文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.030
中文引用格式： 李媛，陳華，郭俊輝，等. 包絡(luò)跟蹤芯片應(yīng)用中查找表的分析與確定[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(11)：108-111.
英文引用格式： Li Yuan，Chen Hua，Guo Junhui，et al. Research on islanding detection method for distributed generation grid-connected system[J].Application of Electronic Technique，2015，41(11)：108-111.
0 引言
隨著分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）技術(shù)快速發(fā)展，系統(tǒng)的安全防護(hù)問題不容忽視，孤島問題是其中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。孤島是指電網(wǎng)因故障事故或停電維修而跳閘后，用戶端的DG系統(tǒng)未能及時檢測出停電狀態(tài)而將自身切離主系統(tǒng)，形成由DG系統(tǒng)和周圍的負(fù)載組成的一個自給供電的孤島[1]。非計劃的孤島運(yùn)行會造成人身傷害或設(shè)備損毀。
本地檢測法分為主動式檢測和被動式檢測，主動式檢測法中的主動移相法是對輸出電流的相位施加擾動來實(shí)現(xiàn)的。最早出現(xiàn)的主動移相法是文獻(xiàn)[2-3]提出的滑模頻率偏移法（Slip-Mode Frequency Shift，SMS）和自動移相法（Automatic Phase Shift，APS），它們是典型的主動相位偏移方法，使用較廣泛，之后人們對主動移相法進(jìn)行了更深入的研究[4-8]。由于國外與我國所用電網(wǎng)參數(shù)不同，國外文獻(xiàn)中SMS算法的參數(shù)在國內(nèi)可能不適用，文獻(xiàn)[4]針對此問題給出了適用于國內(nèi)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的算法參數(shù)。文獻(xiàn)[5-8]研究了相位偏移孤島檢測法的機(jī)理并對主動移相法進(jìn)行改進(jìn)，使得檢測性能更優(yōu)。該類算法實(shí)現(xiàn)簡單，檢測能力強(qiáng)，電流畸變小，且適用于多逆變器的情形。
并網(wǎng)發(fā)電專用標(biāo)準(zhǔn)IEEEStd929-2000和ULl741規(guī)定并網(wǎng)逆變器必須具有孤島檢測保護(hù)的功能，且在其他方面滿足并網(wǎng)要求的情況下檢測時間越短效果越好[1]。本文提出一種改進(jìn)算法，能更快速有效地檢測出孤島，減小檢測盲區(qū)，且對電網(wǎng)的影響較小。
1 常見的主動移相式檢測算法
當(dāng)并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行時，其輸出的電流與電網(wǎng)電壓是同頻同相的。加入主動移相式孤島檢測算法后，逆變器輸出電流的頻率保持不變，但相位發(fā)生偏移，偏移大小由移相算法決定[4]。圖1為主動移相孤島檢測法的原理圖，其輸出電流參考信號是按周期給出的：由鎖相環(huán)檢測公共點(diǎn)電壓周期，從而得到公共點(diǎn)頻率，作為下一周期參考電流的頻率，電流周期以節(jié)點(diǎn)電壓的正向過零時刻為起點(diǎn)，初始相位由所采用的移相算法來確定。
主動移相法的典型代表SMS算法應(yīng)用較廣泛，按此法給定的起始相位由下式計算得出：
式中，m為設(shè)置的最大相移角；fm為最大相移角對應(yīng)的頻率；fg為電網(wǎng)頻率；f為所測公共點(diǎn)頻率。
為簡化參考電流初始相位計算公式并易于在DSP上實(shí)現(xiàn)，有人提出一種改進(jìn)算法，定義相位計算公式為：
式中，k為主動移相算法的反饋系數(shù)。
相較式（1），式（2）更加簡潔，更適合于DSP的應(yīng)用環(huán)境。當(dāng)本地負(fù)載為標(biāo)準(zhǔn)諧振負(fù)載時，式(2)中的反饋系數(shù)取k>0.1時能成功檢測出孤島。在該式中，k值變化引起相位變化，而相位同時影響著檢測效率和電能質(zhì)量，二者是相互矛盾的。
2 孤島運(yùn)行時負(fù)載頻率特性分析
孤島檢測測試標(biāo)準(zhǔn)中通常用RLC并聯(lián)諧振負(fù)載來代表實(shí)際運(yùn)行時的負(fù)載。對并聯(lián)諧振負(fù)載頻率特性進(jìn)行分析，負(fù)載品質(zhì)因數(shù)[5]：
式中，為諧振角頻率，f0為負(fù)載諧振頻率。
并聯(lián)RLC負(fù)載在頻率f電路下阻抗相角為[5]：
當(dāng)電網(wǎng)斷開后，公共連接點(diǎn)的電壓由電流和本地負(fù)載的乘積所得，通常將節(jié)點(diǎn)電壓取為參考向量，所以電壓相角取零，故：
根據(jù)式(5)與式(6)可以得出，在特定的負(fù)載情況下，孤島運(yùn)行時公共耦合點(diǎn)電壓的頻率與電流相位角的關(guān)系如下：
由上述關(guān)系可繪制公共耦合點(diǎn)電壓頻率隨電流相位角增大（減小）的變化趨勢圖，見圖2。其中曲線 1、2、3 分別代表額定頻率下呈阻性、感性和容性負(fù)載（通過改變諧振負(fù)載電容值實(shí)現(xiàn)）的節(jié)點(diǎn)電壓頻率跟隨電流初相位變化的規(guī)律。
從圖2中可以看出，在特定的負(fù)載情形下，隨著電流超前相位的不斷增加，公共連接點(diǎn)的頻率不斷增大，若電流滯后，頻率則逐漸減小。注意到，當(dāng)相位變化時該函數(shù)單調(diào)增加的快慢有所不同。隨著電流滯后相位的增加，起初頻率呈直線變化，而后相位每增大一點(diǎn)頻率迅速減??；電流超前情況下類似，頻率隨相位的增大，變化越來越迅速。
3 改進(jìn)的主動移相法
當(dāng)電網(wǎng)斷開后，公共點(diǎn)電壓頻率與相位偏移量是以正反饋的形式相互作用，使頻率不斷變化。由圖2得到的頻率變化規(guī)律可知，電流超前（滯后）相位連續(xù)變化時，頻率偏移速度越來越快。而相位偏移量主要受反饋系數(shù)的影響，為緩解主動移相法中相位變化時檢測時間和電能質(zhì)量之間的矛盾，提高檢測效率，提出一種改進(jìn)算法。當(dāng)檢測到頻率不斷朝一個方向變化時，設(shè)置如下條件：
式中?啄為設(shè)定的頻率允許波動值。當(dāng)頻率的波動超出限定范圍時，改變移相法反饋系數(shù)。
國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15945-1995《電能質(zhì)量—電力系統(tǒng)頻率允許偏差》規(guī)定，電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為0.2 Hz，所以此處取?啄=0.2。當(dāng)上述不等式成立時，相位偏移公式變?yōu)椋?/p>
改進(jìn)后算法流程見圖3。首先按照算法式(2)施加相位偏移，當(dāng)檢測到頻率向一個方向變動時，判斷條件式(8)是否滿足。若條件滿足，則認(rèn)為故障可能已發(fā)生，改變移相法反饋系數(shù)，按式(9)加入偏移量。通過增大反饋系數(shù)加強(qiáng)相位與頻率之間的正反饋?zhàn)饔?，達(dá)到快速檢測孤島的目的。反饋系數(shù)是在認(rèn)定故障已發(fā)生后增大的，因此不會增加并網(wǎng)電流的畸變率。仿真中取k=0.105。
4 仿真驗(yàn)證與分析
應(yīng)用MATLAB/Simulink對整個分布式發(fā)電系統(tǒng)搭建模型并進(jìn)行仿真研究。設(shè)置負(fù)載為標(biāo)準(zhǔn)諧振負(fù)載，負(fù)載功率與逆變器輸出功率相平衡，電網(wǎng)電壓為220 V，額定頻率為50 Hz。電網(wǎng)在0.2 s斷開，分別對改進(jìn)前后的主動移相法進(jìn)行仿真。
圖4為采用移相算法f時，電網(wǎng)斷開后公共節(jié)點(diǎn)電壓及電流的變化情況。圖5為頻率偏移情況。由圖可以看出該法能成功檢測出孤島，但直至0.45 s孤島保護(hù)才動作，檢測時間較長，不滿足IEEE Std.929- 2000標(biāo)準(zhǔn)中0.2 s內(nèi)有效檢測出孤島的要求。圖6和圖7為應(yīng)用改進(jìn)算法時公共點(diǎn)電壓、電流及頻率的變化情況。
從圖7中頻率的變化情況可以看出，當(dāng)頻率低于49.8 Hz改變算法反饋系數(shù)后，每一電壓周期的頻率變化量不斷增大，從而使頻率快速偏移出設(shè)定閾值，系統(tǒng)在0.36 s 時檢測出孤島并退出運(yùn)行。檢測時間為0.16 s，滿足0.2 s內(nèi)有效檢測出孤島的標(biāo)準(zhǔn)，檢測時間較改進(jìn)前縮短了約5個電壓周期。同時對改進(jìn)算法下的電能質(zhì)量進(jìn)行分析，圖8為并網(wǎng)運(yùn)行階段的電流波形，據(jù)此波形計算輸出電流的總諧波畸變率為0.15%，完全符合低于5%的并網(wǎng)要求，諧波含量非常小，對電網(wǎng)幾乎無影響。因此改進(jìn)算法能在保證較低電流畸變率的情況下，大大縮短檢測時間，提高檢測性能，減小盲區(qū)。
5 結(jié)論
本文針對已有的主動相位偏移法存在的檢測時間較長、檢測效率低下的問題，提出一種改進(jìn)算法。該方法是對逆變器輸出電流的相位施加擾動，進(jìn)而引起頻率的偏移。算法中加入一個反應(yīng)頻率變化的閾值條件，并根據(jù)條件滿足與否判別是否增大移相算法反饋系數(shù)，使得公共點(diǎn)電壓頻率迅速減小直到超出設(shè)定范圍，OFP/UFP動作，系統(tǒng)退出運(yùn)行。改進(jìn)算法保持了原算法在DSP上的易實(shí)現(xiàn)性，并使檢測時間大大減少，滿足IEEE Std.929-2000標(biāo)準(zhǔn)要求，且對電能質(zhì)量影響很小。通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了其檢測的有效性及快速性。
參考文獻(xiàn)
[1] 程啟明，王映斐，程尹曼，等.分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中孤島檢測方法的綜述研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(6)：147-154.
[2] SMITH G A，ONIONS P A，INFIELD D G.Predicting islanding operation of grid connected PV inverters[J].IEE Proc Electr.Power Appl.，2000，147(1)：1-6.
[3] HUNG G K，CHANG C C，CHEN C L.Automatic phase-photovoltaic inverters[J].IEEE Transactions on Energy Con-version，2003，18(1)：169-173.
[4] 劉芙蓉，王輝，康勇.滑模頻率偏移法的孤島檢測盲區(qū)分析[J].電工技術(shù)學(xué)報，2009，24(2)：178-182.
[5] 張純江，傘國成，孟慧英.一種新的自適應(yīng)相位偏移并網(wǎng)孤島檢測方法[J].燕山大學(xué)學(xué)報，2008，32(4)：356- 361.
[6] 劉芙蓉，康勇，王輝，等.主動移相式孤島檢測的一種改進(jìn)的算法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2010，25(3)：172-176.
[7] 李迎迎，丁寧.分布式發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)合型孤島檢測方法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(5)：54-57.
[8] 李菲，舒欣梅，何建平，等.一種改進(jìn)的孤島檢測策略在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(3)：58-60.