張瑞葉1，張少如1，王平軍1，王朋強2

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一種新的主動孤島檢測法

張瑞葉，張少如，王平軍，王朋強

（1.河北師范大學物理科學與信息工程學院，河北 石家莊 050024； 2.天津工業(yè)大學電氣工程與自動化學院，天津 300387）

孤島的發(fā)生不僅會導致電力系統(tǒng)設備損壞，嚴重時還會出現(xiàn)威脅電力系統(tǒng)維修人員的生命安全等一系列問題。因此，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)必須具備孤島檢測功能，以保證電網(wǎng)的安全運行。傳統(tǒng)的AFD（Active Frequency Drift）檢測方法在不同的負載下，檢測效果不同，對純阻性負載檢測效果比較好。盡管科研工作者提出了基于反饋調(diào)節(jié)、周期性擾動的AFD法，可以減少THD，但同時減慢了檢測速度。鑒于此，提出了一種基于新型的擾動方式的孤島檢測方案，比傳統(tǒng)的AFD檢測方法諧波低，盲區(qū)小，檢測速度更快，具有很高的實用價值。Matlab/Simulink仿真以及實驗結果表明，該方法比傳統(tǒng)的AFD檢測方法更具有優(yōu)勢。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)；孤島；主動法；擾動；諧波

0 引言

并網(wǎng)光伏發(fā)電固然可以緩解用電壓力，但是孤島效應帶來的危害不容忽視。我國國家標準要求，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)實際運行時，至少采用主動孤島檢測法和被動孤島檢測法各一種。被動檢測法的盲區(qū)大，主動檢測法通過干擾的方式可以有效減小盲區(qū)，但同時也帶來了較大的諧波，降低了電能質量。為了降低諧波畸變率（Total HarmonicDistortion，THD），國內(nèi)外研究者提出了改進型AFD（Active Frequency Drift）法，這些方法雖然在一定程度上減少了諧波，但是卻以檢測速度為代價。本文提出的方案不僅比傳統(tǒng)AFD檢測方案諧波低，降低了對電能質量的影響，而且檢測速度快，還可以進一步縮小檢測盲區(qū)。

1 傳統(tǒng)AFD檢測原理

對于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有

傳統(tǒng)的AFD檢測法通過注入諧波電流來改變輸出電流的頻率，使電流頻率產(chǎn)生固定的偏移，電流波形如圖1所示。當系統(tǒng)正常運行時，由于公用電網(wǎng)的鉗制作用，電流頻率的偏移不會使系統(tǒng)電壓產(chǎn)生偏移，逆變器輸出電流處于與電網(wǎng)電壓同步工作的狀態(tài)；孤島時，公用電網(wǎng)停電，不再對系統(tǒng)起鉗制作用，逆變器輸出電流不再與電網(wǎng)電壓同步工作，電流頻率的偏移促使電壓頻率產(chǎn)生偏移，當頻率超出閾值范圍時，則觸發(fā)孤島保護。如圖1所示為AFD法電流波形，圖1上圖為初始參考電流波形，為注入諧波電流波形；圖1下圖為注入諧波電流后的電流與初始參考電流的波形對比。時間決定了擾動深度的大小。為AFD電流的周期，為參考電流的周期。

圖1AFD法電流波形

則斬波率為

AFD法的參考電流波形為

傳統(tǒng)的AFD孤島檢測法原理簡單，易于實現(xiàn)控制，比被動檢測法盲區(qū)小，可靠性更高，比外部孤島檢測法造價低，對于純阻性負載檢測效果好，但是AFD法帶來的諧波較大，如果減少擾動深度，諧波也隨之降低，但是檢測速度降低了，并且增加了檢測盲區(qū)。

2 新主動法原理

新主動法采用了與傳統(tǒng)的AFD法不同的擾動方式，其電流波形如圖2所示。圖2上圖為初始參考電流與注入諧波電流的電流波形，圖2下圖為注入諧波電流后的電流與初始參考電流的波形對比。為新主動法參考電流與初始參考電流的相位差。為新主動法電流的周期，為初始參考電流的周期。

圖2 新主動法電流波形

在新主動法下，參考電流波形為

該方法通過移相的辦法來移頻，不但改變了電流的頻率，而且電流波形沒有發(fā)生畸變，每半周都是正弦波形，由于電流幅值的變化對諧波的影響很小，那么該方法的諧波可近似計算：

將式（4）展開為傅里葉級數(shù)：

（7）

（8）

所以，由式（7）、式（8）可得

（10）

由文獻[7]可知，對于AFD法有

那么，當兩種方法注入電網(wǎng)的無功均為7.5%時，新主動法注入電網(wǎng)的為2.4%，而AFD法注入電網(wǎng)的為7.5%，新主動法比AFD法諧波降低68%之多；當兩種方法的諧波均為2.4%時，新主動法注入電網(wǎng)的無功為7.5%，AFD注入電網(wǎng)的無功為2.4%，所以新主動法的檢測盲區(qū)比AFD法小。

3 仿真結果及實驗結果

3.1 仿真結果

本文對220 V單相、小容量供電系統(tǒng)，用Matlab/Simulink進行了仿真實驗，根據(jù)中國電能質量標準，電壓偏差的限制為標稱電壓的+7%、-10%，容量較小時，頻率的偏差為0.5 Hz，并在2 s內(nèi)檢測出來，注入電網(wǎng)電流的總諧波畸變率不超過5%。測得系統(tǒng)的有功為4.585 kW，無功為47 VA，=10.55，品質因數(shù)取2，諧振頻率為50.2 Hz。

由于AFD孤島檢測法的檢測盲區(qū)隨著系統(tǒng)品質因數(shù)的增加而增大，故本文在仿真時將電路的品質因數(shù)調(diào)成2，諧振頻率為50.2 Hz。仿真時間均設為3 s，公用電網(wǎng)在0.7 s斷開。為了驗證該方法諧波低、檢測速度快的優(yōu)點，本文將該方法與傳統(tǒng)的AFD法進行了對比。

圖3 傳統(tǒng)AFD仿真電流波形

圖4 新主動法仿真電流波形

傳統(tǒng)的AFD孤島后2.24 s才檢測出孤島，檢測時間超出了規(guī)定時間2 s，檢測失敗。而新主動法在孤島后60 ms內(nèi)檢測出孤島，可見本文提出的新主動法相對于傳統(tǒng)AFD檢測法盲區(qū)更小。傳統(tǒng)的AFD若要成功檢測孤島，必須增大斬波率，那么也隨之增大。

圖5AFD法檢測結果

圖6 新主動法檢測結果

圖7時，AFD法的THD

圖8時，新主動法的

Fig. 8of the proposed method when

由圖11、圖12可知，AFD法諧波增至3.36%，而新主動法的僅為2.91%，低于傳統(tǒng)AFD法。由此可見，新主動法與傳統(tǒng)的AFD法相比，不僅檢測速度快，而且諧波也低。

圖9 AFD法檢測結果

圖 11=0.08時，AFD法的THD

圖12 =0.08時，新主動法的THD

Fig. 12of the proposed method when=0.08

3.2 實驗結果

本文用太陽能電池板模擬器模擬直流源，設定功率為1.5 kW，直流電壓360 V，測得輸出無功約為0.27 kW。用電網(wǎng)模擬器作為電網(wǎng)。負載為RLC并聯(lián)可調(diào)負載。

在孤島檢測之前現(xiàn)將系統(tǒng)調(diào)至諧振狀態(tài)，諧振后電流約為原來的1%左右，孤島后電流變?yōu)?。示波器測量的是逆變器與電網(wǎng)之間公共點，孤島后，電網(wǎng)斷開，電網(wǎng)與逆變器之間的電流為0，但是由于逆變器仍正常運行，此時電壓不為0，孤島檢測成功即逆變器停止后，示波器中電壓也變?yōu)?，那么電流變?yōu)?至電壓變?yōu)?之間的時間段即為孤島檢測時間。

當兩種方法產(chǎn)生的諧波均為5%時，其檢測結果如圖13和圖14所示。圖13為AFD法的檢測結果，如圖所示孤島后，電流完全為零，檢測時間超過2 s電壓仍在正常范圍，說明系統(tǒng)運行在孤島狀態(tài)，故AFD法檢測失敗。如圖14所示新主動法的檢測結果，孤島后，電流完全變?yōu)?，0.5 s內(nèi)電壓降為0，逆變器停止運行，該方法成功檢測出孤島。

圖13 AFD法檢測結果

圖14 新主動法檢測結果

從仿真和實驗結果看，在相同的條件下，本文提出的主動法要比傳統(tǒng)的AFD法更具有優(yōu)勢，檢測時間更短，諧波更低，由于仿真環(huán)境是理想環(huán)境，沒有干擾，也不考慮電路之間的干擾及元器件的影響，所以檢測時間較快，然而在實際試驗中的檢測速度稍慢，如圖14所示。

4 結論

AFD檢測法是一種有效的主動孤島檢測法，但是該方法帶來的諧波較高，若要降低諧波，檢測速度就會降低，盲區(qū)也隨之增大，雖然改進的AFD法在一定程度上進行了改善，但是諧波仍然較高，或者以檢測速度為代價。本文提出的新主動法與傳統(tǒng)的AFD檢測法相比，采用了不同的擾動方法，可以在有效減小諧波的同時，快速檢測出孤島，并減小了檢測盲區(qū)。故本文提出的新主動法對現(xiàn)有的孤島檢測方法的改良具有理論和實際意義。

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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

張瑞葉（1988-），女，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動；E-mail：ruiyezhang@126.com

張少如（1971-），女，通信作者，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為電力電子與電力傳動；

王平軍（1966-），男，本科，實驗師，研究方向為新能源。

河北省自然科學基金(E2013205173)；河北省教育廳基金項目（2009141）；河北師范大學博士基金項目（L2008B04）；碩士研究生科研基金項目（201202007）