主动移频孤岛检测参数对并网电能品质的影响

周素梅，袁晓玲，范发靖

(河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100)

0 引言

越来越多的分布式光伏发电系统通过逆变器并网输送到电网上，引起了许多潜在的电网保护问题［1-2］，其中孤岛效应问题尤为突出。所谓孤岛效应是指当电网由于电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，并网发电系统未能检测出停电状态并脱离电网，持续向电网供电，使并网发电系统和周围负载形成一个电力公司无法控制的自给供电孤岛［3-4］。并网发电系统处于孤岛运行状态会产生严重的后果，如可能会危及电网检修人员的安全，影响配电系统的保护开关动作程序，在重合闸时可能对用户的设备造成损坏等。因此，对光伏并网发电系统来说，具有反孤岛效应的功能至关重要。反孤岛效应的关键是电网断电的检测，且检测时间越短效果越好。

为了有效防止孤岛效应的发生，孤岛检测方法层出不穷。然而，大多数孤岛检测方法都存在检测盲区［5］，对于目前比较常用的主动移频法(AFDPF)也不例外。在某些特殊的负载组合下，孤岛检测装置不能及时有效地检测出孤岛状态，这些引起孤岛检测失败的负载组合的集合称为孤岛检测盲区。

目前，对于孤岛检测盲区的研究主要集中在理论研究分析方面［6］。理论分析是研究孤岛检测盲区的一种有效方法，通过理论分析建立孤岛检测的盲区描述，把这些引起检测失败的负载特性定量地刻画出来。揭示孤岛检测算法的适用范围和影响检测盲区的因素，对不同孤岛检测方法的性能进行评价、比较和改进，促进孤岛检测技术的提高。

孤岛检测盲区的分析方法主要有:功率失配空间法［7］，Qf×C0坐标系法［8］，L×Cnorm坐标系法［9］等。功率失配空间法只适用于被动式孤岛检测方法的盲区分析;Qf×C0坐标系法的横纵坐标之间存在耦合关系，不能直观反映出负载对孤岛检测盲区的影响;L×Cnorm坐标系法不能很好地反映出负载电阻变化对孤岛检测盲区的影响。为了弥补这些方法的不足，本文采用Qf0×Cnorm坐标系法对主动频率偏移法的孤岛检测盲区进行分析。该方法不仅适用于被动式孤岛检测方法，也适用于主动式孤岛检测方法;它能完整描述不同负载参数下孤岛检测方法的检测能力;有效地解决了两个坐标间的耦合关系，是一种有效的孤岛检测盲区描述方法。

1 AFDPF 检测法参数设计

1.1 扰动信号cf 的设计

为避免频率在越限保护之前达到稳态，需设置较大的cf 以得到较大的相角，且负载品质因数越大，需要设置的cf 越大。然而截断系数的增加直接影响PV 系统输出电流的THD 值增大。IEEE Std929—2000 中规定总谐波畸变率不超高5%，这意味着对cf 的取值有一定的限制。图1 清楚地说明两者之间的关系。当cf=0.0 时，THDi=0.89%;当cf=－0.045 时，THDi=4.92%;当cf=0.046时，THDi=4.88%［10］。

图1 cf 与THDi 的关系曲线

用线性函数近似计算出上图所示的曲线函数关系，得

2.2 AFDPF 初始扰动值cf0的选取

在主动移频算法中，截断系数cf 表征频率扰动的强度。故而在带正反馈的主动移频算法中，初始截断系数cf0代表了电网存在时的固有频率扰动强度，其作用是在脱网瞬间触发频率偏移，其值直接影响逆变器输出电流的谐波大小。考虑到负载容性感性的问题以及由于电力噪声和检测误差的存在，断网瞬间检测频率总有相对于电网频率的偏移问题，可对初始截断cf0系数作如下的修正，即:

其中:当f－fg≥0 时，sign(f－fg)=1;当f－fg≤0 时，sign(f－fg)=－1。

从而感性负载和容性负载的孤岛检测效率都可提高。

1)当反馈系数k 相同时，初始截断系数修正前后的盲区分布图如图2 所示。

2 带正反馈的主动移频式孤岛检测方法的检测盲区

由图2 可以看出，当反馈增益相同时，初始截断系数修正后的盲区分布比初始截断系数修正前的盲区分布更趋向高品质因数Qf。当满足总谐波畸变率不超过5%时，可以实现无盲区检测的品质因数可达到Qf=3.32，即Qf≤3.32 的品质因数都可实现无检测盲区。

2)当Qf=2.5 时，初始截断系数修正前后的盲区分布图如图3 所示。

图3 带正反馈的主动移频式孤岛检测方法的检测盲区

此时，对于cf=0.02 +0.053 1×Δf，总谐波畸变率THDi=4.927 7;

对于cf=0.053 1×Δf，总谐波畸变率THDi=4.218 9;

对于cf=sign(f－fg)×0.02 +0.019 6×Δf，总谐波畸变率为THDi=3.909 9。

由此可知:相同品质因数情况下，初始截断系数修正后的盲区描述比修正初始截断系数前的盲区描述的盲区大小基本上不改变盲区的宽度，只会使盲区在负载平面上下平行地移动;但是总谐波畸变率变小，即当Qf≤2.5 时都能做到无盲区检测，而且对电能的品质影响在三种方法中最小。

2.3 AFDPF 中反馈系数k 的选取

脱网后若θAFDPF始终大于或小于θload，则频率将保持一个方向偏移，稳定运行点不存在，以此能检测出孤岛。为了确保AFDPF 法在最恶劣的情况下能有效工作，要求K 满足如下条件:

高Qf值使电路有朝着并保持于谐振频率处工作的趋势。在使用频率扰动反孤岛检测时，Qf值越高，频率漂移的困难越大。因此在进行反孤岛测试时，太小或太大的Qf值都是不实际和不可取的。IEEE Std 929 工作组成员和十几位电网工程师经过讨论认为选取Qf=2.5 符合电网的实际情况［3］。因此，不应过分追求孤岛检测的强效，只要满足标准的要求，对品质因数等于2.5 的所有负载，能保证没有检测盲区即可。当Qf=2.5时，求得k≥0.053 1。

图4 是AFDPF 在有初始截断系数以及没有初始截断系数情况下，不同反馈系数的盲区分布图。由图4 可以看出，AFDPF 中反馈系数的大小决定了盲区的大小。反馈系数增益越大，检测盲区越小。但过大的增益会增大电流畸变、恶化电能品质，甚至可能引起系统不稳定。在满足总谐波畸变率不超高5%的情况下，通过近似计算可得:

当cf=0.02+kΔf 时，k ≤0.054 7;当cf=kΔf 时，k≤0.065 6。

图4 带正反馈的主动移频式孤岛检测方法的检测盲区

3 结语

本文采用Qf0×Cnorm坐标系法对带正反馈的主动频率偏移法的检测盲区进行了描述。对AFDPF 孤岛检测方法的初始截断系数进行了修正;推导了在指定品质因数Qf0下，要保证孤岛检测无盲区，AFDPF 算法中反馈增益的取值范围。同时还对有无初始截断系数以及修正后的初始截断系数的盲区描述方法进行了分析比较。仿真研究表明，修正初始截断系数后的盲区描述图显示，孤岛检测盲区被推向品质因数更高的区域，而且电流的总谐波率减小了，为AFDPF 算法优化提供了有力的理论指导。该方法同样适用于其他基于移频、移相类孤岛检测方法的性能描述和参数优化。

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