改进的正反馈主动频率偏移孤岛检测法研究

陈祥鹏 李田泽 李 倩 暴 敏 韩 涛

1.山东理工大学 电气与电子工程学院 山东 淄博 255049；

2.国网山东莱州市供电公司 山东 莱州 261400；

3.国网山东送变电工程公司 山东 济南 250000

随着光伏电源并网的不断增多，这将提高了电网及并网光伏电源对运行的安全性和可靠性的要求。当电力系统出现电气故障和误操作时，供电系统发生断电，并网光伏电源没有及时检测出供电系统的停电状态，难以与电网中断，使并网光伏电源和其周围的负载形成一个自给供电的孤岛，这就形成了孤岛效应［1］。 主动频率偏移法［2］（active frequency drift，AFD）较多应用在孤岛效应检测中。这种方法的检测精度比较高，无须添加任何硬件，盲区较小，但在不同负载条件下，检测结果会出现较大不同，严重时可能会出现孤岛检测失效［3］。为解决不同负载检测失效问题，本文对正反馈主动频率偏移法进行了修正，提出了一种新型AFD检测方法。

1 孤岛检测标准与特性分析

1.1 孤岛检测标准

目前并网光伏发电技术快速发展，国内外先后出现一些光伏发电并网技术的标准，并且规定并网发电装置的孤岛检测功能是必备条件之一。因为光伏并网的技术规范关系到配电网的运行，各个国家都会规范不相同的光伏发电并网标准，国际上对孤岛效应保护方案也没有提出明确的规定［4］，而我国在2005年发布了GB／T19939-2005并网光伏发电系统技术规范和要求，给我国的并网光伏发电系统提供了一系列满足我国电网的标准规范。表1为GB／T19939-2005标准规定的异常电压响应时间。

表1 异常电压的响应时间

1.2 孤岛效应的特性分析

下图1是按照光伏并网发电系统中的功率流向对孤岛效应的特性进行分析。

图1 并网光伏发电系统功率图

图1中，P、Q分别表示光伏系统产生的有功和无功功率；Pl、Ql分别表示负载所需的有功和无功功率；ΔP、ΔQ为供电系统中负载之间和光伏并网逆变器的有功和无功功率偏差［6］。

1）电网正常运行

由图1可知，在电网正常运行时，开关闭合。并网逆变器输出的有功P和无功Q的一部分提供并联RLC负载的用电，另外一部分输送到电网，则可以得到式（1）、（2）：

式中us、ωs分别为电网电压和其角频率。

2）电网停止运行

由图1可知，当电网停止运行时，因为并网逆变器的输出功率和负载功率之间存在巨大差异，因此PCC处的电压和频率变化很大，故只要检测PCC处的电压和频率就不难检测到孤岛效应的发生。为进一步研究PCC处电压和频率的变化，根据能量守恒定律可推出式（3）、（4）：

根据上面公式可得到：

由式（5）知，当电网工作停止时，光伏并网逆变器的有功和无功功率关系到PCC处电压和频率。

由图1可知，如果光伏发电系统输出的功率与负载需求的功率一致，即 P=Pl、Q=Ql，则 ΔP=0，当电网停止工作时，由式（1）、（3）可得 us=U，PCC 处的电压与电网电压相等，并且式（5）可解得

综上所述：当并网光伏发电系统中断并网工作时，如果系统的输出频率和电压与并网运行时没有发生变化，这就会使过压或欠压和过频或欠频保护出现失败的现象。所以，一定要采取主动式孤岛检测方法，即本文所用的主动式频率偏移法（Active Frequency Drift ，AFD）［7］。

2 AFD孤岛检测方法分析

2.1 AFD的检测原理

当正常工作时，光伏发电系统输出单位功率因数；当出现孤岛时，对孤岛检测点处施加一定的频率扰动，如图2所示，孤岛效应的检测过程是［8］：电流半波的初始时刻不变，对光伏发电系统输出的电流频率施加扰动，使其比上一周期公共点电压的频率略高（或略低），如果电流半波已到达零点而电压未到零点，则规定电流为零，并且一直到电压过零点，电流方能进行下个半波。

图2 PCC处输出电流给定信号与电压关系图

图2中t0表示在过零点时刻光伏发电系统输出电流的给定信号超前（或滞后）电网公共点过零点电压的时间间隔，并规定截断系数为：

用截断系数表示孤岛检测中进行频率扰动的强度。

AFD 法工作原理［9］如图 3所示。

图3 AFD孤岛检测方法控制原理

该系统控制光伏逆变器的输出，使电网的电压频率与其输出频率finv出现误差Δf，该误差在并网标准允许范围之内。在电网按规定进行工作时，因为锁相环电路带有矫正的作用，Δf波动范围较小，这时光伏逆变器工作正常。当电网发生故障时，针对光伏逆变器而言，在下个工频周期之内，系统将以finv为基准，然后加上设定的误差频率Δf去控制finv，从而导致Δf进一步增加。该过程不断重复，直至finv超出规定的并网标准，从而进行孤岛保护动作［10］。

2.2 改进型AFD孤岛检测

为提高孤岛检测速度，人们在AFD检测法基础上得出正反馈主动频率偏移法（Active frequency drift with positive feedback，AFDPF），该法显然提升了孤岛检测的速度，但是当对其施加正向扰动时，存在容性负载检测失效的问题。

由于正反馈主动频率偏移法中存在容性负载检测失败的现象，文章针对AFDPF提出了修正，提出双向正反馈主动频率偏移检测法。即对光伏逆变器电流的频率施加正反双向的扰动，使负载性质对单向扰动的平衡作用得以消除，如图4所示。

图4 双向AFDPF的控制原理框图

在该方法中cf满足下式：

在光伏逆变器输出的电流频率上施加扰动信号cf1和 cf2，施加扰动cf1和cf2前后电流频率的差值分别为 Δf1、Δf2。 然后对 Δf1、Δf2绝对值的大小进行比较。当电网出现孤岛运行时，对Δf1、Δf2绝对值的大小进行判断比较，选取其中绝对值较大者作为扰动的基准信号，从而正反馈积累扰动基准信号，然后会在短时间内超越标准频率的允许范围，断开光伏并网开关，孤岛效应检测成功。

通过正反双向对光伏逆变器的电流施加扰动，容性负载检测困难的问题得到合理地解决。在实际的电网中，各种故障和停电状况时常出现，电力负载的性质也是不确定的，改进孤岛检测法可以改善检测的效果，增加检测的成功率，减小检测失效的概率。

3 仿真分析

为验证改进型AFDPF的孤岛检测效果，本文通过MATLAB/Simulink仿真软件对孤岛检测系统进行仿真，并在此平台搭建模型对改进的AFDPF检测法进行仿真验证。 图 5 中的（a）、（b）、（c）为在MATLAB/Simulink环境下搭建的仿真模型。

图（c）中的AFD模块为孤岛检测算法的S函数模块，其输入为PCC点电压的相位和频率，经过AFD检测算法得到输出，输出信号经PID控制输入PWM Generator模块，产生四路脉冲控制信号，控制逆变器开关管与控制逆变器的输出电压和电流。

图5 AFD的MATLAB/Simulink仿真模型

初始截断系数cf0应该尽量小，同时k的增大能够有效减小检测盲区并加快检测速度，所以为了与传统的AFDPF检测法进行对比，在改进的AFDPF检测法中，分别在感性负载和容性负载条件下对该检测方法进行仿真验证，其仿真结果如下：

1）感性负载条件下，盲区外，检测成功，如图6（a）、（b）。

图6 改进的AFDPF检测法的感性负载仿真结果

2）容性负载条件下，盲区外，检测成功，如图7（a）、（b）。

图7 改进的AFDPF检测法的容性负载仿真结果

3）改进的检测法和传统的检测法的谐波失真度，如图 8（a）、（b）。

图8 改进AFDPF与传统AFDPF的THD对比图

4 结束语

本文提出的改进的AFDPF检测法具备了传统检测法检测效率高的优点，通过正反双向的扰动来解决单向扰动的不足，施加双向正反馈主动频率偏移检测后，改进AFDPF算法可以在感性负载和容性负载条件下都能迅速检测出孤岛，有效解决了扰动和负载特性之间的冲突，克服了检测失败的缺陷，改善了孤岛检测效果，减小了检测盲区，兼顾检测速度的同时减小了电流谐波的失真度，降低了扰动对电能质量的影响。

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

［2］魏明，康强.基于dq变换和正反馈的孤岛效应检测策略［J］.电测与仪表，2009，48（8）：5-8.

［3］朱铭炼，于正友，龚春英.一种新颖的主动移频式孤岛检测方法［J］.电力电子技术，2009，（11）.

［4］陈运运.光伏并网发电系统中MPPT及孤岛检测新技术研究［D］.南京：南京理工大学，2012.

［5］ GB／T 19939－2005，光伏系统并网技术要求［S］．2005.

［6］王武，蔡逢煌，郑必伟.正反馈有源频率扰动孤岛检测的一种改进算法［J］.电力电子技术，2012，46（2）：45-48.

［7］ Xuancai Zhu，Guoqiao Shen，Dehong Xu.Evaluation of AFD Detection Methods Based on NDZs Described in Power Mismatch Space ［J］.IEEE，2009，2733-2739.

［8］张超，何湘宁，赵德安.一种新颖的光伏并网系统孤岛检测方法［J］.电力电子技术，2007，40（2）：4-6.

［9］何军，赵钢.改进型主动式频率偏移孤岛检测算法分析［J］.电测与仪表，2013，50（3）：5-8.

［10］崔龙彬.3KW单相非隔离型光伏并网逆变器的研究［D］.南京：南京理工大学，2011.