一種有效的主動頻率偏移孤島檢測算法的研究

劉傳洋 ，劉景景

(池州學院，安徽池州247000)

0 引言

中小容量的分布式發電系統通過逆變器并網運行是最為常見的方式。逆變器并網運行時，若斷路器斷開，逆變器與RLC負載就構成了一個獨立的自給供電的“孤島”。

文獻［1、2］推導出正反饋AFD法孤島檢測盲區和無盲區的約束條件討論。文獻［3］對AFD法進行改進，提出了一種低諧波含量的孤島檢測方法。本文在AFD的基礎上，提出了一種改進算法，該方法實現簡單，可以實現檢測盲區小、逆變器并網電流THD低，有效降低對電能質量的不良影響，同時又能實現對孤島的快速檢測。

1 AFD孤島檢測的常用算法

主動頻移法(AFD)是一種較簡單的主動式檢測方法，通過偏移公共點處電壓的頻率作為逆變器輸出電流的參考頻率進行擾動來實現孤島檢測，該偏移量為固定值。圖1給出了并網逆變器的輸出參考電流及公共點電壓波形。

AFD法是在參考電流上引入零電流擾動 ，如圖1所示。在正常并網運行下，逆變器并網電流與電網電壓同頻同相，功率因數為1。逆變器發生孤島效應時，為了保持單位功率因數，逆變器的工作頻率趨向于負載的諧振頻率。附加的零電流擾動最終使得逆變器的工作頻率超出閥值，從而檢測出孤島的發生。電流的畸變取決于系統在每半個周期相位的變化，通過零電流擾動時間與逆變器的周期比來定義截斷系數Cf。在忽略諧波的情況下，AFD逆變器的輸出電流為:

圖1 AFD主動移頻法波形

其中逆變器輸出電流相角θAFD為:

電網斷電后，功率不匹配會導致負載電壓的幅值和頻率變化，最終導致逆變器公共耦合點電壓幅值或頻率超出閥值而檢測孤島發生［4］。當孤島發生時，逆變器的頻率根據以下公式變化:

帶正反饋的主動頻移孤島檢測法在AFD的頻率偏移基礎上引入正反饋，加速公共點電壓的頻率偏離正常值，使檢測盲區進一步減小。該方法下的逆變器輸出電流:

在電流中引入的相角θAFDPF可表示為

負載諧振頻率與形成孤島后系統頻率fis的函數關系:

式中，θinv為逆變器輸出電流相位角;Qf為本地負載品質因數。將過/欠頻保護裝置的動作頻率(50±0.5 Hz)代入即可得出基于負載品質因數Qf與諧振頻率f0坐標系的AFD檢測盲區圖。根據文獻［5］有

因此增大注入負載的無功功率將增大逆變器并網電流THD。

AFD法對于阻性負載可以快速檢測孤島的發生，但是如果擾動參數設置過小，則較容易出現漏檢;如果參數設置較大，雖可提高檢測效果卻降低電能質量。

2 新算法的提出

為了減小逆變器并網電流的THD，逆變器參考電流i(t)可以定義為:

式中，I為逆變器電流的幅值;ω為電網頻率;K為畸變因數。新電流波形如圖2所示。

圖2 逆變器電流波形圖

為了分析并網電流的諧波含量和相位，對逆變器新電流進行傅里葉級數分解得到以下系數:

式中，c1和φ1分別是逆變器并網電流的基波幅值和相位角。逆變器并網電流的THD和無功功率與有功功率比分別為:

利用公式(11)和(12)可以計算出任意畸變因數的并網電流的THD和無功功率有功功率比。例如采用新算法，當K=0.075時，經計算可得THD=3.42%，Q/P=5%;而采用 AFD法，Q/P=5%，THD同樣為5%。圖3給出了兩種方法下逆變器并網電流的THD和Q/P對比的曲線圖。

圖3 兩種方法的THD和Q/P對比圖

從圖中很明顯看出在Q/P取相同值時，新方法的THD要比AFD法的低。

主動頻移式孤島檢測方法的思想是:通過鎖相環(PLL)確定公共連接點電壓的頻率和相位，調整逆變器輸出電流的給定頻率，使電流頻率比公共點電壓頻率略高(或略低)。一旦電網失壓，公共點電壓的頻率會受電流頻率的影響而逐漸偏離原值，最終可能超過正常范圍，從而判斷出孤島。但是，系統在穩定時滿足如下條件:

電網失壓后，如果系統在沒有達到上述穩定條件時，發生過/欠頻時，則可以檢測孤島發生;如果沒有達到頻率閥值，則進入檢測盲區(NDZ)。圖4給出了坐標系Qf0×Cnorm下的正反饋AFD法和新算法的檢測盲區，從圖4中可以明顯看出新方法的檢測盲區要比正反饋AFD法小。檢測盲區可以通過修改參數減小，但是不能消除。

圖4 兩種算法檢測盲區圖

3 仿真分析

本文針對3 kW戶用光伏并網發電系統的孤島檢測用Matlab/Simulink進行了仿真，負載采用與逆變器輸出功率相匹配的RLC并聯負載。仿真時間設為0.6 s，電網斷開時間為0.2 s，公共點頻率上限設為50.5 Hz，下限為49.5 Hz。電網斷電后，孤島檢測算法必須在規定時間內檢測出孤島，確認孤島后封鎖逆變器。

圖5 兩種算法逆變器輸出電流波形

圖6 兩種算法公共點電壓頻率波形

圖7 兩種算法并網電流THD波形

圖5分別為采用AFD法和新方法的孤島檢測仿真逆變器輸出電流對比波形，圖6為兩種算法下的逆變器公共點頻率變化波形圖，圖7為兩種算法下的并網電流諧波含量(THD)波形圖，其中圖(a)為AFD法仿真波形，圖(b)為新算法仿真波形。從圖5、6的(a)可以看出AFD方法在仿真時間為0.5 s時，檢測耗時0.3 s時，公共點電壓頻率大于50.5 Hz，從而檢測孤島的發生。圖5、圖6的(b)為采用新方法的波形，從圖中可以看出新方法在仿真時間為0.3 s時，公共點頻率大于50.5 Hz，檢測到孤島的發生，檢測耗時0.1 s，從而封鎖逆變器。

圖7的(a)、(b)為兩種算法的并網電流的諧波分析波形，(a)圖為AFD法的并網電流THD為4.90%，(b)圖為新方法的并網電流的THD為3.55%。從仿真波形對比可以看出，新方法要比AFD法快速地檢測出孤島的發生，而且具有較小的THD。

4 結論

本文對主動頻移式孤島檢測算法進行了分析，針對AFD法檢測盲區大且并網電流THD大的缺點，立足減少孤島算法對電能質量的不良影響，提出一種改進的AFD孤島檢測算法。新算法實現簡單，能滿足孤島檢測標準的要求，適合在實際生產中推廣使用。

［1］劉芙蓉，康 勇.主動移相式孤島檢測的一種改進的算法［J］.電工技術學報，2010，25(3):172-176.

［2］廖政偉，廖 暉，呂征宇.帶正反饋的有源頻率偏移孤島檢測及盲區討論［J］.電力電子技術，2011，45(10):27-29.

［3］鄧燕妮，桂衛華.一種低畸變的主動移頻式孤島檢測算法［J］.電工技術學報，2009，24(4):219-223.

［4］De Mango F，Liserre M，Dell＇Aquila A，Pigazo A.Overview of Anti－ Islanding Algorithms for PV Systems.Part I:Passive Methods［C］.EPE － PEMC 2006，Portoroz(Slovenia).

［5］De Mango F，Liserre M，Dell＇Aquila A.Overview of Anti－ Islanding Algorithms for PV Systems［C］.Part II:Active Methods，EPE － PEMC 2006，Portoroz(Slovenia).