摘  要： 針對傳統(tǒng)主動移頻式孤島檢測（Active Frequency Drift,，AFD）方法總諧波失真度高和檢測時間不夠理想的問題，提出了一種改進的AFD孤島檢測方法,。通過并網(wǎng)光伏系統(tǒng)向電網(wǎng)注入近似的余弦波,，采用坐標平面分析對傳統(tǒng)方法與該方法的總諧波失真與檢測盲區(qū)進行分析描述,。最后，通過MATLAB/Simulink進行仿真,。仿真結果表明,，該方法能顯著減小總諧波失真、有效地縮短了孤島檢測時間,。

　　關鍵詞： 孤島檢測,；總諧波失真；檢測盲區(qū),；仿真分析

0 引言

　　隨著地球環(huán)境污染的加劇和常規(guī)能源的逐漸枯竭,，新能源的開發(fā)利用成為當前的研究熱點，基于可再生能源的分布式發(fā)電技術不僅能提高能源利用率,，而且可以保持較高的電能指標,，光伏發(fā)電是其中潛力最大的一種可再生綠色能源[1]。光伏發(fā)電（Photovoltaic,，PV）作為其中一種重要的發(fā)電形式,，仍存在三大主要難題：最大功率跟蹤控制、并網(wǎng)技術和孤島檢測,。實際上,，孤島效應問題是包括光伏發(fā)電在內(nèi)的分布式發(fā)電系統(tǒng)的一個比較基本的問題，所謂孤島效應[2]是指：在圖1所示的分布式發(fā)電系統(tǒng)（Distributed Generation,，DG）中,，當電網(wǎng)在供電時由于故障或者停電維修跳閘時，各用戶端的分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不能及時檢測出停電狀態(tài)就不能及時將自身切離市電網(wǎng)絡,，從而形成了由分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和其相連負載組成的一個自給供電的孤島發(fā)電系統(tǒng),。

　　孤島會威脅電網(wǎng)維修人員的安全，可能損壞設備,、燒毀發(fā)電系統(tǒng)等,。因此，及時,、準確地檢測出孤島意義重大。孤島檢測方法通常分為兩類：被動式孤島檢測和主動式孤島檢測,。被動式檢測方法雖然簡單,、有效，并對電網(wǎng)電能沒有影響,，但是檢測盲區(qū)（Non-Detection Zone,，NDZ）大，且在某些情況下檢測速度較慢,，不能滿足國家標準[3],。因此,，研究人員提出了主動式反孤島策略方法。

　　AFD的原理是通過并網(wǎng)光伏系統(tǒng)向電網(wǎng)注入略微有點變形的電流,，以形成一個連續(xù)改變頻率的趨勢,，從而實現(xiàn)孤島檢測。為了進一步減少檢測盲區(qū),，提高檢測質量,，減少總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD）,，研究人員提出了一些改進方案,。參考文獻[4]提出了一種基于奇偶周期之間輪流改變逆變器輸出電流頻率的方法，該方法與傳統(tǒng)的AFD方法相比,，確實減少了檢測盲區(qū),，但是其檢測時間需要比較長。參考文獻[5]提出一種基于負序電壓分配因子的孤島檢測方法,，該方法抗電網(wǎng)擾動能力強,，但需要引入負序電源，同時,，基于負序電流的孤島檢測方法可能受電網(wǎng)側非對稱故障的影響,。

　　基于以上分析，本文提出了一種改進的AFD方法,，它與傳統(tǒng)的AFD方法相比,，既能夠大幅度減少THD又能夠縮短孤島檢測時間，當與傳統(tǒng)的AFD方法具有相同的THD時,，其NDZ會比較小,。利用MATLAB/Simulink環(huán)境，對本文所提及的AFD方法進行仿真,，從而驗證了此方法的高效性,。

1 AFD基本原理[6]

　　AFD算法的工作原理如圖2所示。

　　以一個給出的正弦波為對照,，在正弦波中插入死區(qū),，可見并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的輸出電流頻率被相應地提高了。零傳導時間tz在逆變器輸出的參考電流波形中都有出現(xiàn),，因為有了tz的存在,，所以獲得的參考電流與初始參考電流相比，相位角變化了,，從而向電網(wǎng)注入了無功功率,。無功功率/有功功率（Q/P）和THD的關系為：

　　其中，cf為半個電壓波形中tz所占的比率,。

　　傳統(tǒng)AFD方法的NDZ為：

　　其中,，R,、L和C分別為負載的電阻、電感和電容,，為分布式電源與電網(wǎng)的公共連接點（Point of Common Coupling,，PCC）處的角頻率。

　　但是RLC負載的品質因素越大,，孤島檢測越容易失敗,，所以相對被動檢測方法，傳統(tǒng)的AFD方法雖然能夠減小NDZ,，但還是存在較大的NDZ,，而且THD也比較大。

2 算法改進

　　2.1 相關分析

　　為了減小NDZ和THD,，而且不影響孤島的檢測特性,，參考文獻[7]提出了另一種電流擾動方程，如圖3所示,。向初始參考波注入階躍變化波形,，也就是不改變電流頻率而改變部分電流的幅值，從而打破平衡來檢測孤島效應的發(fā)生,。此電流方程為：

　　其中,，0為電網(wǎng)頻率，I為電流幅值,，k（0<k<1）為擾動系數(shù),。

　　圖3中所提出的AFD方法的Q/P和THD分別為：

　　其中，N為注入的階躍波形的幅度,。

　　通過式（4）和式（5）可以得到Q/P與THD之間的關系,，進而得到此AFD方法的NDZ為：

　　通過式（3）~式（6）可得，在相同的Q/P的前提下,，此AFD方法的NDZ確實比傳統(tǒng)的AFD方法減少了30%左右的THD,。

　　2.2 改進算法的分析[8]

　　參考文獻[7]中的方法雖然減少了THD和NDZ，但是改進程度有限,，檢測速度也不理想,。由于當沒有THD問題時，純正的余弦波注入到同頻率的正弦波中時可獲得無功功率,，而向系統(tǒng)中注入額外的無功功率就是需要用來檢測孤島效應的,。于是本文提出了一種改進的AFD方法，就是將一近似余弦的波注入到初始參考波形中,，如圖4所示。

　　從圖4可得到電流方程為：

　　為了分析本文所提方法的參考電流波形的諧波分量和相位角,，根據(jù)傅里葉變換可得：

　　其中,，a1和b1分別為基波電流的傅里葉系數(shù),，基波的位移角，Irms和I1rms分別為本文方法的電流波和它的基波的均方根,。

　　通過式（12）和式（13）可以得到本文方法的波形的THD為：

　　通過式（10）和式（13）可得到THD和Q/P的關系,。圖5為傳統(tǒng)AFD方法和本文AFD方法中THD和Q/P的關系圖線，可以看到,，對于給定的Q/P,，本文方法的THD比傳統(tǒng)方法的要低得多。

　　從圖5中可以知道,，本文方法的Q/P比傳統(tǒng)方法的增加了4.5倍,。比如說當THD=4%時，傳統(tǒng)方法Q/P=4%,，而本文方法Q/P=18%,，也就是說，當它們具有相同的THD時,，本文方法比傳統(tǒng)方法需要更少的檢測時間,。

　　圖6為當本文AFD方法和傳統(tǒng)AFD方法都具有相同THD=5%時，它們在Qf×Cnorm坐標平面的NDZ位置,。當這兩種方法具有相同的NDZ寬度時,，本文方法的NDZ位置比傳統(tǒng)方法的高，高的NDZ位置顯示了本文方法在實際檢測孤島時具有更高的可靠性,。因此本文方法不僅能有效地檢測孤島效應,，更能夠減小對電流波的THD影響。

3 孤島檢測的仿真分析

　　3.1 仿真參數(shù)

　　為了驗證本文AFD方法的高效性,，設計了單相全橋逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)在MATLAB/Simulink上進行仿真,。2.2 kW單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)電壓為220 V/50 Hz，頻率保護動作閾值為50±0.5 Hz,，負載品質因素Qf為2.5,，取負載諧振頻率為50 Hz的最壞情況下來進行仿真實驗，則可用負載值為：R=22 ?贅,，L=28.4e-3 H,，C=367e-6 F，設置在0.3 s時斷網(wǎng),。

　　圖8顯示的是在Q/P=5%時,，傳統(tǒng)AFD方法和本文AFD方法的逆變器輸出電流的仿真圖。

　　圖9顯示的是在兩種方法具有不同的THD值時,，它們各自電流的波譜圖,。從圖8中可以知道本文AFD方法輸出的電流近似為正弦波，那么它就應該具有最小的THD，這個在圖9中有所體現(xiàn),。

3.2 孤島檢測速度

　　在傳統(tǒng)AFD方法和本文AFD方法各自的諧波分量比較小的條件下,，取Cnorm=1.03和Qf=2.5。本文AFD方法比傳統(tǒng)AFD方法快很多,，如圖10所示,，電網(wǎng)在0.3 s時斷網(wǎng)，傳統(tǒng)AFD方法在斷網(wǎng)后0.3 s內(nèi)檢測不到孤島發(fā)生,，而本文的AFD方法在斷網(wǎng)0.06 s時就能檢測到孤島發(fā)生,，滿足國家標準[3]的要求。

4 結論

　　本文根據(jù)國家標準的要求,，分析總結以前的AFD方法,，提出了一種改進的AFD方法，即向初始電流波注入近似余弦波從而減少并網(wǎng)時產(chǎn)生電流波的THD,。通過對電流波形進行傅里葉變換,，從理論上對傳統(tǒng)的AFD方法和本文AFD方法的NDZ和THD進行了對比分析，進一步根據(jù)實際的2.2 kW單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進行了仿真分析,，驗證了此方法的高效性,。與傳統(tǒng)AFD方法相比，本文AFD方法既可以減少更多的THD,，又可以減少檢測孤島的時間,。

參考文獻

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