周期性擾動AFDPF方法在光伏并網系統孤島檢測中的應用*

張曉莉,薛家祥,崔龍斌,梁永全

(1.江西理工大學 機電工程學院，江西 贛州 341000；2.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640)

美國Sandia國家實驗室提供的報告指出,當電力公司的供電因故障或停電維修而跳脫時，各個用戶端的太陽能并網發電系統因不能即時檢測出停電狀態而將自身切離市電網路，而使電網局部負載仍處于供電狀態[1],即所謂的孤島效應(Islanding)。由于光伏發電系統與電網并聯工作，電網會因為故障、設備檢修或者操作失誤等原因停止工作，也就是說孤島效應是光伏并網發電系統中普遍存在的一個問題。因此準確、及時地檢測出孤島效應是光伏并網發電系統設計中的一個必須解決的關鍵性問題[2]。孤島效應檢測方法主要分為被動式和主動式兩種。被動式孤島檢測方法通過檢測逆變器的輸出是否偏離并網標準規定的范圍(如電壓、頻率或相位)判斷孤島效應是否發生。其工作原理簡單、實現容易，但在逆變器輸出功率與局部負載功率平衡時無法檢測出孤島效應的發生。主動式孤島檢測方法通過控制逆變器，使其輸出功率、頻率或相位存在一定的擾動。電網正常工作時，由于電網的平衡作用，這些擾動檢測不到。一旦電網出現故障，逆變器輸出的擾動將快速累積并超出并網標準允許的范圍，從而觸發孤島效應的保護電路。該方法檢測精度高、檢測盲區小，但是控制較復雜且降低了逆變器輸出電能的質量[3-4]。

本文結合1.5 kW非隔離型光伏并網逆變器，提出一種周期擾動帶正反饋的有源頻率漂移法（AFDPF）。該方法可有效避免因逆變器負載性質而導致檢測失敗的問題，提高了檢測速度，縮小檢測盲區。

1 孤島效應發生機理

圖1所示為光伏并網系統孤島問題研究的電網拓撲結構圖，光伏并網系統與負載連接,再通過投閘開關接到配電網絡,電網系統停止供電時就形成了孤島。

2 周期擾動AFDPF方法

2.1 AFDPF方法的提出

有源頻率擾動孤島檢測法具有檢測速度快、檢測盲區小的特點。該方法的檢測效果與擾動信號cf(Chopping Fraction)值大小有關：當孤島效應發生時，cf越大，系統對孤島效應檢測的效果越好，但是較大的cf會降低逆變器輸出電能的質量。因此如何選擇cf的大小，使其既能保證逆變器的輸出電能滿足并網要求，又不降低孤島效應的檢測效果成為有源頻率擾動法研究中的一個重要問題。

研究認為，有源頻率擾動法中，如果cf在±5%內時，逆變器輸出電能的諧波能夠滿足并網標準的相關要求且基本滿足孤島檢測的要求[5]。為了使系統更快地檢測出電網故障,提出了正反饋有源頻率漂移法 AFDPF(Active Frequency Drift with Positive Feedback)[6]，在 該 方 法 中cf滿足下式:

式中：cfk-1是逆變器上一個周期的擾動信號，cfk是本周期擾動信號，F(△Wk)是根據逆變器輸出電壓頻率的變化情況施加的反饋信號，cf的初始值選為5%，以保證逆變器輸出電能的質量。正反饋有源頻率漂移法的工作過程如下:

(1)電網正常時，由于逆變器輸出電壓的頻率不變，cf保持不變；

(2)當電網出現故障時，逆變器輸出電壓的頻率因擾動信號cf的作用與電網電壓的頻率產生誤差；

(3)由于F(△Wk)的反饋作用，逆變器下一個周期輸出電壓的頻率與電網電壓的頻率誤差更大；

(4)步驟(3)不斷重復，逆變器輸出電壓的頻率迅速上升，最后超出并網標準的要求。

與傳統的AFD方法相比，該方法提高了孤島效應發生時的檢測速度。當孤島現象發生時，逆變器的負載性質對逆變器輸出電壓的頻率有一定的影響。有源頻率擾動法中，無論傳統的AFD方法還是AFDPF方法，擾動信號cf均按一個方向對逆變器輸出電壓的頻率進行擾動。當電網發生故障且負載性質不同時，逆變器輸出電壓的頻率變化方向有可能與擾動信號方法相反，這會導致逆變器輸出電壓頻率誤差積累較慢從而延長孤島檢測時間。特殊情況下，負載對逆變器輸出電壓頻率的平衡作用會抵消頻率擾動的作用，這種情況下會出現孤島效應的漏判。

2.2 周期性擾動AFDPF方法

為避免因負載性質造成AFD孤島效應檢測方法效果下降，在原有AFDPF方法的基礎上提出了周期性擾動AFDPF孤島效應檢測方法。

2.2.1 工作原理

所謂周期性擾動AFDPF孤島效應檢測方法是指在電網正常工作情況下，周期性不間斷地對逆變器輸出電壓進行正反兩個方向的頻率擾動，以消除負載性質對單一頻率擾動方向的平衡作用。

圖2是周期性擾動AFDPF孤島效應檢測方法的控制原理框圖。圖中cf1、cf2是兩個不同方向的擾動信號分別等于 5%、-5%；△f1、△f2分別是施加擾動信號 cf1、cf2后，逆變器輸出電壓頻率與電網電壓頻率的誤差；fisland是并網標準規定的允許頻率。

圖2 周期擾動孤島效應檢測方法原理框圖

該方法工作時，cf1、cf2輪流對逆變器輸出電壓頻率進行擾動，并比較△f1、△f2的大小。當孤島效應發生時，選擇△f較大的擾動信號cf為基準，然后對其施加正反饋，如式(2)所示,其中 △cf為反饋信號。在此方法控制下，逆變器輸出頻率變化加快，從而在較短的時間內超出并網標準的規定，觸發保護電路，切斷電網與逆變器的連接。

2.2.2 工作過程

為了能夠更清楚地了解本方法的工作過程，下面以容性負載為例，描述該方法的具體工作過程(假設系統正常工作時電網突然停電):

(1)初始擾動信號cf1為5%:在外界的擾動下逆變器輸出電壓的頻率應增加，但由于容性負載會降低逆變器輸出電壓的頻率，因此逆變器輸出電壓的頻率變化低于擾動信號，即|△f1|＜|cf1|。

以上分析表明,采用周期性擾動AFDPF檢測方法后，當孤島效應發生時，對于任何性質的負載，逆變器輸出電壓的頻率總會出現明顯的變化，從而消除了采用固定方向cf有源頻率漂移法對負載的依賴性。同時，系統對產生頻率誤差較大的擾動信號cf施加正反饋使頻率誤差進一步擴大，從而縮小了檢測盲區，提高了孤島效應的檢測效果。

2.3 孤島檢測控制程序

采用周期擾動帶正反饋有源頻率漂移法(AFDPF)進行孤島檢測的程序流程圖如圖3所示。

3 非隔離型光伏并網逆變器孤島檢測測試

在1.5kW的非隔離型光伏并網逆變器中應用周期性擾動AFDPF方法進行孤島檢測實驗，得到的測試結果如圖4所示。當電網中斷供電時，光伏并網發電系統仍然向周圍的負載供電，從而形成一個電力公司無法控制的自給供電的孤島。根據UL1741/IEEE1547標準，一旦發生孤島效應，逆變器應在2 s內停止輸出。由孤島波形看出，完全達到了設計的要求。圖5給出了發生孤島時的電流瞬時波形，其中圖5(a)是小波分析儀采集到的孤島保護過程的電流瞬時波形，圖5(b)是經過小波濾波后的電流瞬時波形。由圖中可看出在幾個毫秒內逆變器已停止電流輸出。

通過分析孤島效應產生的機理，提出一種基于周期擾動AFDPF的方法對光伏并網發電系統的孤島效應進行檢測保護。并在1.5 kW的非隔離型光伏并網逆變器中進行了應用測試，實驗結果表明該方法可有效避免因逆變器負載性質而導致的檢測失敗的問題，提高了檢測速度，縮小檢測盲區。

[1]奚淡基.逆變器并網孤島測試技術的研究[D].浙江:浙江大學,2006.

[2]鄭詩程,丁明燈.光伏發電系統及其孤島效應的仿真與實驗研究[J].系統仿真學報,2005,17(12)：3085-3088.

[3]張純江,郭忠南.主動電流擾動法在并網發電系統孤島檢測中的應用[J].電工技術學報,2007,22(7):176-180.

[4]SMITH G A,ONIONS P A,INFIELD D G.Predicting islanding of grid connected PV inverters[J].IEE Proc.Electr.Power Appl.2000,147(1):1-6.

[5]陳建章.無差拍控制逆變器負載性質識別及參數估算方法[J].電力電子技術,1997,31(3):61-63.

[6]郭衛農,段善旭.電壓型逆變器的無差拍控制技術研究[J].華中理工大學學報，2000,25(6):30-33.