張瑞葉1，張少如1，王平軍1，王朋強(qiáng)2

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一種新的主動(dòng)孤島檢測(cè)法

張瑞葉，張少如，王平軍，王朋強(qiáng)

（1.河北師范大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，河北 石家莊 050024； 2.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387）

孤島的發(fā)生不僅會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)設(shè)備損壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)威脅電力系統(tǒng)維修人員的生命安全等一系列問(wèn)題。因此，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)必須具備孤島檢測(cè)功能，以保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。傳統(tǒng)的AFD（Active Frequency Drift）檢測(cè)方法在不同的負(fù)載下，檢測(cè)效果不同，對(duì)純阻性負(fù)載檢測(cè)效果比較好。盡管科研工作者提出了基于反饋調(diào)節(jié)、周期性擾動(dòng)的AFD法，可以減少THD，但同時(shí)減慢了檢測(cè)速度。鑒于此，提出了一種基于新型的擾動(dòng)方式的孤島檢測(cè)方案，比傳統(tǒng)的AFD檢測(cè)方法諧波低，盲區(qū)小，檢測(cè)速度更快，具有很高的實(shí)用價(jià)值。Matlab/Simulink仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法比傳統(tǒng)的AFD檢測(cè)方法更具有優(yōu)勢(shì)。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)；孤島；主動(dòng)法；擾動(dòng)；諧波

0 引言

并網(wǎng)光伏發(fā)電固然可以緩解用電壓力，但是孤島效應(yīng)帶來(lái)的危害不容忽視。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，至少采用主動(dòng)孤島檢測(cè)法和被動(dòng)孤島檢測(cè)法各一種。被動(dòng)檢測(cè)法的盲區(qū)大，主動(dòng)檢測(cè)法通過(guò)干擾的方式可以有效減小盲區(qū)，但同時(shí)也帶來(lái)了較大的諧波，降低了電能質(zhì)量。為了降低諧波畸變率（Total HarmonicDistortion，THD），國(guó)內(nèi)外研究者提出了改進(jìn)型AFD（Active Frequency Drift）法，這些方法雖然在一定程度上減少了諧波，但是卻以檢測(cè)速度為代價(jià)。本文提出的方案不僅比傳統(tǒng)AFD檢測(cè)方案諧波低，降低了對(duì)電能質(zhì)量的影響，而且檢測(cè)速度快，還可以進(jìn)一步縮小檢測(cè)盲區(qū)。

1 傳統(tǒng)AFD檢測(cè)原理

對(duì)于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有

傳統(tǒng)的AFD檢測(cè)法通過(guò)注入諧波電流來(lái)改變輸出電流的頻率，使電流頻率產(chǎn)生固定的偏移，電流波形如圖1所示。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由于公用電網(wǎng)的鉗制作用，電流頻率的偏移不會(huì)使系統(tǒng)電壓產(chǎn)生偏移，逆變器輸出電流處于與電網(wǎng)電壓同步工作的狀態(tài)；孤島時(shí)，公用電網(wǎng)停電，不再對(duì)系統(tǒng)起鉗制作用，逆變器輸出電流不再與電網(wǎng)電壓同步工作，電流頻率的偏移促使電壓頻率產(chǎn)生偏移，當(dāng)頻率超出閾值范圍時(shí)，則觸發(fā)孤島保護(hù)。如圖1所示為AFD法電流波形，圖1上圖為初始參考電流波形，為注入諧波電流波形；圖1下圖為注入諧波電流后的電流與初始參考電流的波形對(duì)比。時(shí)間決定了擾動(dòng)深度的大小。為AFD電流的周期，為參考電流的周期。

圖1AFD法電流波形

則斬波率為

AFD法的參考電流波形為

傳統(tǒng)的AFD孤島檢測(cè)法原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)控制，比被動(dòng)檢測(cè)法盲區(qū)小，可靠性更高，比外部孤島檢測(cè)法造價(jià)低，對(duì)于純阻性負(fù)載檢測(cè)效果好，但是AFD法帶來(lái)的諧波較大，如果減少擾動(dòng)深度，諧波也隨之降低，但是檢測(cè)速度降低了，并且增加了檢測(cè)盲區(qū)。

2 新主動(dòng)法原理

新主動(dòng)法采用了與傳統(tǒng)的AFD法不同的擾動(dòng)方式，其電流波形如圖2所示。圖2上圖為初始參考電流與注入諧波電流的電流波形，圖2下圖為注入諧波電流后的電流與初始參考電流的波形對(duì)比。為新主動(dòng)法參考電流與初始參考電流的相位差。為新主動(dòng)法電流的周期，為初始參考電流的周期。

圖2 新主動(dòng)法電流波形

在新主動(dòng)法下，參考電流波形為

該方法通過(guò)移相的辦法來(lái)移頻，不但改變了電流的頻率，而且電流波形沒(méi)有發(fā)生畸變，每半周都是正弦波形，由于電流幅值的變化對(duì)諧波的影響很小，那么該方法的諧波可近似計(jì)算：

將式（4）展開(kāi)為傅里葉級(jí)數(shù)：

（7）

（8）

所以，由式（7）、式（8）可得

（10）

由文獻(xiàn)[7]可知，對(duì)于AFD法有

那么，當(dāng)兩種方法注入電網(wǎng)的無(wú)功均為7.5%時(shí)，新主動(dòng)法注入電網(wǎng)的為2.4%，而AFD法注入電網(wǎng)的為7.5%，新主動(dòng)法比AFD法諧波降低68%之多；當(dāng)兩種方法的諧波均為2.4%時(shí)，新主動(dòng)法注入電網(wǎng)的無(wú)功為7.5%，AFD注入電網(wǎng)的無(wú)功為2.4%，所以新主動(dòng)法的檢測(cè)盲區(qū)比AFD法小。

3 仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 仿真結(jié)果

本文對(duì)220 V單相、小容量供電系統(tǒng)，用Matlab/Simulink進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)中國(guó)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，電壓偏差的限制為標(biāo)稱電壓的+7%、-10%，容量較小時(shí)，頻率的偏差為0.5 Hz，并在2 s內(nèi)檢測(cè)出來(lái)，注入電網(wǎng)電流的總諧波畸變率不超過(guò)5%。測(cè)得系統(tǒng)的有功為4.585 kW，無(wú)功為47 VA，=10.55，品質(zhì)因數(shù)取2，諧振頻率為50.2 Hz。

由于AFD孤島檢測(cè)法的檢測(cè)盲區(qū)隨著系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)的增加而增大，故本文在仿真時(shí)將電路的品質(zhì)因數(shù)調(diào)成2，諧振頻率為50.2 Hz。仿真時(shí)間均設(shè)為3 s，公用電網(wǎng)在0.7 s斷開(kāi)。為了驗(yàn)證該方法諧波低、檢測(cè)速度快的優(yōu)點(diǎn)，本文將該方法與傳統(tǒng)的AFD法進(jìn)行了對(duì)比。

圖3 傳統(tǒng)AFD仿真電流波形

圖4 新主動(dòng)法仿真電流波形

傳統(tǒng)的AFD孤島后2.24 s才檢測(cè)出孤島，檢測(cè)時(shí)間超出了規(guī)定時(shí)間2 s，檢測(cè)失敗。而新主動(dòng)法在孤島后60 ms內(nèi)檢測(cè)出孤島，可見(jiàn)本文提出的新主動(dòng)法相對(duì)于傳統(tǒng)AFD檢測(cè)法盲區(qū)更小。傳統(tǒng)的AFD若要成功檢測(cè)孤島，必須增大斬波率，那么也隨之增大。

圖5AFD法檢測(cè)結(jié)果

圖6 新主動(dòng)法檢測(cè)結(jié)果

圖7時(shí)，AFD法的THD

圖8時(shí)，新主動(dòng)法的

Fig. 8of the proposed method when

由圖11、圖12可知，AFD法諧波增至3.36%，而新主動(dòng)法的僅為2.91%，低于傳統(tǒng)AFD法。由此可見(jiàn)，新主動(dòng)法與傳統(tǒng)的AFD法相比，不僅檢測(cè)速度快，而且諧波也低。

圖9 AFD法檢測(cè)結(jié)果

圖 11=0.08時(shí)，AFD法的THD

圖12 =0.08時(shí)，新主動(dòng)法的THD

Fig. 12of the proposed method when=0.08

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文用太陽(yáng)能電池板模擬器模擬直流源，設(shè)定功率為1.5 kW，直流電壓360 V，測(cè)得輸出無(wú)功約為0.27 kW。用電網(wǎng)模擬器作為電網(wǎng)。負(fù)載為RLC并聯(lián)可調(diào)負(fù)載。

在孤島檢測(cè)之前現(xiàn)將系統(tǒng)調(diào)至諧振狀態(tài)，諧振后電流約為原來(lái)的1%左右，孤島后電流變?yōu)?。示波器測(cè)量的是逆變器與電網(wǎng)之間公共點(diǎn)，孤島后，電網(wǎng)斷開(kāi)，電網(wǎng)與逆變器之間的電流為0，但是由于逆變器仍正常運(yùn)行，此時(shí)電壓不為0，孤島檢測(cè)成功即逆變器停止后，示波器中電壓也變?yōu)?，那么電流變?yōu)?至電壓變?yōu)?之間的時(shí)間段即為孤島檢測(cè)時(shí)間。

當(dāng)兩種方法產(chǎn)生的諧波均為5%時(shí)，其檢測(cè)結(jié)果如圖13和圖14所示。圖13為AFD法的檢測(cè)結(jié)果，如圖所示孤島后，電流完全為零，檢測(cè)時(shí)間超過(guò)2 s電壓仍在正常范圍，說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行在孤島狀態(tài)，故AFD法檢測(cè)失敗。如圖14所示新主動(dòng)法的檢測(cè)結(jié)果，孤島后，電流完全變?yōu)?，0.5 s內(nèi)電壓降為0，逆變器停止運(yùn)行，該方法成功檢測(cè)出孤島。

圖13 AFD法檢測(cè)結(jié)果

圖14 新主動(dòng)法檢測(cè)結(jié)果

從仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，在相同的條件下，本文提出的主動(dòng)法要比傳統(tǒng)的AFD法更具有優(yōu)勢(shì)，檢測(cè)時(shí)間更短，諧波更低，由于仿真環(huán)境是理想環(huán)境，沒(méi)有干擾，也不考慮電路之間的干擾及元器件的影響，所以檢測(cè)時(shí)間較快，然而在實(shí)際試驗(yàn)中的檢測(cè)速度稍慢，如圖14所示。

4 結(jié)論

AFD檢測(cè)法是一種有效的主動(dòng)孤島檢測(cè)法，但是該方法帶來(lái)的諧波較高，若要降低諧波，檢測(cè)速度就會(huì)降低，盲區(qū)也隨之增大，雖然改進(jìn)的AFD法在一定程度上進(jìn)行了改善，但是諧波仍然較高，或者以檢測(cè)速度為代價(jià)。本文提出的新主動(dòng)法與傳統(tǒng)的AFD檢測(cè)法相比，采用了不同的擾動(dòng)方法，可以在有效減小諧波的同時(shí)，快速檢測(cè)出孤島，并減小了檢測(cè)盲區(qū)。故本文提出的新主動(dòng)法對(duì)現(xiàn)有的孤島檢測(cè)方法的改良具有理論和實(shí)際意義。

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A new active island detection method based on a novel disturbance way

ZHANG Rui-ye, ZHANG Shao-ru, WANG Ping-jun, WANG Peng-qiang

(1. College of Physics Science and Information Engineering, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050024, China; 2. College of Electrical Engineering and Automation, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

The happening of the island will bring people not only a serious security threat, but also a series of problems, like leading to a damage of system equipment. Therefore, photovoltaic grid power system must be equipped with the islanding detection function to ensure the safety of the power grid. The traditional AFD’ detecting effects is different under different loads, and it’s good for the impedance load. Although the improved AFD based on feedback adjustment or periodic disturbance proposed by former researchers can reduce the THD, the detecting speed slowed down at the same time. In view of this, this paper proposes a new active island detection method based on a novel perturbation way, it has the lower THD, the smaller blind area and the more faster detecting speed compared with the traditional AFD, so it has a high practical value. Matlab/Simulink simulation and the experiment results show that the new method is better than the traditional AFD.

grid-connected photovoltaic power generation system; islanding; active method; disturbance; harmonic

TM615

A

1674-3415(2014)15-0074-06

2013-10-05；

2014-05-27

張瑞葉（1988-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)；E-mail：ruiyezhang@126.com

張少如（1971-），女，通信作者，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)；

王平軍（1966-），男，本科，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)樾履茉础?/p>

河北省自然科學(xué)基金(E2013205173)；河北省教育廳基金項(xiàng)目（2009141）；河北師范大學(xué)博士基金項(xiàng)目（L2008B04）；碩士研究生科研基金項(xiàng)目（201202007）