基于改進的低諧波孤島檢測技術研究

宋治楷+胥飛+王恒

摘 要：低諧波孤島的發生不僅會導致電力系統設備損壞，嚴重時還會出現威脅電力系統維修人員生命安全等一系列問題。因此，光伏并網發電系統必須具備孤島檢測功能，以保證電網的安全運行。傳統的AFD（Active Frequency Drift）檢測方法在不同的負載下的檢測效果不同，對純阻性負載檢測效果比較好。雖然科研工作者提出了基于反饋調節、周期性擾動的AFD法，可以減小THD，但同時減慢了檢測速度。鑒于此，提出了一種改進型的低諧波孤島檢測方案，比傳統的 AFD檢測方法的諧波少、盲區小，檢測速度更快，并搭建了Matlab/Simulink仿真模型。仿真結果表明，該方法比傳統的AFD檢測方法更具有優勢。

關鍵詞：低諧波孤島；諧波；AFD檢測；電流波形

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.010

隨著光伏并網發電的發展，越來越多的并網發電系統并接到電網上時，出現了電網保護的新現象——孤島效應，其帶來的危害不容忽視。常用的反孤島現象的檢測方法有被動式孤島檢測和主動式孤島檢測。對于被動式檢測方法，具有原理簡單、容易實現、對電能質量無影響的優點，但檢測盲區大；主動式孤島檢測雖然檢測盲區較小，但均會對并網系統輸出電能質量造成影響，且實現方法比較復雜。為了降低總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD），國內外研究者提出了改進型AFD（Active Frequency Drift）法，這些方法雖然在一定程度上減少了諧波，但卻以犧牲檢測速度為代價。本文提出的方案不僅比傳統AFD檢測產生的諧波少，且降低了對電能質量的影響，檢測速度快，進一步縮小了檢測盲區。

1 AFD法的檢測原理

對于并網光伏發電系統有以下計算公式：

傳統的AFD檢測法通過注入諧波電流來改變輸出電流的頻率，使電流頻率產生偏移。當系統正常運行時，由于公用電網的鉗制作用，電流頻率的偏移不會使系統電壓產生偏移；孤島出現時，公用電網停電，不再對分布式發電系統起鉗制作用，電流頻率的偏移促使電壓頻率產生偏移，當頻率超出閾值范圍時，則觸發孤島保護。

AFD法的電流波形如圖1所示，圖1中的Iref為初始參考電流波形，Irej為注入諧波電流波形。圖1的下半部分展示了注入諧波電流Iref后的電流IAFD與初始參考電流Iref的波形對比。在tz時間內，電流強制為0，時間tz決定了擾動深度的大小。τ為AFD電流的周期，T為參考電流的周期。

傳統的AFD孤島檢測法較為簡單，容易控制，比被動檢測法的盲區小，可靠性更高。相比基于通訊的反孤島策略，造價更低，對于純阻性負載檢測效果好，但AFD法造成的諧波較多。如果減小擾動深度，諧波也會隨之減少，但檢測速度會變慢，且增加了檢測盲區。

2 低諧波法的檢測原理

低諧波法通過注入諧波電流來改變輸出電流的頻率，使電流頻率產生固定的偏移。與AFD法不同的是，這種方法下電流波形的畸變更小一些，如圖2所示。在新的擾動方式下，參考電流波形為：

*[基金項目]上海市專業學位研究生實踐基地建設子項目（編號：G2-12YSJJK01-012）

圖2的上半部分中，Iref為初始參考電流波形，Irej為注入的諧波電流的電流波形；下半部分為注入諧波電流Iref后的電流I0與初始參考電流Iref的波形對比。其中，α為低諧波法參考電流與初始參考電流的相位差，α=πCf=arcsink，k為擾動深度，τ為新主動法電流的周期，T為初始參考電流的周期。

由于改進法的移頻機理沒有變，至零點改為2個，該方法的諧波可近似為：

因此，當兩種方法注入電網的無功均為7.5%時，低諧波法注入電網的THD為2.4%，而AFD法注入電網的THD為7.5%，低諧波法比AFD法的諧波減少很多；當兩種方法的諧波均為2.4%時，低諧波法注入電網的無功為7.5%，AFD注入電網的無功為2.4%.因此，低諧波法的檢測盲區比AFD法小。

3 參數設置和仿真結果

本文對220 V單相、小容量供電系統用Matlab/Simulink搭建了仿真模型。根據我國電能質量標準，容量較小時，頻率的偏差為±0.5 Hz，并在2 s內將孤島檢測出來，注入電網電流的總諧波畸變率不超過5%.

本文利用Matlab/Simulink仿真，測得系統的有功為4.585 kW，無功為47 VA。在仿真時，將電路的品質因數調成2，諧振頻率為50.2 Hz，仿真時間均設為3 s，公用電網在0.7s斷開。為了驗證該方法諧波低、檢測速度快的優點，本文將該方法與傳統的AFD 法進行了對比。

當t=0.255e-3時，傳統的AFD和低諧波法注入電網電流波形如圖3和圖4所示。

傳統的AFD方法中，孤島現象出現2.25 s后才能被檢測出來，檢測時間超出了規定時間2 s，導致檢測失敗。而低諧波法在孤島現象發生后的0.06 s內便可檢測出該現象。由此可見，相比擾動法，低諧波法的盲區較小。當t=0.255e-3時，孤島現象的檢測結果分別如圖5和圖6所示。

對PCC點電流進行FFT（快速傅里葉）分析，當t=0.255e-3時，兩種孤島檢測方法的THD分別如圖7和圖8所示，傳統AFD檢測法的THD為3.39%，而低諧波法的THD為3.15%.

當t=0.255e-3時，傳統的AFD法和低諧波法的孤島檢測檢測結果和諧波分析分別如圖9、圖10、圖11、圖12所示。

由圖9、圖10可以看出，當t=0.283e-3時，傳統的AFD檢測法在孤島現象出現后的1.2 s內可將其檢測出來；低諧波法在孤島現象出現后的60 ms內可將其檢測出來。由圖11、圖12可知，AFD法諧波增至3.56%，而低諧波法的THD僅為3.27%，低于傳統AFD法。由此可見，低諧波法法與傳統的AFD法相比，不僅檢測速度快，而且諧波較少。

從仿真結果看，在相同的條件下，低諧波法要比傳統的AFD法更具有優勢，具有檢測時間更短、諧波更少的特點。由于仿真環境是理想環境，沒有干擾，也不用考慮電路之間的干擾及元器件的影響，因此，檢測時間較快。然而，在實際試驗中的檢測速度會稍慢。

4 結束語

AFD檢測法是一種有效的主動孤島檢測法，該方法造成的諧波較大。如果要減小諧波，則檢測速度就會變慢，盲區也會隨之增大。雖然改進的AFD法獲得了一定的成效，但諧波仍然較大。而低諧波法與傳統的AFD檢測法相比，采用了不同的擾動方法，可以在有效減小諧波的同時，快速檢測出孤島現象，并縮小了檢測盲區。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕