基于改进正反馈主动移频法的孤岛检测研究

万荣庆　叶银忠　马向华

摘 要： 孤岛检测是光伏并网发电系统的必备功能，对孤岛效应的检测必须快速而准确，同时孤岛检测方法应尽量减小对并网电流质量的影响。基于正反馈主动频率偏移法是目前应用最广泛的一种检测孤岛的算法。为了解决该算法中的检测盲区大、影响并网电流质量等缺点，提出一种改进的正反馈主动频率偏移法。该方法通过检测初始时刻频率偏差的大小，确定初始斩波因子和扰动施加的方向，通过累加频率偏差的绝对值反馈作用到公共点上。改进的孤岛检测方法不仅提高了孤岛检测精度，也降低了电流谐波畸变率。由仿真结果可知，改進后的AFDPF算法孤岛检测时间比传统AFDPF算法快了0.04 s。

关键词： 孤岛检测； 检测盲区； 频率偏差； 改进型正反馈主动频率偏移法

中图分类号： TN911?34； TM615 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0178?05

Abstract： The active frequency drift with positive feedback （AFDPF） algorithm is a current widely?used isolate detection algorithm. In order to eliminate the shortcomings of big detection blind area and the influence on quality of grid connected current existing in the algorithm， an improved AFDPF algorithm is proposed. The method detects the frequency deviation at the initial moment to determine the initial chopping factor and the disturbance infliction direction， and accumulates the absolute value of the frequency deviation to feed back to the common point. The improved island detection algorithm can improve the island detection accuracy， and also reduce the current harmonic distortion rate. The simulation results show that the island detection time of the improved AFDPF algorithm is 0.04 s faster than that of the traditional AFDPF algorithm.

Keywords： island detection； detection blind area； frequency deviation； improved AFDPF algorithm

0 引 言

随着经济和社会的发展，能源消耗日益增大。日益严重的环境污染和电力需求的巨大缺口迫使人们越来越重视可再生能源的开发与利用，光伏发电应运而生。太阳能光伏发电是开发利用可再生资源的一种形式，伴随着更多的光伏发电系统并入电网，对电网和并网光伏发电系统的安全运行带来严峻的挑战。光伏发电系统的快速发展带来的是导致逆变器孤岛效应发生的几率变大，孤岛不仅会导致电力系统设备的损坏，严重时还有可能直接威胁维护电力系统工作人员的生命安全。所以，每一个并网发电系统都一定要具有反孤岛检测的功能。孤岛效应指的是当市电电网发生故障或断电的情况下，并入电网的光伏发电系统仍继续向本地负载供电，使之局部正常工作，这就导致了孤岛对系统的安全运行和用户人身安全的影响也越来越大。其中，如何有效快速地检测出孤岛效应是光伏并网发电技术目前亟需克服的重要难题之一[1?3]。

在光伏并网发电系统的孤岛检测中，孤岛检测方法一般分为主动式和被动式两大类。被动式孤岛检测方法通过检测逆变器输出端电量的变化来判断系统是否发生孤岛。该方法存在门槛值不能精确设定、检测盲区范围较大等缺点，而且被动检测法在逆变器输出功率和负载功率相匹配的情况下容易发生漏检的情况。

为了解决被动检测法存在的问题，科学家们又发明了主动检测法。带正反馈的主动频率偏移法（Active Frequency Drift with Positive Feedback，AFDPF）是目前应用最广泛的一种孤岛检测算法。AFDPF是在AFD（Active Frequency Drift）检测法的基础上引入正反馈，通过加速公共点电压频率偏离正常值， 进一步缩小孤岛检测盲区。

文献[4]提出的自适应主动频率偏移方法虽然实现了电流低畸变的目的，但是该算法太过复杂，而且阈值不能精确设定。文献[5]提出的新的检测方法虽然缩短了孤岛检测时间，却存在着误判的可能。文献[6]阐述的方法通过增大AFDPF的频率偏差的次方数以提高输出电能的质量。文献[7]提出的间歇性扰动孤岛检测法解决了扰动量变大，相应的检测盲区变小，输出电流总谐波失真度变大的问题。虽然该方法提高了输出电流波形的质量，但是在电网断开后，频率偏差的累积存在误差，检测孤岛的时间会变长。

以上针对孤岛效应提出的孤岛检测方法中所选取的初始斩波因子和正反馈因子k都是固定参数，k的值必须随着不同情况下的孤岛效应检测随时更改，并且k值固定时盲区的大小也是固定的，这就造成了检测孤岛效应的迟滞性，不能很好地降低输出电流的谐波失真度。为此，本文提出了一种改进型的正反馈主动移频检测方法。该方法是在传统AFDPF方法的基础上，根据改进的算法实时改变正反馈因子k的值，通过检测初始时刻频率偏差的大小，确定初始斩波因子和施加扰动的方向，把累加频率偏差的绝对值作为正反馈量作用到公共点上，从而能够快速地检测出孤岛。仿真结果表明，该方法孤岛检测效果好，有一定的可行性。

1 AFD方法原理

AFD检测方法的原理是通过向逆变器输出电流[Iinv]周期性地注入微小的频率扰动使得pcc点电压[Vpcc]的频率在公共电网断开时向下或者向上偏移，如果该偏移量超过预设的阈值，则触发孤岛保护[8]。检测原理见图1。

在 AFD算法中，[cf]是固定参数，常取固定值为0.02。如果设置的参数过小，则孤岛在规定的时间内检测不出来，也会增大孤岛检测盲区；如果设置的参数过大，虽然孤岛能被快速地检测出来，并且也能减小检测盲区，但与此同时，并网逆变器的输出电流总谐波畸变率 THD（Total Harmonic Distortion）则会增大。

2 AFDPF方法工作原理

2.1 AFDPF检测原理

带正反馈的主动频率检测法是在AFD检测方法的基础上提出的一种改进方案，针对传统AFD检测方法中检测盲区较大的缺点，AFDPF方法通过在AFD 频率偏移的基础上引入正反馈，加速公共点电压频率偏离正常值，以便能进一步减小孤岛检测盲区[9]。斩波因子[cf]定义为：

式中：[cf0]为初始斩波因子；k为正反馈因子；[f]与[fg]分别为公共点电压频率和电网频率。当市网断电后，如果频率向下偏移，那么频率偏差将随公共点电压频率的减小而减小，斩波因子减小，逆变器也减小输出电流的频率，直到触发孤岛欠频保护。反之，如果频率向上偏移，则逆变器输出电流的频率一直增大，直到发生孤岛过频保护。

2.2 AFDPF方法的检测盲区

检测盲区（Non?Detection Zone，NDZ）是检测孤岛的方法失效时，相对应的负载参数空间。一般通过判斷检测盲区来检验孤岛检测的有效性。品质因数[Qf0]作为横坐标，标准化电容值[Cnorm]作为纵坐标，这样既能直观地映射NDZ和品质因数间的关系，又能避免两个坐标变量间相互耦合给孤岛检测方法性能比较带来的不便。因此在本文中采用该方法对 AFDPF的检测盲区进行分析研究[10]。定义为：

3 改进的AFDPF方法

在传统AFDPF中，由文献[12]可知，电流THD 除了与初始斩波因子[cf0]有关外，还与频率偏差[Δf]及正反馈因子k相关。k的值越大，THD的增量也就越大。由于输出电压频率和电网电压频率的偏差以及初始斩波因子会作为扰动把算法作用引入，进而造成对电能质量的负面影响[12]。恒定的[cf]和k的参数会影响孤岛检测效果。针对上述不足，对传统的AFDPF孤岛检测方法做如下修改：

式中：[cf0]是系统初始截断系数；k是正反馈增益；[f0]是孤岛发生初始时刻pcc点电压频率；n是孤岛检测的周期数；[sign（f-fg）]是初始时刻pcc点电压频率和电网额定频率之差的符号，通过引入符号函数能够实时改变[cf0]的正负性，进而克服负载对单一方向扰动信号的平衡作用。

在电网断开的初始时刻，检测公共点电压频率[f]，并与电网额定频率[fg]比较，通过差值符号[sign（f-fg）]确定初始斩波因子及扰动方向并进行叠加，加速公共点电压频率偏离正常值。对前t个周期公共点电压频率和电网额定频率的变化量取绝对值再累加作为正反馈量，能够避免因电网扰动而引起的孤岛误判，使扰动量一直以初始时刻的扰动方向对公共点电压频率扰动，加速pcc点电压频率偏离到预先设定的阈值，最终检测出孤岛。改进后的AFDPF算法作用后，检测盲区也明显缩小，孤岛检测的及时性显著提高，算法的作用时间用时更短，有效性得到了提高。

4 仿真与分析

为了验证改进后AFDPF的孤岛检测效果，本文采用Matlab/Simulink仿真软件对系统进行仿真，仿真模型如图3所示。

仿真模型包括主电路、孤岛检测部分和并网控制部分。通过S?Function函数实现对AFDPF模块的孤岛检测。仿真情况针对RLC并联负载模型，直流输入电压400 V，电网电压220 V，频率[f]=50 Hz，输出功率2 kW，R=24.2[Ω]，滤波电感L=30.8 mH，负载品质因素Qf= 2.5。此时负载偏容性是孤岛发生最严重的工况环境。

由上文可知，增大正反馈因子k的参数能有效地减小盲区，但是k值取的过大会使得电流畸变增大。根据文献[13]的表述，采用AFDPF方法检测孤岛效应时，要满足[k>0.053]，一般取[k=0.06]，此时检测孤岛的效率高，并且对THD的影响小。

对孤岛检测时间来说，初始斩波因子越大，孤岛检测时间就越短。但是考虑到电能质量和孤岛检测时间的联系，[cf0]的值不能取过大，该算法在传统AFDPF的基础上增大了k的值，使其能更快速地将公共点电压频率偏离正常值，直到pcc点电压频率偏离到预先设定的检测阈值，所以取[cf0=0.01]。电网在0.1 s时断开，通过Matlab/Simulink对改进的AFDPF算法进行仿真，电网断开后，两种不同算法的公共点电压频率和输出电流波形分别如图4、图5所示。

上述的仿真结果采用的是带正反馈的孤岛检测方法。仿真图形如图4所示，对于传统AFDPF检测方法来说，0.1 s 前，系统处于并网运行状态，输出的电压电流保持同相同频；在0.1 s时，将电网断开，在0.12 s处pcc点电压的频率偏离了50 Hz，正反馈扰动开始引入，大约在0.2 s 时pcc点电压频率偏离超出阈值，实现孤岛保护。采用改进的AFDPF检测方法，仿真波形如图5所示。改进后的AFDPF法在0.1 s前，光伏系统处于并网运行状态，逆变器输出的电压电流始终保持同相同频；0.1 s时，电网自动断开，改进后的算法自动调整初始斩波因子的扰动方向，保证[cf0]和k的扰动方向相同，在正反馈因子和初始斩波因子的影响下，pcc点电压频率发生偏移；在0.16 s时pcc点电压频率偏离超出阈值，检测出孤岛。远远小于国际规定的孤岛检测时间（2 s内），比传统AFDPF孤岛检测方法快了0.04 s。

图6（a）、图6（b）分别表示了传统AFDPF检测方法和改进后AFDPF检测方法的THD。从图6（a）可知传统AFDPF方法并网电流总共20 次，由于引入了较大的干扰，总谐波失真率THD 是0.68%。而改进后的AFDPF方法的THD相比于传统的AFDPF方法有了较大减小，从图6（b）可知改进后AFDPF算法的THD 是0.64%，相比于前者THD下降了，说明该方法能够改善光伏逆变器输出电能的质量，降低了传统AFDPF方法检测孤岛时的并网输出电流的畸变率。

5 结 语

针对传统AFDPF算法中[cf0]和k值都是恒定参数而导致的孤岛检测时间长和检测盲区范围大的缺点，提出一种改进的AFDPF检测算法。通过改进初始斩波因子和正反馈系数，证明了该算法的有效性。结果表明，该方法在规定的时间（2 s）内能迅速地检测出孤岛，达到了预期的研究目的。

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