摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)主動(dòng)移頻式孤島檢測(cè)（Active Frequency Drift,，AFD）方法總諧波失真度高和檢測(cè)時(shí)間不夠理想的問題,，提出了一種改進(jìn)的AFD孤島檢測(cè)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(biāo)平面分析對(duì)傳統(tǒng)方法與該方法的總諧波失真與檢測(cè)盲區(qū)進(jìn)行分析描述,。最后，通過MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真,。仿真結(jié)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(cè)時(shí)間,。
關(guān)鍵詞： 孤島檢測(cè),；總諧波失真；檢測(cè)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(dāng)前的研究熱點(diǎn)，基于可再生能源的分布式發(fā)電技術(shù)不僅能提高能源利用率,，而且可以保持較高的電能指標(biāo),，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(shù)和孤島檢測(cè),。實(shí)際上，孤島效應(yīng)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(gè)比較基本的問題,，所謂孤島效應(yīng)[2]是指：在圖1所示的分布式發(fā)電系統(tǒng)（Distributed Generation,，DG）中，當(dāng)電網(wǎng)在供電時(shí)由于故障或者停電維修跳閘時(shí),，各用戶端的分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)就不能及時(shí)將自身切離市電網(wǎng)絡(luò),，從而形成了由分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和其相連負(fù)載組成的一個(gè)自給供電的孤島發(fā)電系統(tǒng)。
孤島會(huì)威脅電網(wǎng)維修人員的安全,，可能損壞設(shè)備,、燒毀發(fā)電系統(tǒng)等。因此,，及時(shí),、準(zhǔn)確地檢測(cè)出孤島意義重大。孤島檢測(cè)方法通常分為兩類：被動(dòng)式孤島檢測(cè)和主動(dòng)式孤島檢測(cè),。被動(dòng)式檢測(cè)方法雖然簡(jiǎn)單,、有效，并對(duì)電網(wǎng)電能沒有影響,，但是檢測(cè)盲區(qū)（Non-Detection Zone,，NDZ）大,，且在某些情況下檢測(cè)速度較慢，不能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3],。因此,，研究人員提出了主動(dòng)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(diǎn)變形的電流,，以形成一個(gè)連續(xù)改變頻率的趨勢(shì),，從而實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)。為了進(jìn)一步減少檢測(cè)盲區(qū),，提高檢測(cè)質(zhì)量,，減少總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD）,，研究人員提出了一些改進(jìn)方案,。參考文獻(xiàn)[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(shí)減少了檢測(cè)盲區(qū),，但是其檢測(cè)時(shí)間需要比較長(zhǎng)。參考文獻(xiàn)[5]提出一種基于負(fù)序電壓分配因子的孤島檢測(cè)方法,，該方法抗電網(wǎng)擾動(dòng)能力強(qiáng),，但需要引入負(fù)序電源，同時(shí),，基于負(fù)序電流的孤島檢測(cè)方法可能受電網(wǎng)側(cè)非對(duì)稱故障的影響,。
基于以上分析，本文提出了一種改進(jìn)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(cè)時(shí)間，當(dāng)與傳統(tǒng)的AFD方法具有相同的THD時(shí),，其NDZ會(huì)比較小,。利用MATLAB/Simulink環(huán)境，對(duì)本文所提及的AFD方法進(jìn)行仿真,，從而驗(yàn)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(gè)給出的正弦波為對(duì)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(yīng)地提高了。零傳導(dǎo)時(shí)間tz在逆變器輸出的參考電流波形中都有出現(xiàn),，因?yàn)橛辛藅z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(guān)系為：
其中,，cf為半個(gè)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(fù)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(diǎn)（Point of Common Coupling,，PCC）處的角頻率。
但是RLC負(fù)載的品質(zhì)因素越大,，孤島檢測(cè)越容易失敗,，所以相對(duì)被動(dòng)檢測(cè)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(jìn)
2.1 相關(guān)分析
為了減小NDZ和THD,，而且不影響孤島的檢測(cè)特性,，參考文獻(xiàn)[7]提出了另一種電流擾動(dòng)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(cè)孤島效應(yīng)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(dòng)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(guān)系，進(jìn)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(shí)比傳統(tǒng)的AFD方法減少了30%左右的THD。
2.2 改進(jìn)算法的分析[8]
參考文獻(xiàn)[7]中的方法雖然減少了THD和NDZ,，但是改進(jìn)程度有限,，檢測(cè)速度也不理想。由于當(dāng)沒有THD問題時(shí),，純正的余弦波注入到同頻率的正弦波中時(shí)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(cè)孤島效應(yīng)的。于是本文提出了一種改進(jìn)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(guān)系,。圖5為傳統(tǒng)AFD方法和本文AFD方法中THD和Q/P的關(guān)系圖線，可以看到,，對(duì)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(dāng)THD=4%時(shí)，傳統(tǒng)方法Q/P=4%,，而本文方法Q/P=18%,，也就是說，當(dāng)它們具有相同的THD時(shí),，本文方法比傳統(tǒng)方法需要更少的檢測(cè)時(shí)間,。
圖6為當(dāng)本文AFD方法和傳統(tǒng)AFD方法都具有相同THD=5%時(shí)，它們?cè)赒f×Cnorm坐標(biāo)平面的NDZ位置,。當(dāng)這兩種方法具有相同的NDZ寬度時(shí),，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(shí)際檢測(cè)孤島時(shí)具有更高的可靠性,。因此本文方法不僅能有效地檢測(cè)孤島效應(yīng),，更能夠減小對(duì)電流波的THD影響。
3 孤島檢測(cè)的仿真分析
3.1 仿真參數(shù)
為了驗(yàn)證本文AFD方法的高效性,，設(shè)計(jì)了單相全橋逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)在MATLAB/Simulink上進(jìn)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(hù)動(dòng)作閾值為50±0.5 Hz,，負(fù)載品質(zhì)因素Qf為2.5,，取負(fù)載諧振頻率為50 Hz的最壞情況下來進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，則可用負(fù)載值為：R=22 ?贅,，L=28.4e-3 H,，C=367e-6 F，設(shè)置在0.3 s時(shí)斷網(wǎng),。
圖8顯示的是在Q/P=5%時(shí),，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(shí)，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(yīng)該具有最小的THD，這個(gè)在圖9中有所體現(xiàn),。
3.2 孤島檢測(cè)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(shí)斷網(wǎng)，傳統(tǒng)AFD方法在斷網(wǎng)后0.3 s內(nèi)檢測(cè)不到孤島發(fā)生,，而本文的AFD方法在斷網(wǎng)0.06 s時(shí)就能檢測(cè)到孤島發(fā)生,，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3]的要求。
4 結(jié)論
本文根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求,，分析總結(jié)以前的AFD方法,，提出了一種改進(jìn)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(shí)產(chǎn)生電流波的THD,。通過對(duì)電流波形進(jìn)行傅里葉變換,，從理論上對(duì)傳統(tǒng)的AFD方法和本文AFD方法的NDZ和THD進(jìn)行了對(duì)比分析，進(jìn)一步根據(jù)實(shí)際的2.2 kW單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析,，驗(yàn)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(cè)孤島的時(shí)間,。
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