乔家振 杨淑连 李田泽 南雪

摘 要： 孤岛检测是并网光伏逆变器保护电气设备和相关维修人员安全所必备的功能，要求其检测算法不仅具有较快的检测速度，而且还要尽量减少对电能质量的不良影响。传统的主动频移式孤岛检测算法行之有效，但是由于电流扰动量的存在，对其输出的电能质量影响较大。针对上述问题，通过对其扰动原理进行研究，提出一种新型主动频移式孤岛检测方案，该方案通过移相的方式实现频移。仿真结果表明，频移式新算法检测盲区小，与传统频移法相比总谐波畸变率降低了24.8%，检测速度提前了0.1 s。该算法在有效减少谐波畸变率的同时提高了检测速度，显著提高了注入电网的电能质量。

关键词： 并网光伏系统； 主动移频； 孤岛检测； 扰动方式； 谐波； 分布式发电

中图分类号： TN98?34； TM615 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）17?0132?04

Abstract： The islanding detection is a necessary function for photovoltaic grid?connected inverter to protect the electrical equipment and related maintenance personnel security， and its detection algorithm should have fast detection speed and active power quality effect. The traditional active frequency drift algorithm for islanding detection is effective， but its current disturbance quantity has a great influence on the output power quality. Aiming at the above problems， a new type of active frequency drift scheme for islanding detection is proposed by studying its disturbance principle， which can realize the frequency drift by means of phase drift. The simulation results show that the new frequency drift detection algorithm has small non?detection zone， its total harmonic distortion rate is reduced by 24.8% and the detection speed is 0.1 s improved than that of the traditional frequency drift method. The algorithm improves the detection speed while effectively reducing the harmonic distortion rate， and significantly improves the power quality of power grid.

Keywords： photovoltaic grid?connected system； active frequency drift； islanding detection； disturbance mode； harmonic； distributed generation

0 引 言

近年来，可再生能源以其清洁环保、可再生等特点得到了迅速发展，越来越多的分布式发电（Distributed Generation，DG）系统接入到电网中，使得孤岛效应问题日益突出，引起了人们越来越多的关注。孤岛效应[1]是指在电网突然停止供电后，光伏发电装置未能及时检测出电网的失电状态，并继续向失压的电网供电，并与其周围的负载形成一个自给供电的孤岛系统。孤岛效应的发生有诸多危害，因此，光伏发电系统并网时必须采取有效措施来防止孤岛效应的发生。

反孤岛策略通常分为被动式方案和主动式方案两类[2?4]。被动式方案通过测量系统中频率或电压的异常来识别孤岛现象，该方法简单、有效，并且对电网电能质量没有污染，但存在较大的不可检测区域（Non?detection Zone，NDZ）。而主动式方案通过向逆变器的输出注入扰动来判断孤岛的发生，虽然有效减小了检测盲区，但或多或少对电能质量造成不良影响。在主动式孤岛检测方案中，主动频移（Active Frequency Drift，AFD）[5?9]是一种较好的孤岛检测方法，无需在系统中添加任何硬件，且对孤岛检出率高。但是该算法中电流给定非正弦引入的电流畸变，增加了总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion，THD），从而对电能质量产生了更大的不利影响。

本文在前人研究的基础上提出一种新的主动频移式孤岛检测方案，其电流给定为正弦波，仅在电流波形的第二和第四个[14]处进行扰动，通过移相的方式来移频。与传统AFD检测方案相比，不仅电流畸变率低，而且检测速度快，并通过Matlab仿真进行验证。

1 传统AFD算法原理

光伏并网发电系统等效模型如图1所示。系统正常工作时，光伏并网发电系統受电网的钳制，二者同时向负载供电。而当电网断开连接时，负载由光伏系统单独供电。在电网断开连接时，若逆变器的输出功率与负载功率不匹配，逆变器输出频率就会发生较大的偏移，当偏移量超出所设定的阈值时，系统将自动检测出孤岛的发生[10]。

传统的主动频移（AFD）反孤岛策略原理[11]为：通过并网光伏系统向电网注入略微有点变形的电流，以形成一个连续改变频率的趋势。当孤岛发生时，公共连接点电压的过零点比期望的提前到达，因此其电压和逆变器输出电流之间的相位差将会增加，这样光伏并网逆变器能继续检测到二者的频率误差并再次增加公共连接点的电压频率，当频率偏移量足够大时，就会触发孤岛保护。

传统主动频移（AFD）法的电流波形如图2所示，[Iref]为参考电流波形，[Irej]为注入的谐波波形，[IAFD]为AFD法时逆变器的输出电流波形，[tz]定义了扰动的深度，[T]为参考电流的周期，τ为传统主动频移法电流的周期。

对于并网逆变器来说，AFD方案原理简单，容易实现。特别是在负载为纯阻性的情况下能有效阻止光伏并网系统的孤岛运行，检测盲区（NDZ）比被动式反孤岛策略更小。但是其电流给定为非正弦，增加了总谐波畸变率（THD），给并网电能质量带来了较大的不良影响。

2 新型频移式算法原理

通过对传统主动频移（AFD）法的扰动原理进行分析，本文提出一种新型扰动方式的孤岛检测方案。其电流波形如图3所示，通过在电流的第二和第四个[14]处施加扰动，有效的移动了正弦波电流波形的相位角，通过移相的方式来实现频移。该方法不仅使电流的频率发生偏移，而且与传统AFD法相比，输出的电流波形是正弦波，没有发生畸变，有效的减少了电流给定非正弦所产生的THD。

因此，由式（4），式（8）和式（10）可知，当以上两种孤岛检测方案的功率比均为5%时，频移式新算法的THD是3.2%，传统主动频移（AFD）法的THD是5%。可见，与传统孤岛检测法相比，频移式新算法的谐波畸变率减少了36%。同时由文献[6]可知，增加注入负载的无功功率将会减小孤岛检测的非检测区域，当以上两种方法的THD均为3.2%时，所提算法注入负载的无功比传统AFD法多，从而具有更小的检测盲区，能更好地实现孤岛检测。

3 仿真验证

3.1 仿真参数设置

针对以上分析，本文利用400 V单项、小容量光伏发电系统对所提算法的孤岛检测性能用Matlab/ Simulink进行仿真验证。仿真中采用恒电流控制的逆变器，电网电压为220 V，电网频率为50 Hz。由文献[14]可知，仿真时选取负载为RLC并联负载，并且负载消耗的功率与并网光伏系统的输出功率相匹配。取品质因数为2.5，谐振频率为50 Hz的最坏的情况进行仿真实验。则可用负载值为：[R=]6 Ω，[L=]7.45 mH，[C=]1 300 μF。仿真时间设置为0.4 s，公共电网在0.06 s断开。

3.2 仿真结果

传统AFD法和新型频移式算法的仿真电流波形分别如图4，图5所示。

谐波分析和孤岛检测结果如图6～图9所示。为了便于对比，仿真时两种算法选取相同的扰动量。当[tz=]0.1 ms（[α=]0.03）时，传统AFD法和新型孤岛检测法的输出电流波形谐波分析分别如图6，图7所示。由图可知，传统AFD法的总谐波畸变率（THD）为3.23%，新型频移式算法的谐波畸变率（THD）为2.43%；与传统AFD算法相比，新算法下的谐波畸变率降低了24.8%，有效地减少了注入电网的谐波，提高了电能质量。

传统AFD法和新型孤岛检测方法的孤岛检测结果如图8，图9所示。由图可知，在扰动量相同的条件下，传统AFD法在电网断开后0.26 s检测到孤岛，而新算法在电网断网后0.16 s检测到孤岛的发生；断网后频率被更快地推至正常范围以外，比传统AFD法的检测时间提前了0.1 s。

4 结 语

本文对传统主动频移AFD算法的扰动原理进行详细分析，立足减少算法产生的谐波对电网电能质量的不良影响，提出一种与传统AFD法扰动方式不同的孤岛检测新算法。经过仿真验证，该算法原理简单，满足孤岛检测标准的要求，与传统AFD法相比总谐波畸变率（THD）降低了24.8%，检测速度提高了0.1 s。所提算法在有效减少谐波的同时提高了检测速度，同时具有更小的检测盲区，因此该算法对并网光伏发电系统现有孤岛检测算法的进一步完善具有重要意义。

注：本文通讯作者为杨淑连。

参考文献

[1] ROPP M E， BEGOVIC M， ROHATGI A. Analysis and performance assessment of the active frequency drift method of islanding prevention [J]. IEEE transactions on energy conversion， 1999， 14（3）： 810?816.

[2] 程启明，王映斐，程尹曼，等.分布式发电并网系统中孤岛检测方法的综述研究[J].电力系统保护与控制，2011，39（6）：147?154.

CHENG Qiming， WANG Yingfei， CHENG Yinman， et al. Overview study on islanding detecting methods for distributed generation grid?connected system [J]. Power system protection and control， 2011， 39（6）： 147?154.

[3] 蒋翠，祁新梅，郑寿森.带电压频率正反馈的主动移频式孤岛检测方法[J].电力系统保护与控制，2014，42（8）：95?100.

JIANG Cui， QI Xinmei， ZHENG Shousen. Active frequency drift islanding detection with positive feedback of voltage frequency [J]. Power system protection and control， 2014， 42（8）： 95?100.

[4] ROPP M E， BEGOVIC M， ROHATGI A. Prevention of islan?ding in grid?connected photovoltaic systems [J]. IEEE transactions on energy conversion， 1999， 14（3）： 39?59.

[5] GE Y， SUN J， WANG G， et al. Improved active frequency drift anti?islanding detection method [C]// 2015 International Conference on Materials Engineering and Information Technology Applications. [S.l.]： ACM， 2015： 1?6.

[6] YAFAOUI A， WU B， KOURO S. Improved active frequency drift anti?islanding detection method for grid connected photovoltaic systems [J]. IEEE transactions on power electronics， 2012， 27（5）： 2367?2375.

[7] 黎璋霞，罗晓曙，廖志贤，等.改进的正反馈主动频移式孤岛检测方法[J].电力系统及其自动化学报，2015，27（4）：13?17.

LI Zhangxia， LUO Xiaoshu， LIAO Zhixian， et al. Improved active frequency drift with positive feedback islanding detection method [J]. Proceedings of the CUS?EPSA， 2015， 27（4）： 13?17.

[8] ROPP M E， BEGOVIC M， ROHATGI A， et al. Determining the relative effectiveness of islanding detection methods using phase criteria and nondetection zones [J]. IEEE transactions on energy conversion， 2000， 15（3）： 290?296.

[9] 邓燕妮，桂卫华.一种低畸变的主动移频式孤岛检测算法[J].电工技术学报，2009，24（4）：219?223.

DENG Yanni， GUI Weihua. An improved active frequency?drift method for islanding detection with low harmonics distortion [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2009， 24（4）： 219?223.

[10] 张瑞叶.分布式并网光伏发电系统的孤岛检测技术[D].石家庄：河北师范大学，2014.

ZHANG Ruiye. Islanding detection techniques on grid?connected distributed photovoltaic power generation system [D]. Shijiazhuang： Hebei Normal University， 2014.

[11] YAFAOUI A， WU B， KOURO S. Improved active frequency drift anti?islanding method with lower total harmonic distortion [C]// 2010 IEEE Conference on Industrial Electronics Society. Glendale： IEEE， 2010： 3216?3221.

[12] 刘芙蓉，康勇，王辉，等.主动移相式孤岛检测的一种改进的算法[J].电工技术学报，2010，25（3）：172?176.

LIU Furong， KANG Yong， WANG Hui， et al. An improved active phase?shift method for islanding detection [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2010， 25（3）： 172?176.

[13] JUNG Y， CHOI J， YU B， et al. A novel active frequency drift method of islanding prevention for the grid?connected photovoltaic inverter [C]// 2005 IEEE Power Electronics Specialists Conference. Recife： IEEE， 2005： 1915?1921.

[14] IEEE Society. 929?2000： IEEE recommended practice for utility interface of photovoltaic （PV） systems [S]. US： IEEE Society， 2000.