基于AFD的微电网孤岛检测新方法

李金懋，李林扬

(1.黑龙江工业学院 电信系，黑龙江 鸡西　158100；　2.国网新源控股有限公司潘家口蓄能电厂，河北 唐山　064309)

基于AFD的微电网孤岛检测新方法

李金懋1，李林扬2

(1.黑龙江工业学院 电信系，黑龙江 鸡西158100；2.国网新源控股有限公司潘家口蓄能电厂，河北 唐山064309)

摘要：随着微电网技术的不断发展和广泛应用，计划外孤岛运行故障出现的可能性也就增加了。计划外孤岛运行状态可能对人身安全和设备寿命造成危害，只有及时应对才能避免不良状况的发生。传统的主动频率偏移法，当施加的扰动注入到大电网时，检测盲区由总谐波失真决定。针对传统方法的这一缺点，提出一种新的电流扰动注入方法。应用此方法可以减少系统的总谐波失真量，且检测盲区被改善，检测速度被提高。在Matlab/Simulink环境下建立了系统模型，对提出的新方法进行了仿真，并详尽地分析了试验结果。

关键词：微电网；孤岛检测；主动频率偏移法；总谐波失真；检测盲区

作者简介：李金懋，硕士，助教，黑龙江工业学院。研究方向：现代电力电子技术在电力系统中的应用。

文章编号：1672-6758(2015)11-0064-4

中图分类号：TM71

文献标识码：标识码：A

Abstract：With the development and application of the micro-grid technology, the possibility of the unplanned islanding operation is also increased. The status of the unplanned islanding operation may have a danger to the personal safety and the life of the equipment. In order to avoid the occurrence of adverse conditions, we should promptly responding to this phenomenon. Active Frequency Drift (AFD) is the representative of active anti-islanding detection method. When the large power system is injected into the disturbance, the non-detection zone of the traditional active frequency drift method is determined by the total Harmonic Distortion (THD). In order to solve the shortcoming of the traditional AFD method, a new current perturbation injection method is proposed in this paper. The total harmonic distortion can be reduced by using this method, and non-detection zone is improved, the detection rate is increased. This paper builds a system modeling and makes a simulation for the proposed method by using Matlab/Simulink. Finally, the results of the experiment are analyzed in detail.

微电网是由一组分布式电源、负荷、储能系统和控制装置构成的单一可控的独立发电系统。[1]相对传统大电网，微电网具备安全、可靠、高效、经济的特点。如果说能源互联网是一个生命体，微电网就像能源互联网中不可或缺的毛细末梢一样，它的作用是尽可能的消耗由可再生分布式电源产生的电能。[2]微电网的大力发展在一定程度上加快了我国向资源节约型、环境友好型社会转变。

微电网与大电网并网运行时，微电网对内是一个单一可控系统，对外可视为一个整体。公共连接点(Point of Common Coupling,PCC)把微电网与大电网连接在一起。微电网中可以包含多种分布式电源(Distributed Generation,DG)，如可再生能源：风能、太阳能等；非可再生资源：微型汽轮机等。同时微电网还可以为用户提供供热或制冷服务。可再生能源被充分利用，能源的梯级利用体现得淋漓尽致。

微电网系统有与大电网并网运行和孤网运行两种模式。孤网运行可分为计划内的孤岛运行和计划外的孤岛运行。[3]计划外的孤网运行模式是指系统检测到大电网故障或电能质量不达标时，微电网脱离大电网的运行方式。如果检测不及时，微电网会继续为所带负载供电，相关电路的电压、频率、相位会发生改变，可能对线路维修人员的人身安全和设备使用寿命造成危害。分布式电源并网标准IEEE Std.929-2000和IEEE Std.1547标准中规定，逆变器应具有反孤岛检测装置。[4-5]

本文提出一种基于主动频率偏移法(Active Frequency Drift,AFD)的新的扰动注入方法。运用此扰动波形进行孤岛检测时，系统产生的总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)较小，检测盲区得到进一步改善，提高了微电网并网系统的安全性和可靠行。

1主动频率偏移法概述

主动频率偏移方法是基于对逆变器的原始参考电流，注入一个电流波形扰动，发生孤岛现象时来促使频率偏移来检测孤岛运行的方法。[6]

图1　主动频率偏移法孤岛检测波形

如图1所示，逆变器输出死区时间tz的存在，促使电流基波分量的相角发生移动。电流被强制置零的时间为死区时间tz，斩波系数为cf，它与电网电压Ug、周期Tu存在如下关系：

cf=2tz/Tu

(1-1)

扰动电流波形的频率为f '。它与斩波系数cf和电网频率f之间的关系为：

(1-2)

根据图2可以写出传统AFD电流扰动波形I0，采用分段函数可表示为：

(1-3)

由图1可知，死区时间tz越大，斩波系数越大，斩波系数确定了对电网频率f产生的偏移量。

并网系统正常工作时，大电网的包容性使输出电流与电网电压保持同步，逆变器通常工作在单位功率因数状态。孤岛发生时，所施加的电流扰动将产生一个定向、平稳的偏移，为保持逆变器单位功率因数工作状态，频率会向负载谐振频率变化，直至频率超过孤岛检测算法中设置的界限，孤岛现象被检出。

采用传统AFD法进行孤岛检测时，如所接负载为RLC负载，则发生孤岛现象时负载频率将根据下式变化[7]：

arg[R-1+(jωL)-1+jωC]-1=0.5πcf

(1-4)

当所接负载为阻感性负载时，使用传统AFD法特别有效，但是对一些RLC并联负载呈现出一个较大的检测盲区。为了解决这一问题，后续出现了很多改进的AFD方法，其中最具代表的是正反馈的AFD法。[8]这种方法改善了系统在接各种负载时的检测盲区，但随之引入一个较高的THD，电能质量受到影响，这是用户不希望发生的。

1.1 对孤岛检测参数关系的分析。

孤岛检测失败通常发生在逆变器的输出功率与本地负载消耗的功率平衡的情况下。通常用无功功率不匹配量ΔQ与频率限值之间的比值来反应孤岛检测方法的有效性，其关系如下[9]：

(1-5)

其中：P为有功功率，f为电网频率，fmin为欠频限值，fmax为过频限值，Qf是品质因数。

(1-6)

由有功功率、无功功率关系可得：

(1-7)

等式(1-7)给出了由扰动电流波形产生的无功功率与基波相角之间的关系。AFD方法中，扰动施加给电流，这促使电流基波分量偏移了相角φ1。由文献[10]可知传统AFD方法Q/P=THD。因此可以通过向负载增加无功注入来减小检测盲区，但这种方法会导致电流波形THD的增加。

1.2 主动频率偏移法中THD的问题。

在使用AFD法时，电流波形的THD和斩波系数cf之间呈近似的线性关系，可以认为是一对 “强相关”，一般而言，斩波系数越大，检测盲区越小，总谐波失真越高。

为了保证检测的准确性，cf应尽可能的大，这也将导致电流波形THD的增大。电网规定系统的THD最大值不能超过5%，变相给出了传统AFD法的cf最大取值。

从图2所示的逆变器引入频率偏移的扰动电流波形可以看出：注入的电流扰动在参考电压波形的整个周期内都存在，这会导致系统产生较高的低频谐波。找到一种新的电流扰动方式来减少系统的THD，并且改善检测盲区是我们现在的首要工作。

2基于AFD的孤岛检测新法

一个突变扰动同样可以使基波分量产生相角偏移，采用此种扰动代替一个平缓电流扰动，获得必要的相角偏移的同时，还可以产生更小的THD。下面的章节将对改进后的波形进行分析，并与传统AFD法进行比较。

2.1实际应用扰动波形。

初次改进的波形[11]存在一个缺点：电流过零次数增加，且改变快速，这在实际工程中是很难实现的，电流控制器不允许这种现象的产生。因此，一个微小的改变被引入初次改进后的波形，来消除过零点次数。同样以扰动施加在第二个和第四个四分之一处为例，改进后实际的电流扰动和其参考波形为图2。

由图2可以获得实际扰动波形的表达式为：

(2-1)

图2　实际应用扰动波形

其中：I是电流幅值，ω是电网频率，K是扰动因数，α=arcsin(K)。为了更好地分析谐波分量和改进后波形的相角，对基波分量进行傅里叶分解，[12]计算出傅里叶系数和电流有效值：

(2-2)

(2-3)

(2-4)

(2-5)

因为扰动系数比较小(K≤0.1)，所以K2≤1，可以忽略不计。另外，根据等阶无穷小的相关知识有，当K为一个很小的值时有：arcsin(K)≅K。由以上两个近似，可得：

(2-6)

(2-7)

(2-8)

(2-9)

其中：A1，B1分别是基波余弦分量和正弦分量的系数，φ1是基波的相位角，I1是基波的幅值。

根据电流有效值的计算公式可得：

(2-10)

根据电流波形的总谐波失真(THD)计算公式可得：

(2-11)

根据式(1-7)，(2-6)，(2-7)，(2-8)可以计算出改进后波形Q/P的比值：

(2-12)

由式(2-11)和式(2-12)，可以计算出不同扰动系数时THD和Q/P的值。仿真结果显示：传统AFD法，当Q/P=5%时，系统的总谐波失真为5%；采用新的扰动方法，当Q/P=5%时，系统的总谐波失真为3.42%。系统总谐波失真降低了30%。

通过以上分析所得结论如下：

(1)无论Q/P为何值，采用新方法系统产生的总谐波失真量都比传统AFD法少；

(2)当Q/P为定值时，即新方法与传统AFD法对系统产生影响相同时，采用新方法的系统总谐波失真量减少了近30%；

(3)传统AFD法受到Q/P=THD的限制，THD取最大的允许值5%时，Q/P≈5%，注入无功功率量相对较少；而采用新方法时，如THD取最大的允许值5%，Q/P≈7.4%，K≈0.108，无功功率注入量增长了近50%，这将更加有利于非计划孤岛现象的检测。

2.2 新方法的检测判据分析。

采用新方法的扰动波形检测RLC并联负载系统，孤岛现象一旦发生，公共连接点的频率将向谐振频率发生改变。这种持续改变直到负载相角与基波偏移角φ1相等才会停止，如果这时的频率超出限值，孤岛现象即被检测出，否则就会进入检测盲区。整理式(1-4)(2-8)和(2-12)，获得新方法的相角判据为：

arg「R-1+(jωL)-1+jωC」=tan-1[2K/(π-2K)]

(2-13)

3仿真结果分析

为了证实新方法的可行性、有效性，在Matlab/Simulink环境下，建立了微电网并网系统的仿真模型。仿真主电路如图3。分别对带有过/欠电压，过/欠频率的传统AFD和新方法进行了仿真。系统参数如下：电网电压220V，频率50Hz，逆变器开关频率10kHz，品质因数2.5，负载电阻48.4Ω，负载电感61.66Mh，负载电容164.5μF，功率1kw。

图3　微电网并网系统模型

3.1扰动波形仿真。

传统AFD斩波系数cf=0.046与新方法扰动系数K=0.75两种情况下两者有相同的Q/P值。分别对两种扰动波形进行仿真，分析其总谐波失真，仿真结果证明：传统AFD电流波形的THD值为4.88%，新方法电流波形的THD值为3.43%，THD降低30%，验证了所推导公式的正确性。

3.2 接相同负载时，两种方法的仿真比较。

传统AFD算法斩波系数cf为0.046与新算法扰动系数K为0.105两种情况下扰动波形对电网的影响基本相同(产生的THD相等)。分别对两种方法进行仿真，其中电网断路器在0.06s时打开，来模拟大电网掉电；所接负载为品质因数Qf=2.5的RLC并联负载。

采用传统AFD方法在检测孤岛现象时，检测失败，逆变器持续为负载提供电能超过国际标准规定的两秒限值，其仿真结果如图4所示。

图4　传统AFD,斩波系数cf=0.046时孤岛检测仿真结果

采用新算法在检测孤岛现象时，检测成功，过频继电器在9个周期时动作，公共点的频率超出限值，孤岛现象被检测，其仿真结果如图5所示。

图5　改进AFD,扰动系数k=0.105时孤岛检测仿真结果

4结论

本文研究的是一种基于AFD的微电网孤岛检测新方法，主要对传统AFD方法的扰动波形进行了改进。采用傅里叶分解的方法对新方法扰动波形进了分析：确定了新方法的扰动判据；定义了扰动系数K；比较了相同情况下，传统AFD与新方法的系统总谐波失真量。

仿真结果证明：扰动波形注入系统以后，如果传统AFD法与新方法具有相同的Q/P，新方法的总谐波失真量要比传统方法减少30%；如果传统AFD法与新方法具有相同THD，同时接品质因数为2.5的RLC并联负载进行仿真时，传统方法检测失败，新方法检测成功；新方法检测速度快，检测盲区进一步得到改善。

参考文献

[1]李富生，李瑞生，周逢权．微电网技术及工程应用[M]．北京：中国电力出版社，2012.

[2]周勤，王靖．中国微电网的价值机遇[EB/OL]．能源网-中国能源报，2014.

[3]张建华，黄伟．微电网运行、控制与保护技术[M]．

北京：中国电力出版社，2010.

[4]IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems. IEEE Standard 929-2000.

[5]IEEE Standard Conformance Test Procedures for Equipment Interconnecting Distributed Resources With Electric Power Systems, IEEE Standard 1547.1-2005.

[6]王立乔，孙孝峰．分布式发电系统中的光伏发电技术[M]．北京:机械工业出版社，2010.

[7]Ropp M E, Begoviv M, Rohatgi A. Determining the relative effectiveness of islanding detection methods using phase criteria and non-detection zones. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2000.

[8]M. E. Ropp, M. Begovic, A. Rohatgi. Analysis and performance assessment of the active frequency drift method of islanding prevention. IEEE Transactions on Energy Conversion. IEEE Trans. Power Delivery, 1999.

[9]Z. Ye, A. Kolwalkar, Y. Zhang, P. Du, and R. Walling, “Evaluation of anti-islanding schemes based on nondetection zone concept”, IEEE Trans. Power Electron. 2004.

[10]Y. Jung, J. Choi, B. Yu, G. Yu, and J. So. A novel active frequency drift method of islanding prevention for the grid-connected photovoltaic inverter. 2005.

[11]李金懋，霍春宝.一种改进的主动频率偏移法[A]．中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会论文集[C].2013.

[12]George J. Wakileh. Power systems harmonics:fundamentals, analysis and filter design，2011.

A New Method of Micro-grid Islanding Detection Based on AFD Algorithm

Li Jinmao1, Li Linyang2

(1.Heilongjiang University of Technology, Jixi, Heilongjiang 158100,China；

2.The State Grid Xin Yuan Holdings Lt. Panjiakou Pumped Storage Power Plant, Tangshan, Hebei 064309，China)

Key words：Micro-grid; islanding detection; active frequency drift; total harmonic distortion; non-detection zone

Class No.:TM71Document Mark：A

(责任编辑：宋瑞斌)