改进SMS孤岛检测方法研究

袁 精， 丁 浩， 杨秋霞

(电力电子节能与传动控制河北省重点实验室， 燕山大学电气工程学院， 河北 秦皇岛 066004)



改进SMS孤岛检测方法研究

袁 精， 丁 浩， 杨秋霞

(电力电子节能与传动控制河北省重点实验室， 燕山大学电气工程学院， 河北 秦皇岛 066004)

滑模频率偏移法(SMS)能够消除特定负载品质因数以下的检测盲区且对电能质量影响较小，是应用较为广泛的主动式孤岛检测方法，但其检测速度受负载品质因数(Qf)的影响显著。本文针对传统SMS算法的这一缺陷，提出了一种改进型SMS算法，将传统SMS算法的正弦型相位偏移曲线修改为圆型相位偏移曲线，该方法避免了传统SMS算法中临界稳定状态的发生，消除了Qf≤2.5下的检测盲区，克服了传统SMS算法检测速度随Qf增大而迅速减慢的缺陷，提高了孤岛检测速度。仿真与实验结果进一步验证了该方法提高孤岛检测速度的有效性。

滑模频率偏移(SMS)； 孤岛检测； 品质因数(Qf)； 圆型相位偏移曲线

1 引言

随着世界范围内化石能源的枯竭以及对能源需求的增长，以新能源(太阳能、风能、燃料电池等)为微源的分布式发电系统(Distribution Generation system, DGs)引起人们的关注与重视[1]。并网逆变器作为连接分布式发电系统与电网的桥梁，能够将分布式微源发出的电能传送到电网[2]。分布式发电系统的非计划性孤岛(Unintentional Islanding, UI)能够引起电力系统中电气设备的损坏，威胁检修人员的生命安全，因此，孤岛检测是并网逆变器必须具备的功能[3-5]。

孤岛效应是指分布式微源未能检测到停电状态而持续向本地负载供电，形成一个自给自足的不受公共电网控制的独立发电系统[6]。基于并网逆变器的本地孤岛检测方法可分为被动式方法和主动式方法[7,8]。被动式方法无需注入额外的扰动，仅通过实时监测系统参数来判断孤岛的发生，具有实现简单、不影响电能质量的优点，但其存在较大的检测盲区，通常作为主动式方法的辅助手段[9]。主动式方法通过施加一定的扰动来迫使电力系统参数在断网后发生变化，在规定时间内达到孤岛保护阈值，从而触发孤岛保护。主动式方法虽影响电能质量，但其能够减小检测盲区而被广泛使用[10]。

滑模频率偏移法(Slip-Mode Frequency Shift，SMS)能够消除特定负载品质因数(quality factor，Qf)以下的检测盲区，并联运行时不存在稀释效应，注入的相位扰动对电能质量影响很小，是一种在实际应用中较为广泛的主动式孤岛检测方法[11]。研究发现，随着负载品质因数的增大，SMS算法的检测时间迅速增加甚至超出电网准则规定的2s。本文针对传统SMS算法的缺陷，对传统SMS算法做进一步改善，提高其孤岛检测速度，使其在高负载品质因数下能够快速、有效地检测到孤岛。

2 传统SMS算法原理分析

传统SMS算法通过在逆变器输出电流相位上施加一个与系统频率相关的函数，断电后此函数形成正反馈使PCC电压频率短时间内偏移至电网规定的范围之外，从而触发孤岛保护。传统SMS算法逆变器输出电流为：

(1)

式中，I为逆变器输出电流有效值；θ和θSMS分别为输出电流的初始相位和移相角，θSMS可表示为：

(2)

式中，fg和f分别为电网频率和PCC电压频率；fm为最大移相θm对应的频率。根据我国光伏并网标准合理设置参数可消除最恶劣情况Qf=2.5时的检测盲区，通常取fm-fg=3Hz，θm=11°。

孤岛形成后，PCC电压取决于逆变器输出电流和RLC负载，PCC电压可表示为：

(3)

式中，ALoad、θLoad分别为负载的幅频特性与负的相频特性(即相频特性取负)。

图1为不同Qf值对应的θLoad与θSMS随频率变化曲线。可以看出(以Qf=1时为例)，断网时刻系统工作于G点，由于G为不稳定工作点，因此频率在微小扰动作用下移向稳定工作点Y1或Y2，若此时系统频率在阈值外，则孤岛检测成功。因此，SMS算法成功检测到孤岛的充分必要条件为：

(1)断网后PCC频率持续单向变化并到达新的稳定工作点。

(2)稳定工作点频率f处于保护范围[fmin,fmax]之外。

图1 不同Qf值对应的θLoad与θSMS随频率变化曲线(传统SMS)Fig.1 Relationship between θLoad/θSMS and PCC voltage frequency with different Qf values (traditional SMS)

图2为传统SMS算法在不同Qf时的检测时长。可以看出传统SMS算法的检测速度受到Qf值的影响，随着Qf的增大其检测时长迅速增加，甚至检测失败。因此，需对传统SMS算法做进一步改善。

图2 传统SMS算法下不同Qf 值对应的频率变化曲线Fig.2 Frequency curves of traditional SMS with different Qf

3 改进SMS算法理论分析

本文针对传统SMS算法检测速度随Qf增大而降低的缺陷，提出了一种新颖的基于圆型相位偏移曲线的SMS算法，即将传统SMS算法的正弦型相位偏移曲线修改为圆型相位偏移曲线，如图3所示，因此对应的移相角θRSMS为：

(4)

式中，fgN为电网额定频率；r为圆半径(待求参数)。

图3 不同Qf值对应的θLoad与θRSMS随频率变化曲线(改进SMS)Fig.3 Relationship between θLoad/θRSMS and PCC voltage frequency with different Qf values (improved SMS)

相比传统SMS算法的正弦相位偏移曲线(图1中θSMS)，改进SMS算法的圆型相位偏移曲线在G点处的斜率为无穷大，避免了传统SMS算法随Qf增大时两曲线斜率在G点逐渐逼近的情况，不稳定工作点G点不会随Qf增大而趋近临界稳定点。断网后，系统会在微小频率扰动下迅速从电网频率处切出，向新的稳定工作点移动，从而使系统频率偏离允许范围而触发孤岛保护功能。因此，改进SMS算法在保持传统SMS算法优点的基础上，能够大大提高孤岛检测速度，避免检测速度随Qf增加而迅速减慢甚至失败的缺陷。

4 盲区分析及参数设计

4.1 盲区分析

本文所提方案进入检测盲区应满足两个条件：① 孤岛相位偏移曲线θRSMS(f)和负的负载相频特性曲线θLoad(f)的交点是稳定交点；② 交点对应的频率f处于[fmin,fmax]之内。用表达式可表示为：

(5)

式中，fo为负载谐振频率。

根据式(5)可得：

(6)

(7)

将式(7)中的fo看成以f为自变量的函数，并对f求导得：

(8)

由于式(9)成立：

(9)

可得：

(10)

根据式(6)和式(10)判断式(8)的正负情况，即

(11)

因此fo在区间[fmin,fmax]上是增函数，由式(7)可得：

(12)

式(12)即为本文所提算法的检测盲区，所对应的盲区图如图4所示(两曲线之间的部分为盲区)。

图4 改进算法的检测盲区图Fig.4 NDZ of improved SMS algorithm

图4中交点M的横纵坐标fM、QfM由式(13)决定：

(13)

解式(13)得(以下将θRSMS(fmax)和θRSMS(fmin)分别简记为θmax和θmin)：

(14)

4.2 参数计算

改进SMS算法在不同参数(待求参数r)下的孤岛检测盲区如图5所示。参数的选取对孤岛检测能力以及盲区大小都存在一定的影响：r越大检测盲区越小，但对电网的潜在不良影响增大。因此，在确保无盲区成功检测到孤岛的前提下，应通过合理的参数设置尽量减小引入的移相角，最大程度地降低对电能质量的影响。本文根据《光伏系统并网技术要求》规定[12]，将孤岛保护频率保护范围设置为[49.5, 50.5]Hz，求得本文算法的盲区两边界线的交点为：

(15)

图5 不同参数下改进SMS算法的检测盲区图Fig.5 NDZ of improved SMS algorithm with different parameters

为消除Qf≤2.5的检测盲区，并兼顾对电能质量的影响，将QfM=Qf=2.5代入式(15)并求得r=0.2525，对应的盲区如图5中曲线2所示。可见，改进SMS算法在Qf≤2.5下不存在检测盲区。

5 仿真与实验验证

5.1 仿真验证

为了验证本文所提改进方案的有效性及其在快速性方面的优势，采用Matlab/Simulink仿真软件对上述方案进行仿真验证，仿真参数设置如表1所示。

表1 系统仿真参数Tab.1 System specifications for simulation

系统在0.5s时发生孤岛效应，图6和图7分别为两种算法在Qf=2和2.5时的仿真波形(Ua为PCC处a相电压，Ia为逆变器输出a相电流)。由仿真结果可以看出，电网正常运行时，PCC电压频率均被电网电压钳制为50Hz。孤岛发生后，当Qf=2时，两种算法均能在规定的时间内触发孤岛保护。由于改进SMS算法在断网后其工作点更加不稳定，能够更加迅速地使频率从电网频率处切出，检测速度明显快于传统SMS算法。当Qf=2.5时，传统SMS算法在电网频率处处于临界稳定，在规定的2s时间内仅能使频率发生微小变化，无法成功检测到孤岛的发生；而改进SMS算法仍能快速从电网频率处切出，检测时长为85ms。

图6 传统SMS算法的仿真结果Fig.6 Simulation results of traditional SMS algorithm

图7 改进SMS算法的仿真结果Fig.7 Simulation results of improved SMS algorithm

图8 传统SMS算法的实验结果Fig.8 Experimental results of traditional SMS algorithm

综上所述，较之传统SMS算法，改进SMS算法凭借圆型频率偏移曲线在电网频率处切线斜率为无穷大的特性，电网断电后能够更加快速地检测到孤岛状态，保持了传统SMS算法的优点的同时，避免了其检测速度随负载品质因数增大而迅速降低甚至检测失败的缺陷。

5.2 实验验证

为进一步验证改进SMS算法在快速性方面的优势，本文利用ACLT-3845H孤岛检测设备配置谐振频率和负载品质因数：谐振频率为50Hz，Qf为2和2.5两种情况，并在三相并网逆变器上进行实验验证。实验参数如下：直流母线电压为270V，电网电压为120V/50Hz；逆变器输出电流为5A。实验结果如图8～图10所示。

图9 改进SMS算法的实验结果Fig.9 Experimental results of improved SMS algorithm

图10 改进SMS算法在r=0.2515时的实验结果Fig.10 Experimental results of improved SMS algorithm with r=0.2515

从实验结果可以看出，在Qf=2时，两种算法均能在规定时间内成功检测到孤岛状态。比较图8和图9可以发现，改进SMS算法切出电网频率处的速度更快，其检测时间更短。随着Qf的增大，当Qf=2.5时，传统SMS算法无法在规定的时间内检测到孤岛，而改进SMS算法检测时间虽然随Qf的增大而减慢，但仍能在规定的时间内成功检测。

图10为r=0.2515时的实验结果。可以看出，孤岛发生后，频率虽然迅速发生偏移，但最终趋近于某一频率值，频率向上偏移小于0.5Hz，不会触发孤岛保护，因此，参数r=0.2515位于检测盲区。理论分析与仿真、实验结果一致。

6 结论

本文在分析传统SMS算法原理的基础上，为克服其固有缺陷，提出了一种改进型SMS算法。该算法利用圆型偏移曲线替代传统SMS算法的正弦相位偏移曲线，根据圆型曲线在电网频率处切线的斜率为无穷大的特性，使PCC电压频率在电网断电后快速切出电网频率，从而快速检测到孤岛的发生。改进SMS算法在保持了传统SMS算法对电网质量影响小、无盲区且易实现的优点的基础上，克服了传统SMS算法在高品质因数时检测速度明显降低甚至失败的缺陷。仿真和实验结果对改进SMS算法进行了有效的验证。

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Research on improved SMS islanding detection method

YUAN Jing, DING Hao, YANG Qiu-xia

(Key Laboratory of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province， College of Electrical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China)

Slip-mode frequency shift method can eliminate the load detection blindness below the certain quality factor and has small impact on power quality. So the SMS method is widely used. However, the detection speed of the SMS method was significantly affected by load quality factor. Aiming at the defects of traditional SMS algorithm, this paper proposes an improved algorithm of SMS, in which the sinusoidal phase shift curve used by traditional SMS algorithm is replaced by round phase shift curve. The improved SMS algorithm avoids the critical stable state happened in traditional SMS algorithm, eliminates the load detection blindness withQf≤2.5, overcomes the drawback of the traditional SMS that the islanding detection speed rapidly slowing as the load quality factor increases, and improves the islanding detection speed. Simulation and experimental results further verified the effectiveness of the proposed SMS algorithm in improving the islanding detection speed.

slip-mode frequency shift (SMS); islanding detection; quality factor (Qf); round phase shift curve

2016-06-28

河北省自然科学基金项目(E2016203092)、 秦皇岛市科学技术研究与发展计划项目(201602A001)

袁 精(1989-)， 女， 山西籍， 助理实验师， 硕士， 研究方向为电力电子变换与新能源； 丁 浩(1985-)， 男， 山东籍， 博士研究生， 研究方向为电力电子变换与分布式发电控制。

10.12067/ATEEE1606054

1003-3076(2017)07-0051-06

TM46