新型正反馈主动频率偏移法孤岛检测研究

张海峰，夏明豪，李晓龙

(国网浙江省电力公司 检修分公司，浙江 杭州 311232)



新型正反馈主动频率偏移法孤岛检测研究

张海峰，夏明豪，李晓龙

(国网浙江省电力公司 检修分公司，浙江 杭州 311232)

当电网发生故障或检修停电时，逆变器要求能够准确及时地检测出孤岛效应，迅速地将自身切离电网，尽量减少逆变器对电网产生的不良影响。针对传统的主动频率偏移法，在逆变器的孤岛检测中存在的容性负载难以检测、有功电流波动、存在较大检测盲区等不足，文中提出了正反馈主动频率偏移法(AFDPF)，该法从正反两方向进行频率的扰动，有效解决了容性负载检测失效、有功电流波动等问题。在Matlab/Simulink仿真环境下建立仿真模型并仿真，仿真结果验证了AFDPF算法设计的正确性。

并网逆变器；孤岛检测；Matlab仿真；AFDPF

随着全球范围内能源紧缺和环境问题的日益突出，可再生能源的利用引起了广泛重视，光伏发电作为太阳能的主要利用形式，也必将得到人类的重视[1]。逆变器作为光伏发电的主要设备，其性能决定整个光伏发电系统优劣[2]。孤岛效应检测作为衡量逆变器控制策略优劣的重要指标，要求逆变器在孤岛现象发生后,在规定的时间内能够检测出孤岛现象的发生并及时停止发电，消除孤岛现象[3]。

目前孤岛检测方法一般分为两大类：被动式孤岛检测法和主动式孤岛检测法。在主动式孤岛检测法中，主动频率偏移法较多的应用在孤岛效应检测中[4]。这种检测法精度较高、盲区较小，但在不同负载条件下，检测结果会出现较大偏移，严重时会出现孤岛检测失效，并且会导致较大的有功电流波动[5]。为解决上述不足，本文对主动频率偏移法进行了改进，提出了一种新型主动频率检测方法，即正反馈主动频率偏移法(AFDPF)[6]。经过仿真验证能够提高孤岛的检测速度， 提高了系统的孤岛响应、 可靠性及光伏系统的电能质量。仿真结果和实验结果验证了该算法的有效性。

1 国内外孤岛检测标准

随着光伏并网发电产业的快速发展，制定具体的孤岛检测标准及相应的并网标准也是势在必行。目前国际的主要孤岛检测标准有UL1741[7]和IEEE Std.929-2000[8]，表1为光伏并网发电系统孤岛检测保护的时间标准，表2为光伏并网发电系统孤岛检测保护的频率标准，表3为中国孤岛检测时间标准。

表1 孤岛检测时间标准

注：Vnom为大电网电压的标准参考值

表2 孤岛检测频率标准

表3 中国孤岛检测时间标准

注：Vn为电网电压的标准参考值

2 主动频率偏移法

主动频率偏移法(AFD)的工作原理：通过向逆变器输出的电流施加一定的扰动信号，当发生孤岛时，施加的扰动信号会使频率产生一定量的偏移，当偏移量超过设定的阈值，就会检测到孤岛效应[9-10]。具体工作流程如图1所示。

图1 AFD控制流程图

如图2所示，在AFD中，添加的扰动电流信号使得电流频率略高于或者略低于PCC点处的电压频率，来完成扰动。其中用斩波系数cf来表征干扰信号的强度，cf的大小与电流偏移时间tz关系如下

(1)

图2 AFD的电流扰动信号

(2)

式中，f′为电流波形的频率；f′、斩波系数cf和电网频率f间的关系为

(3)

主动频率偏移法的检测快慢是由斩波系数cf决定，cf越大，孤岛效应被检测出来的时间就越短，但cf的值过大，会增大系统的THD ，严重影响系统的电能质量[11]。如何解决系统孤岛效应检测的速度和系统电能质量的对立关系，成为正反馈主动频率偏移法(AFDPF)研究的重要方向[12-13]。

3 正反馈主动频率偏移法

正反馈主动频率偏移法(AFDPF)是AFD法的改进，克服了AFD法选取合适cf值的困难，AFDPF方案思路如下。

图3 AFDPF检测法策略

在AFDPF检测法中，斩波系数cf的计算方法为

cfk=cfk-1+F(ωk-ωg)

(4)

其中，cfk为当前逆变器施加的扰动信号量；cfk-1为上一个周期的扰动信号量；F(ωk-ωg)为正反馈累加量，使得逆变器扰动信号量不断累积，频率偏差快速增强[14]。正反馈主动频率偏移法的程序流程框图如图4所示。

对比传统AFD检测法，正反馈主动频率偏移检测法不需要施加过大的扰动信号量，从而减少了孤岛检测对系统电能质量的影响，提高了逆变器输出的电能质量；而且在正反馈主动频率偏移检测中，引入正反馈，可以减少AFD频率偏移的累加时间，大幅提高了孤岛效应检测的速度[15-16]。

图4 AFDPF检测法流程图

4 AFDPF的仿真研究

在Matlab 2012b中利用Simulink和Simpowersystems功能模块，搭建逆变系统仿真模型如图5所示。

图5 AFDPF仿真模型

其中，DC Voltage Source为400 V，母线电感L=6 mH，母线等效电阻R=0.01 ；Parallel RLC Branch的参数为：R=6 ,L=7.56 mH，C=1 300 pF；AC Voltage Source为220 V，50 Hz；Discrete PID Controler的参数为：Kp=80；Ki=200；Kd=0; Universial Bridge 的参数Number of ridge arms=2，Power Lectronic Device：IGBT/Diodes，其余参数默认，仿真波形如图6所示。

图6 AFDPF仿真电压电流波形

设置断路器在0.5 s将电网切除，由图6和图7可知，经过0.1 s后，公共耦合点PCC处的电压和逆变器输出的电流基本为零，检测所需时间满足国内标准对光伏逆变器孤岛检测的时间要求。仿真结果验证了设计的正确性。

图7 AFDPF仿真频率波形图

5 结束语

本文仿真源至于实际的系统设计，而通过模型仿真又验证并指导了系统设计。在 Matlab R2010a / Simulink 仿真环境下，搭建基于反激式变换电路的有源功率因数校正仿真电路，并顺利完成仿真，实验效果理想，验证了控制策略的正确性。

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A New Positive Feedback Active Frequency Offset Method for Isolated Island Detection

ZHANG Haifeng，XIA Minghao，LI Xiaolong

(Maintenance Branch,State Network Zhejiang Electric Power Corporation,Hangzhou 311232,China)

When the power grid is in trouble or outage maintenance . The inverter is required to detect the isolated island effect in a timely manner. The inverter must be quickly cut off the grid, to minimize the negative impact of the inverter on the grid. In view of the traditional active frequency offset method, it is difficult to detect the capacitive load in the isolated island detection, the active current fluctuation, the existence of the large detection blind area and so on. In this paper, a positive feedback active frequency offset method (AFDPF) is proposed. This method can effectively solve the problem of fault tolerance, active current fluctuation, and so on, which can be carried out from two directions. In the Matlab/Simulink simulation environment, the simulation model is established and the simulation results verify the correctness of the AFDPF algorithm design.

grid connected inverter;island detection;Matlab simulation;AFDPF

2016- 11- 01

张海峰(1987-)，男，本科。研究方向：电气工程。夏明豪(1989-)，男，硕士研究生。研究方向：电气工程。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.018

TM464;TP391.9

A

1007-7820(2017)08-067-04