改进的正反馈主动频移孤岛检测方法的仿真分析

刘观起，游晓科

（华北电力大学，河北保定071003）

改进的正反馈主动频移孤岛检测方法的仿真分析

刘观起，游晓科

（华北电力大学，河北保定071003）

能源紧缺，环境恶化是日趋严重的全球性问题。人类为追求可持续发展，正积极发展可再生能源技术。太阳能作为可再生能源之一，这些年来引起了世界各国政府和能源专家的日益重视。在国内，电能紧缺已经是一个非常严峻的问题，光伏并网发电有望在未来缓解这一紧张的局面。当越来越多的光伏发电系统并接到电网上时，就带来了电网保护的新现象——孤岛效应。孤岛效应[1]是指当电力公司因故障或停电维修而停止供电时，用户端的并网逆变器仍处于工作状态，使得并网逆变器和周围的负载形成一个电力公司无法控制的自供电网络。孤岛效应会导致用电设备损坏和人身伤亡事故，因此必须及时检测出孤岛效应的发生，并切断系统与电网的连接。

本文针对传统正反馈频率漂移孤岛检测方法在不同负载性质下检测效果存在较大差异的缺点，分析了一种改进的检测方法，介绍了其工作原理，以及负载性质对检测方法的影响，最后通过仿真验证了所采用的方法的有效性。

1 AFD工作原理

主动频率偏移法是一种比较常用的主动式孤岛检测方法[2]。通过采样公共节点处的频率并作偏移，作为逆变器的输出电流频率，造成对负载端电压频率的扰动。主动频率偏移法示意图如图1所示。

图1 主动频率偏移法示意图Fig.1 The diagram of AFD detection method

调整输出电流的频率，使其比电压频率略高，若电流半波已完成而电压未过零，则强制电流给定为零，直到电压过零点到来，电流才开始下一个半波。当市电断电后，公共点电压的频率受电流频率的影响而偏离原值，超过正常范围即可检测出孤岛。该方法具有对电能质量影响小，易于实现等优点。

图1中，VPCC为公共耦合点电压，并网运行时即为电网电压；TV是对应的周期；i为逆变器输出电流；tz为电流截断时间；定义cf=2tz/TV为截断系数，通过傅里叶分析可得，逆变器输出电流基波超前输出电流的相位为wtz/2，定义其为主动移频角θAFD，即

定义θload为负载电流超前电压的角度，即

脱网后若θAFD始终大于或小于θload，则频率将保持一个方向偏移，稳定运行点不存在，以此便能检测出孤岛。

但是，对于并联的RLC负载，无论负载阻抗角大于或者小于零，在阻抗角和频率偏移的相互影响下，其作用相互抵消，且此时频率和电压均未能超过预设的阈值，那么，系统将无法检测到孤岛现象的产生。

2 传统的正反馈AFD检测原理

为适应并网运行时对电能质量影响小，脱网时能快速检测出孤岛，且检测盲区小或在特定负载下无盲区的要求，AFD法引入频率正反馈，此即为带正反馈的主动频率偏移法（Active Frequency with Positive Feedback，AFDPF）[3]，其表达式如下

式中，cf0为初始截断系数；k为频率正反馈系数；fg为电网频率。

将式（3）代入式（1）得

cf0代表了电网存在时的固有频率扰动，作用是触发脱网瞬间的频率偏移，其值直接影响逆变器输出电流的谐波大小，一般取cf0=0.02，k=0.1。

3 改进的正反馈AFD原理

由于传统的AFDPF孤岛效应检测方法中扰动信号cf均按一个方向对f进行扰动。当电网发生故障且负载性质不同时，f的变化方向有可能与扰动信号方向相反，这会导致f的误差积累较慢，从而延长孤岛检测时间。特殊情况下，负载对f的平衡作用会抵消频率扰动的作用，这种情况下会出现孤岛效应的漏判。

考虑到电路噪声和检测误差的存在，断网瞬间检测频率总有相对于电网频率的偏移，因此可对初始截断系数作修正，即

式中，当f-fg≥0时，sign（f-fg）＝1；f-fg＜0时，sign（f-fg）＝-1。对于感性负载和容性负载的孤岛检测效率都可提高[4]。

4 改进的AFDPF检测方法仿真

4.1 仿真模型

根据上述理论分析，采用Matlab/Simulink建立了2kW单相光伏并网发电系统的并网逆变系统功率输出级仿真模型[5-8]。仿真模型由单相并网系统输出级的主电路部分、并网控制部分、孤岛检测部分组成,图2、3、4分别为这3部分仿真模块。孤岛检测中AFDPF模块由s-function函数来实现，并网电流和电网电压同频同相。

图2 主电路模块Fig.2 Main circuit block diagram

图3 并网控制模块Fig.3 Grid control block diagram

图4 孤岛检测模块Fig.4 Islanding detection block diagram

4.2 仿真结果分析

取仿真参数为：直流电压400V；取电网电压有效值220V(峰值为310V)；频率50.0Hz；逆变器输出参考电流值为12.5A；频率保护的动作阀值设置为50.0±0.5Hz；整定负载有功为2kW；滤波电感L=5mH；R=0.01Ω；整定负载品质因数Qf=2.5；RLC负载参数为：R=24.04Ω；L=7.65×10-3H；C=1.325×10-6F；谐振频率f0=50Hz。电网在0.12s断开。

为了便于观察，图中将电压峰值缩小为实际值的1/8，电流幅值扩大为原来的2倍，根据cf0取值的不同，分别进行3次仿真：

当cf=0.02+0.1·（f-fg）时，光伏发电系统正常工作时并网电流THD=2.82%，在t=0.258s时发生过频保护动作；当cf=-0.02+0.1·（f-fg）时，并网电流THD=2.33%，在t=0.261s处欠频保护动作；当cf=0.02·sign（f-fg）+0.1·（f-fg）时，并网电流THD=1.40%，在t=0.24s处欠频保护。归纳的孤岛检测仿真结果如表1所示。表中，当f-fg≥0时，sign（f-fg）＝1；f-fg＜0时，sign（f-fg）＝-1。

仿真结果如图5、6、7所示，仿真中设置0.12s电网断电，孤岛发生。一段时间后，PCC点负载电压频率超出了预设阀值，系统检测到孤岛并动作，并网输出电流为0，PV系统停止工作。此时，由于负载为RLC并联负载，因此，当PV系统停止工作时，RLC自身会发生衰减振荡，最后逐渐衰减至0。从仿真结果可以看出，当cf0=0.02·sign（f-fg）时，断网后频率偏移方向完全由负载性质决定，在断网瞬间下拉频率，在AFDPF方法作用下最终导致欠频保护，如图7所示，其速度比图5、6所示快。这充分说明了当孤岛现象发生时，f与负载的性质有关。若cf0为负，表明负载为容性负载，孤岛效应发生时f将下降，反之f则将上升。结合仿真结果可得，谐振负载略呈容性。

表1 孤岛检测仿真结果Tab.1 Detected Results of Islanding Detection

综上所述，采用改进的正反馈频率偏移检测方法，即当取cf=0.02·sign（f-fg）+0.1·（f-fg）时，断网后7个周期就能检测到孤岛的发生，即系统最多用7±2周期（1s±0.04s）即可检测到孤岛的发生，远小于IEEE 1547－2003对孤岛发生后最大跳闸时间(120个周期)的规定，且并网电流THD=2.32%，也符合IEEE1547-2003对交流输出谐波的要求(THD≤5.0%)，说明改进后的正反馈频率漂移法对不同性质的负载均有较好的检测效果，即具有较快检测速度的同时能保证并网电流谐波较小。

图5 cf=0.02+0.1·（f-fg）时孤岛检测Fig.5 Islanding detection when the value of cf equals 0.02+0.1·（f-fg）

5 结语

本文介绍了光伏并网发电系统中一种改进的正反馈频率偏移孤岛检测方法，分析了负载性质对孤岛检测方法的影响。与传统AFDPF相比，该方法通过对截断系数进行实时修正，克服了负载性质对单一方向扰动信号的平衡作用，可以兼顾孤岛检出的快速性和较好的并网电流波形。用Matlab/Simulink对该方法进行了仿真，仿真结果验证了改进的孤岛检测方法的有效性。

图6 cf=-0.02+0.1·（f-fg）时孤岛检测Fig.6 Islanding detection when the value of cf equals-0.02+0.1·（f-fg）

图7 cf=0.02·sign（f-fg）+0.1·（f-fg）时孤岛检测Fig.7 Islanding detection when the value of cf equals 0.02·sign（f-fg）+0.1·（f-fg）

[1]IEEE Std 929-2000IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic(PV)Systems[S].IEEE Std，2000：929-2000.

[2]LOPESLAC，HUIISun.PerformanceAssessmentofActive Frequency Drifting Islanding Detection Methods[J].IEEE Transantions on Energy Conversion，2006，21(1):171-180.

[3]ROPP M E，BEGOVIC M，ROHATGI A.Analysis and Performance Assessment of The Active Frequency Drift Method of Islanding Prevention[J].IEEE Transactions on Energy Conversion.IEEE Trans Power Delivery，1999，14(3)：810-816.

[4]薛明雨.光伏并网发电系统之孤岛检测技术研究[D].武汉：华中科技大学，2008.

XUE Ming-yu.Research on Islanding Detetcion of Grid-Connected Photovoltaic System [D].Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2008(in Chinese).

[5]褚小莉，余晓东.单相光伏并网系统及其反孤岛策略的仿真研究[J].电源技术应用，2009，12(3)：12-15.

CHU Xiao-li，YU Xiao-dong.Simulation Research of the Single-Phase PV Grid-Connected System and Its Islanding[J].Power Supply Technologies and Application，2009，12(3)：12-15(in Chinese).

[6]郑诗程，丁明，苏建微，等.光伏发电系统及其孤岛效应的仿真与实验研究[J].系统仿真学报，2005，17(12)：3085-3088.

ZHENG Shi-cheng，DING Ming，SU Jian-hui，et al.SimulationandExperiment Research of Phovoltaic Generation SystemandItsIslanding[J].ActaSimulata Systematica Sinica，2005，17(12)：3085-3088(in Chinese).

[7]任奇，李永晨，唐敏，等.单极式光伏并网发电系统的仿真与实验研究[J].电力电子技术，2008，42(1)：27-29.

REN Qi，LI Yong-chen，TANG Min，et al.Simulation and Experiment of Unipolar PV Grid-connected Generation System [J].Power Electronics，2008，42(1)：27-29(in Chinese).

[8]陈雷，石新春，赵艳军，等.太阳能光伏并网系统中的孤岛效应仿真研究[J].灯与照明，2009，33(1)：59-62.

CHEN Lei，SHI Xin-chun，ZHAO Yan-jun,et al.The Island Effect Simulation Research in the Solar Grid-Connected PV System[J].Light and Lighting，2009，33(1)：59-62(in Chinese).

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

结合光伏并网系统逆变器的并网控制过程,分析了一种改进的正反馈频率漂移孤岛检测方法，详细阐述了该方法的原理和负载性质对其的影响，通过仿真分析表明所采用的孤岛检测方法的有效性，改进后的方法加快了检测速度，减少了检测盲区和对电力系统的谐波污染。

光伏并网；孤岛检测；正反馈；主动频移

1674-3814（2011）11-0041-05

TM712

A

2011-07-09。

刘观起（1956—），男，副教授，研究方向为电力系统分析、运行与控制；

游晓科（1985—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统分析、运行与控制。

（编辑 冯露）