改进型正反馈主动频移孤岛检测方法的仿真研究

杨新华，孙艳军，汪龙伟，委晓翠

(1.兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050;2.甘肃省工业过程先进控制重点实验室，甘肃 兰州 730050)

0 引言

在光伏并网发电系统中，孤岛检测技术至关要。目前，孤岛检测的主要方法包括基于通信的方法和局部检测方法。正反馈主动频率偏移法(Active frequency drift with positive feedback，简称PFAFD)是主动式孤岛检测方法中经常使用的一种有效的检测方法，但由于负载的多变性，往往由于添加扰动方向的不确定性，在一定程度上抵消了公共点频率的变化，使检测进入盲区，导致检测失败。

本文在研究正反馈主动频率偏移法工作原理的基础上，提出了一种确定扰动方向的检测方法，改进和提高正反馈主动频率偏移法在减小检测盲区、提高检测时效性等方面的检测效果。

1 传统正反馈主动频率偏移的原理

正反馈主动频率偏移(Active Frequency Drift with Positive Feedback，简称AFDPF)，是对AFD方法的改进，对公共耦合点的频率运用了正反馈，使孤岛发生时此处的频率误差相对增加，加速频率的偏移，以便更快地检测到孤岛现象的发生［1］。其中斩波因子定义为:

(1)式中tZ是正反馈主动频率偏移法信号的零值时间，Tug是电网电压的周期，显然cf为逆变器输出端电压频率与电网电压频率偏差的函数，令:

其中cfi为第i周期的斩波因子，cfi-1为第i-1周期的斩波因子，k为加速因子，Δω为公共点电压频率与电网电压频率的偏差。cf0为固定初始扰动，对盲区的大小改变作用不大，将其引入的目的是为了增加频率的扰动量，便于在电网断电时能有效触发频率正反馈动作［2］。

这种检测方法应用于感性负载的时候，因为感性负载在断网后有使节点电压的频率上升的趋势，使得更快的超出频率保护阀值，达到孤岛检测的效果。但是当这种检测方法应用于容性负载的时候，因为容性负载在断网后公共耦合点电压的频率有下降的趋势，如果公共耦合点频率的该变量与逆变器输出电流中添加的扰动信号频率相互抵消，则可能孤岛检测失败，即RLC负载的谐振频率仍然在过/欠频的阀值范围内，则此时电网发生故障断网后形成孤岛就不能得到检测，进入孤岛检测盲区。因此，有必要对检测算法进行改进。

2 正反馈频率偏移法的改进与实现

2.1 算法改进

为了解决传统算法中对容性负载的有效检测，使得容性负载具有与感性负载同样的快速检测性，从实现正反馈的目的出发，定义每一电流周期的斩波率cf为频率偏差的函数:

与(2)式相比较，(3)式可通过简单的数学运算有选择性的进行扰动，避免当负载为容性、感性、阻性时，由于添加的扰动方向与频率改变方向相反而造成对频率增量的削弱，影响对孤岛的准确判断。(3)式中abs(f-fg)为取绝对值运算，当公共耦合点频率不小于电网额定频率的时候取正，即当负载为感性负载的情况下，对电流施加正方向的扰动信号;当公共耦合点频率小于电网额定频率的时候取负，即当负载为容性负载的情况下，对电流施加负方向的扰动信号。cf0为斩波率初始值，f为公共耦合点电压频率，fg为电网电压的额定频率，ksin(f-fg)为公共耦合点电压频率增量的函数。由于f-fg是一个比较小的数，在接近0的情况下f-fg可以用sin(f-fg)近似代替，而当公用点电压频率发生较大偏移的情况下，sin(f-fg)的值小于f-fg，这样一定范围内减少了对电网注入的谐波，起到提高电能质量的作用。

2.2 算法的参数设置

在研究和测试孤岛性能时通常用并联RLC来模拟本地负载。当并联RLC负载的谐振频率与电网的频率相当时，电网断电后系统的频率变化非常小，较难判断出孤岛的发生。因此，要求在最恶劣的情况下该方法能准确检测出孤岛，则必须满足逆变器的电流相角比并联RLC负载的相角增加得更快［3］。一般情况下负载的品质因数Qf小于2.5［4］，对于负载品质因数Qf给定的情况下，斩波因子cf的取值不会影响盲区的大小［5］，但cf的初始值cf0越大，盲区越往上移。因此选用增大系数k的值来减小盲区，实现给定Qf的情况下无盲区的检测，一般取k=0.1。

3 孤岛检测的建模及仿真

根据上述理论研究，采用MATLAB/Simulink仿真软件搭建8 kW的单相光伏并网发电系统。仿真模型包括主电路图、并网控制部分和孤岛检测部分，如图1所示。孤岛检测中通过S-function函数来实现对AFDPF模块的实现，并网电流和电压同频同相。

图1 8KW单相光伏并网发电系统模型

取仿真参数为:直流电压400 V，取电网电压峰值311 V，频率为50 Hz，逆变器输出电流值为36.6 A，频率保护的动作阈值设置为50 ±0.5 Hz，cf0=0.02，k=0.1，并网电流 THD=1.25%，符合关于并网的要求(THD≤5.0%)。逆变器输出功率为8 kW，滤波电感为 L=5 mH;R=0.01 Ω，负载的品质因素为2.5，RLC 参数为R=6.01 Ω;L=7.65e-3H;C=1324e-6F，谐振频率为 50 Hz，断路器在0.1s断开。

为了便于观察，图中将电压峰值缩小为实际值的1/4倍，根据负载性质的不同进行仿真，具体仿真结果见下图。图2为负载为感性负载时的仿真结果图，(a)图为传统的正反馈频率偏移法，(b)图为改进的正反馈频率偏移法，从图(a)中我们可以看到，在t=0.1 s大电网断开后，经过3个电网周期，即t=0.18 s后频率的偏移量超过了预先设置的频率动作阈值，进行过频保护，同时关闭逆变器的输出。而图(b)为改进的正反馈频率偏移法，由于负载为感性负载，当电网断电后公共点频率向增大的方向改变，而在传统的算法中，cf0取值为正值，与改进后的添加的扰动信号是一样的，因此他们经过相同的时间后进行过频保护，达到了孤岛检测的目的。

图3为负载为容性负载时的仿真结果图，(a)图为传统的正反馈频率偏移法，(b)图为改进的正反馈频率偏移法，从图(a)中我们可以看到，在t=0.1 s大电网断开后，由于负载为容性负载，电网断电后公共耦合点频率向减小的方向改变，在传统的算法中，cf0取值为正值，一定程度上淹没了电压频率的变化，经过8个电网周期，即t=0.26 s后频率的偏移量超过了预先设置的频

率动作阈值，进行过频保护，同时关闭逆变器的输出。而图(b)为改进的正反馈频率偏移法的仿真结果图，由于改进的算法中通过有选择的按照公共耦合点频率偏移的方向添加扰动信号，避免了对频率改变的淹没，经过4个电网周期，即t=0.18 s后发生欠频保护，关闭逆变器。与传统算法想比较，在相同的条件下改进的检测方法在检测时间上优于传统检测方法0.08 s。由仿真结果可知，改进的算法避免了由于负载为容性情况下造成的检测迟缓，更加准确、及时得达到了孤岛检测的目的。

图2 负载为感性负载时的仿真图

图3 负载为容性负载时的仿真图

4 结束语

本文介绍了一种改进型正反馈的频率偏移法的孤岛检测方法，分析了由于负载性质的不同而对孤岛检测的影响。与传统AFDPF算法相比较，改进算法在添加扰动的时候进行有选择的进行添加，避免了传统算法由于对扰动信号方向的固定性而对孤岛扰动信号的抑制作用，即对添加扰动信号的方向进行实时的修正，克服了扰动信号与频率变化相互抵消而造成对孤岛检测的延缓［6-8］。同时兼顾扰动信号对电能质量的影响，实现快速、高效、低谐波的孤岛检测。通过MATLAB/Simulink软件仿真，仿真结果验证了该算法的有效性。

［1］吴威，韩愚拙，陈昆.光伏并网发电系统孤岛检测技术综述［J］.电工电气，2012，32(4):1-6.

［2］刘方锐，康勇，张宇，等.带正反馈的主动移频孤岛检测法的参数优化［J］.电工电能新技术，2008，27(3):22-25.

［3］LOPES L A C，HUILI SUN，Performance assessment of active frequency drifting islanding detection methods.energy conversion［J］.IEEE Transaction on，2006，21(1):171-180.

［4］IEEE Std.929-2000，IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic(PV)Systems［S］，Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc，NewYork，USA，2000.

［5］刘芙蓉，康勇，段善旭，等.主动移频式孤岛检测方法的参数优化［J］.中国电机工程学报，2008，28(1):95-99.

［6］李秉键，吴华波.基于频差正反馈的孤岛效应检测方法［J］.电力电子技术，2011，45(5):1-3.

［7］肖龙，杨国华，鲍丽芳，等.基于改进滑模频率偏移法的光伏孤岛检测研究［J］.电测与仪表，2012，49(6):52-56.

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