一种新的主动孤岛检测法

张瑞叶1，张少如1，王平军1，王朋强2



一种新的主动孤岛检测法

张瑞叶，张少如，王平军，王朋强

（1.河北师范大学物理科学与信息工程学院，河北 石家庄 050024； 2.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387）

孤岛的发生不仅会导致电力系统设备损坏，严重时还会出现威胁电力系统维修人员的生命安全等一系列问题。因此，光伏并网发电系统必须具备孤岛检测功能，以保证电网的安全运行。传统的AFD（Active Frequency Drift）检测方法在不同的负载下，检测效果不同，对纯阻性负载检测效果比较好。尽管科研工作者提出了基于反馈调节、周期性扰动的AFD法，可以减少THD，但同时减慢了检测速度。鉴于此，提出了一种基于新型的扰动方式的孤岛检测方案，比传统的AFD检测方法谐波低，盲区小，检测速度更快，具有很高的实用价值。Matlab/Simulink仿真以及实验结果表明，该方法比传统的AFD检测方法更具有优势。

并网光伏发电系统；孤岛；主动法；扰动；谐波

0 引言

并网光伏发电固然可以缓解用电压力，但是孤岛效应带来的危害不容忽视。我国国家标准要求，并网光伏发电系统实际运行时，至少采用主动孤岛检测法和被动孤岛检测法各一种。被动检测法的盲区大，主动检测法通过干扰的方式可以有效减小盲区，但同时也带来了较大的谐波，降低了电能质量。为了降低谐波畸变率（Total HarmonicDistortion，THD），国内外研究者提出了改进型AFD（Active Frequency Drift）法，这些方法虽然在一定程度上减少了谐波，但是却以检测速度为代价。本文提出的方案不仅比传统AFD检测方案谐波低，降低了对电能质量的影响，而且检测速度快，还可以进一步缩小检测盲区。

1 传统AFD检测原理

对于并网光伏发电系统有

传统的AFD检测法通过注入谐波电流来改变输出电流的频率，使电流频率产生固定的偏移，电流波形如图1所示。当系统正常运行时，由于公用电网的钳制作用，电流频率的偏移不会使系统电压产生偏移，逆变器输出电流处于与电网电压同步工作的状态；孤岛时，公用电网停电，不再对系统起钳制作用，逆变器输出电流不再与电网电压同步工作，电流频率的偏移促使电压频率产生偏移，当频率超出阈值范围时，则触发孤岛保护。如图1所示为AFD法电流波形，图1上图为初始参考电流波形，为注入谐波电流波形；图1下图为注入谐波电流后的电流与初始参考电流的波形对比。时间决定了扰动深度的大小。为AFD电流的周期，为参考电流的周期。

图1AFD法电流波形

则斩波率为

AFD法的参考电流波形为

传统的AFD孤岛检测法原理简单，易于实现控制，比被动检测法盲区小，可靠性更高，比外部孤岛检测法造价低，对于纯阻性负载检测效果好，但是AFD法带来的谐波较大，如果减少扰动深度，谐波也随之降低，但是检测速度降低了，并且增加了检测盲区。

2 新主动法原理

新主动法采用了与传统的AFD法不同的扰动方式，其电流波形如图2所示。图2上图为初始参考电流与注入谐波电流的电流波形，图2下图为注入谐波电流后的电流与初始参考电流的波形对比。为新主动法参考电流与初始参考电流的相位差。为新主动法电流的周期，为初始参考电流的周期。

图2 新主动法电流波形

在新主动法下，参考电流波形为

该方法通过移相的办法来移频，不但改变了电流的频率，而且电流波形没有发生畸变，每半周都是正弦波形，由于电流幅值的变化对谐波的影响很小，那么该方法的谐波可近似计算：

将式（4）展开为傅里叶级数：

（7）

（8）

所以，由式（7）、式（8）可得

（10）

由文献[7]可知，对于AFD法有

那么，当两种方法注入电网的无功均为7.5%时，新主动法注入电网的为2.4%，而AFD法注入电网的为7.5%，新主动法比AFD法谐波降低68%之多；当两种方法的谐波均为2.4%时，新主动法注入电网的无功为7.5%，AFD注入电网的无功为2.4%，所以新主动法的检测盲区比AFD法小。

3 仿真结果及实验结果

3.1 仿真结果

本文对220 V单相、小容量供电系统，用Matlab/Simulink进行了仿真实验，根据中国电能质量标准，电压偏差的限制为标称电压的+7%、-10%，容量较小时，频率的偏差为0.5 Hz，并在2 s内检测出来，注入电网电流的总谐波畸变率不超过5%。测得系统的有功为4.585 kW，无功为47 VA，=10.55，品质因数取2，谐振频率为50.2 Hz。

由于AFD孤岛检测法的检测盲区随着系统品质因数的增加而增大，故本文在仿真时将电路的品质因数调成2，谐振频率为50.2 Hz。仿真时间均设为3 s，公用电网在0.7 s断开。为了验证该方法谐波低、检测速度快的优点，本文将该方法与传统的AFD法进行了对比。

图3 传统AFD仿真电流波形

图4 新主动法仿真电流波形

传统的AFD孤岛后2.24 s才检测出孤岛，检测时间超出了规定时间2 s，检测失败。而新主动法在孤岛后60 ms内检测出孤岛，可见本文提出的新主动法相对于传统AFD检测法盲区更小。传统的AFD若要成功检测孤岛，必须增大斩波率，那么也随之增大。

图5AFD法检测结果

图6 新主动法检测结果

图7时，AFD法的THD

图8时，新主动法的

Fig. 8of the proposed method when

由图11、图12可知，AFD法谐波增至3.36%，而新主动法的仅为2.91%，低于传统AFD法。由此可见，新主动法与传统的AFD法相比，不仅检测速度快，而且谐波也低。

图9 AFD法检测结果

图 11=0.08时，AFD法的THD

图12 =0.08时，新主动法的THD

Fig. 12of the proposed method when=0.08

3.2 实验结果

本文用太阳能电池板模拟器模拟直流源，设定功率为1.5 kW，直流电压360 V，测得输出无功约为0.27 kW。用电网模拟器作为电网。负载为RLC并联可调负载。

在孤岛检测之前现将系统调至谐振状态，谐振后电流约为原来的1%左右，孤岛后电流变为0。示波器测量的是逆变器与电网之间公共点，孤岛后，电网断开，电网与逆变器之间的电流为0，但是由于逆变器仍正常运行，此时电压不为0，孤岛检测成功即逆变器停止后，示波器中电压也变为0，那么电流变为0至电压变为0之间的时间段即为孤岛检测时间。

当两种方法产生的谐波均为5%时，其检测结果如图13和图14所示。图13为AFD法的检测结果，如图所示孤岛后，电流完全为零，检测时间超过2 s电压仍在正常范围，说明系统运行在孤岛状态，故AFD法检测失败。如图14所示新主动法的检测结果，孤岛后，电流完全变为0，0.5 s内电压降为0，逆变器停止运行，该方法成功检测出孤岛。

图13 AFD法检测结果

图14 新主动法检测结果

从仿真和实验结果看，在相同的条件下，本文提出的主动法要比传统的AFD法更具有优势，检测时间更短，谐波更低，由于仿真环境是理想环境，没有干扰，也不考虑电路之间的干扰及元器件的影响，所以检测时间较快，然而在实际试验中的检测速度稍慢，如图14所示。

4 结论

AFD检测法是一种有效的主动孤岛检测法，但是该方法带来的谐波较高，若要降低谐波，检测速度就会降低，盲区也随之增大，虽然改进的AFD法在一定程度上进行了改善，但是谐波仍然较高，或者以检测速度为代价。本文提出的新主动法与传统的AFD检测法相比，采用了不同的扰动方法，可以在有效减小谐波的同时，快速检测出孤岛，并减小了检测盲区。故本文提出的新主动法对现有的孤岛检测方法的改良具有理论和实际意义。

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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

张瑞叶（1988-），女，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动；E-mail：ruiyezhang@126.com

张少如（1971-），女，通信作者，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为电力电子与电力传动；

王平军（1966-），男，本科，实验师，研究方向为新能源。

河北省自然科学基金(E2013205173)；河北省教育厅基金项目（2009141）；河北师范大学博士基金项目（L2008B04）；硕士研究生科研基金项目（201202007）