)的AFDPF孤島效應(yīng)檢測(cè)方法中擾動(dòng)信號(hào)cf均按一個(gè)方向?qū)進(jìn)行擾動(dòng)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障且負(fù)載性質(zhì)不同時(shí)，f的變化方向有可能與擾動(dòng)信號(hào)方向相反，這會(huì)導(dǎo)致f的誤差積累較慢，從而延長(zhǎng)孤島檢測(cè)時(shí)間。特殊情況下，負(fù)載對(duì)f的平衡作用會(huì)抵消頻率擾動(dòng)的作用，這種情況下會(huì)出現(xiàn)孤島效應(yīng)的漏判。

考慮到電路噪聲和檢測(cè)誤差的存在，斷網(wǎng)瞬間檢測(cè)頻率總有相對(duì)于電網(wǎng)頻率的偏移，因此可對(duì)初始截?cái)嘞禂?shù)作修正，即

式中，當(dāng)f-fg≥0時(shí)，sign（f-fg）＝1；f-fg＜0時(shí)，sign（f-fg）＝-1。對(duì)于感性負(fù)載和容性負(fù)載的孤島檢測(cè)效率都可提高[4]。

4 改進(jìn)的AFDPF檢測(cè)方法仿真

4.1 仿真模型

根據(jù)上述理論分析，采用Matlab/Simulink建立了2kW單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變系統(tǒng)功率輸出級(jí)仿真模型[5-8]。仿真模型由單相并網(wǎng)系統(tǒng)輸出級(jí)的主電路部分、并網(wǎng)控制部分、孤島檢測(cè)部分組成,圖2、3、4分別為這3部分仿真模塊。孤島檢測(cè)中AFDPF模塊由s-function函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻同相。

圖2 主電路模塊Fig.2 Main circuit block diagram

圖3 并網(wǎng)控制模塊Fig.3 Grid control block diagram

圖4 孤島檢測(cè)模塊Fig.4 Islanding detection block diagram

4.2 仿真結(jié)果分析

取仿真參數(shù)為：直流電壓400V；取電網(wǎng)電壓有效值220V(峰值為310V)；頻率50.0Hz；逆變器輸出參考電流值為12.5A；頻率保護(hù)的動(dòng)作閥值設(shè)置為50.0±0.5Hz；整定負(fù)載有功為2kW；濾波電感L=5mH；R=0.01Ω；整定負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Qf=2.5；RLC負(fù)載參數(shù)為：R=24.04Ω；L=7.65×10-3H；C=1.325×10-6F；諧振頻率f0=50Hz。電網(wǎng)在0.12s斷開(kāi)。

為了便于觀察，圖中將電壓峰值縮小為實(shí)際值的1/8，電流幅值擴(kuò)大為原來(lái)的2倍，根據(jù)cf0取值的不同，分別進(jìn)行3次仿真：

當(dāng)cf=0.02+0.1·（f-fg）時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)正常工作時(shí)并網(wǎng)電流THD=2.82%，在t=0.258s時(shí)發(fā)生過(guò)頻保護(hù)動(dòng)作；當(dāng)cf=-0.02+0.1·（f-fg）時(shí)，并網(wǎng)電流THD=2.33%，在t=0.261s處欠頻保護(hù)動(dòng)作；當(dāng)cf=0.02·sign（f-fg）+0.1·（f-fg）時(shí)，并網(wǎng)電流THD=1.40%，在t=0.24s處欠頻保護(hù)。歸納的孤島檢測(cè)仿真結(jié)果如表1所示。表中，當(dāng)f-fg≥0時(shí)，sign（f-fg）＝1；f-fg＜0時(shí)，sign（f-fg）＝-1。

仿真結(jié)果如圖5、6、7所示，仿真中設(shè)置0.12s電網(wǎng)斷電，孤島發(fā)生。一段時(shí)間后，PCC點(diǎn)負(fù)載電壓頻率超出了預(yù)設(shè)閥值，系統(tǒng)檢測(cè)到孤島并動(dòng)作，并網(wǎng)輸出電流為0，PV系統(tǒng)停止工作。此時(shí)，由于負(fù)載為RLC并聯(lián)負(fù)載，因此，當(dāng)PV系統(tǒng)停止工作時(shí)，RLC自身會(huì)發(fā)生衰減振蕩，最后逐漸衰減至0。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)cf0=0.02·sign（f-fg）時(shí)，斷網(wǎng)后頻率偏移方向完全由負(fù)載性質(zhì)決定，在斷網(wǎng)瞬間下拉頻率，在AFDPF方法作用下最終導(dǎo)致欠頻保護(hù)，如圖7所示，其速度比圖5、6所示快。這充分說(shuō)明了當(dāng)孤島現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，f與負(fù)載的性質(zhì)有關(guān)。若cf0為負(fù)，表明負(fù)載為容性負(fù)載，孤島效應(yīng)發(fā)生時(shí)f將下降，反之f則將上升。結(jié)合仿真結(jié)果可得，諧振負(fù)載略呈容性。

表1 孤島檢測(cè)仿真結(jié)果Tab.1 Detected Results of Islanding Detection

綜上所述，采用改進(jìn)的正反饋頻率偏移檢測(cè)方法，即當(dāng)取cf=0.02·sign（f-fg）+0.1·（f-fg）時(shí)，斷網(wǎng)后7個(gè)周期就能檢測(cè)到孤島的發(fā)生，即系統(tǒng)最多用7±2周期（1s±0.04s）即可檢測(cè)到孤島的發(fā)生，遠(yuǎn)小于IEEE 1547－2003對(duì)孤島發(fā)生后最大跳閘時(shí)間(120個(gè)周期)的規(guī)定，且并網(wǎng)電流THD=2.32%，也符合IEEE1547-2003對(duì)交流輸出諧波的要求(THD≤5.0%)，說(shuō)明改進(jìn)后的正反饋頻率漂移法對(duì)不同性質(zhì)的負(fù)載均有較好的檢測(cè)效果，即具有較快檢測(cè)速度的同時(shí)能保證并網(wǎng)電流諧波較小。

圖5 cf=0.02+0.1·（f-fg）時(shí)孤島檢測(cè)Fig.5 Islanding detection when the value of cf equals 0.02+0.1·（f-fg）

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中一種改進(jìn)的正反饋頻率偏移孤島檢測(cè)方法，分析了負(fù)載性質(zhì)對(duì)孤島檢測(cè)方法的影響。與傳統(tǒng)AFDPF相比，該方法通過(guò)對(duì)截?cái)嘞禂?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，克服了負(fù)載性質(zhì)對(duì)單一方向擾動(dòng)信號(hào)的平衡作用，可以兼顧孤島檢出的快速性和較好的并網(wǎng)電流波形。用Matlab/Simulink對(duì)該方法進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)的孤島檢測(cè)方法的有效性。

圖6 cf=-0.02+0.1·（f-fg）時(shí)孤島檢測(cè)Fig.6 Islanding detection when the value of cf equals-0.02+0.1·（f-fg）

圖7 cf=0.02·sign（f-fg）+0.1·（f-fg）時(shí)孤島檢測(cè)Fig.7 Islanding detection when the value of cf equals 0.02·sign（f-fg）+0.1·（f-fg）

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Emulation of Improved Positive Feedback Active Frequency Drift with Positive Feedback Islanding Detection Method

LIU Guan-qi，YOU Xiao-ke
（North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei Province，China）

In the light of the control process of the gridconnected inverter in PV system,this paper proposes a kind of islanding detection method which is based on improved active frequency drift with positive feedback.The theory of the method and influences of the load characteristics on it are elaborated.The simulation results on Simulink show that this improved method can detect the islanding operation effectively with faster detecting speed,smaller non-detection.and less harmonics pollution to the grid.

grid-connected photovoltaic;islanding detection;positive feedback;active frequency drift

結(jié)合光伏并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器的并網(wǎng)控制過(guò)程,分析了一種改進(jìn)的正反饋頻率漂移孤島檢測(cè)方法，詳細(xì)闡述了該方法的原理和負(fù)載性質(zhì)對(duì)其的影響，通過(guò)仿真分析表明所采用的孤島檢測(cè)方法的有效性，改進(jìn)后的方法加快了檢測(cè)速度，減少了檢測(cè)盲區(qū)和對(duì)電力系統(tǒng)的諧波污染。

光伏并網(wǎng)；孤島檢測(cè)；正反饋；主動(dòng)頻移

1674-3814（2011）11-0041-05

TM712

A

2011-07-09。

劉觀起（1956—），男，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析、運(yùn)行與控制；

游曉科（1985—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析、運(yùn)行與控制。

（編輯 馮露）