基于改进的低谐波孤岛检测技术研究

宋治楷+胥飞+王恒

摘 要：低谐波孤岛的发生不仅会导致电力系统设备损坏，严重时还会出现威胁电力系统维修人员生命安全等一系列问题。因此，光伏并网发电系统必须具备孤岛检测功能，以保证电网的安全运行。传统的AFD（Active Frequency Drift）检测方法在不同的负载下的检测效果不同，对纯阻性负载检测效果比较好。虽然科研工作者提出了基于反馈调节、周期性扰动的AFD法，可以减小THD，但同时减慢了检测速度。鉴于此，提出了一种改进型的低谐波孤岛检测方案，比传统的 AFD检测方法的谐波少、盲区小，检测速度更快，并搭建了Matlab/Simulink仿真模型。仿真结果表明，该方法比传统的AFD检测方法更具有优势。

关键词：低谐波孤岛；谐波；AFD检测；电流波形

中图分类号：TM615 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.010

随着光伏并网发电的发展，越来越多的并网发电系统并接到电网上时，出现了电网保护的新现象——孤岛效应，其带来的危害不容忽视。常用的反孤岛现象的检测方法有被动式孤岛检测和主动式孤岛检测。对于被动式检测方法，具有原理简单、容易实现、对电能质量无影响的优点，但检测盲区大；主动式孤岛检测虽然检测盲区较小，但均会对并网系统输出电能质量造成影响，且实现方法比较复杂。为了降低总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD），国内外研究者提出了改进型AFD（Active Frequency Drift）法，这些方法虽然在一定程度上减少了谐波，但却以牺牲检测速度为代价。本文提出的方案不仅比传统AFD检测产生的谐波少，且降低了对电能质量的影响，检测速度快，进一步缩小了检测盲区。

1 AFD法的检测原理

对于并网光伏发电系统有以下计算公式：

传统的AFD检测法通过注入谐波电流来改变输出电流的频率，使电流频率产生偏移。当系统正常运行时，由于公用电网的钳制作用，电流频率的偏移不会使系统电压产生偏移；孤岛出现时，公用电网停电，不再对分布式发电系统起钳制作用，电流频率的偏移促使电压频率产生偏移，当频率超出阈值范围时，则触发孤岛保护。

AFD法的电流波形如图1所示，图1中的Iref为初始参考电流波形，Irej为注入谐波电流波形。图1的下半部分展示了注入谐波电流Iref后的电流IAFD与初始参考电流Iref的波形对比。在tz时间内，电流强制为0，时间tz决定了扰动深度的大小。τ为AFD电流的周期，T为参考电流的周期。

传统的AFD孤岛检测法较为简单，容易控制，比被动检测法的盲区小，可靠性更高。相比基于通讯的反孤岛策略，造价更低，对于纯阻性负载检测效果好，但AFD法造成的谐波较多。如果减小扰动深度，谐波也会随之减少，但检测速度会变慢，且增加了检测盲区。

2 低谐波法的检测原理

低谐波法通过注入谐波电流来改变输出电流的频率，使电流频率产生固定的偏移。与AFD法不同的是，这种方法下电流波形的畸变更小一些，如图2所示。在新的扰动方式下，参考电流波形为：

*[基金项目]上海市专业学位研究生实践基地建设子项目（编号：G2-12YSJJK01-012）

图2的上半部分中，Iref为初始参考电流波形，Irej为注入的谐波电流的电流波形；下半部分为注入谐波电流Iref后的电流I0与初始参考电流Iref的波形对比。其中，α为低谐波法参考电流与初始参考电流的相位差，α=πCf=arcsink，k为扰动深度，τ为新主动法电流的周期，T为初始参考电流的周期。

由于改进法的移频机理没有变，至零点改为2个，该方法的谐波可近似为：

因此，当两种方法注入电网的无功均为7.5%时，低谐波法注入电网的THD为2.4%，而AFD法注入电网的THD为7.5%，低谐波法比AFD法的谐波减少很多；当两种方法的谐波均为2.4%时，低谐波法注入电网的无功为7.5%，AFD注入电网的无功为2.4%.因此，低谐波法的检测盲区比AFD法小。

3 参数设置和仿真结果

本文对220 V单相、小容量供电系统用Matlab/Simulink搭建了仿真模型。根据我国电能质量标准，容量较小时，频率的偏差为±0.5 Hz，并在2 s内将孤岛检测出来，注入电网电流的总谐波畸变率不超过5%.

本文利用Matlab/Simulink仿真，测得系统的有功为4.585 kW，无功为47 VA。在仿真时，将电路的品质因数调成2，谐振频率为50.2 Hz，仿真时间均设为3 s，公用电网在0.7s断开。为了验证该方法谐波低、检测速度快的优点，本文将该方法与传统的AFD 法进行了对比。

当t=0.255e-3时，传统的AFD和低谐波法注入电网电流波形如图3和图4所示。

传统的AFD方法中，孤岛现象出现2.25 s后才能被检测出来，检测时间超出了规定时间2 s，导致检测失败。而低谐波法在孤岛现象发生后的0.06 s内便可检测出该现象。由此可见，相比扰动法，低谐波法的盲区较小。当t=0.255e-3时，孤岛现象的检测结果分别如图5和图6所示。

对PCC点电流进行FFT（快速傅里叶）分析，当t=0.255e-3时，两种孤岛检测方法的THD分别如图7和图8所示，传统AFD检测法的THD为3.39%，而低谐波法的THD为3.15%.

当t=0.255e-3时，传统的AFD法和低谐波法的孤岛检测检測结果和谐波分析分别如图9、图10、图11、图12所示。

由图9、图10可以看出，当t=0.283e-3时，传统的AFD检测法在孤岛现象出现后的1.2 s内可将其检测出来；低谐波法在孤岛现象出现后的60 ms内可将其检测出来。由图11、图12可知，AFD法谐波增至3.56%，而低谐波法的THD仅为3.27%，低于传统AFD法。由此可见，低谐波法法与传统的AFD法相比，不仅检测速度快，而且谐波较少。

从仿真结果看，在相同的条件下，低谐波法要比传统的AFD法更具有优势，具有检测时间更短、谐波更少的特点。由于仿真环境是理想环境，没有干扰，也不用考虑电路之间的干扰及元器件的影响，因此，检测时间较快。然而，在实际试验中的检测速度会稍慢。

4 结束语

AFD检测法是一种有效的主动孤岛检测法，该方法造成的谐波较大。如果要减小谐波，则检测速度就会变慢，盲区也会随之增大。虽然改进的AFD法获得了一定的成效，但谐波仍然较大。而低谐波法与传统的AFD检测法相比，采用了不同的扰动方法，可以在有效减小谐波的同时，快速检测出孤岛现象，并缩小了检测盲区。

参考文献

[1]刘洋，王明渝，高文祥.微电网新型孤岛检测技术的研究[J].电力系统保护与控制，2012，40（12）.

[2]高金辉，程静，杨海波.光伏并网逆变器复合式孤岛检测方法[J].电力系统保护与控制，2012，40（11）.

[3]MASSOUD A M，AHMED K H.Harmonic distortion-based island detection technique for inverter-based distributed generation.IET Renewable Power Generation，2009，3（04）.

[4]王武，蔡逢煌，郑必伟.正反馈有源频率扰动孤岛检测的一种改进算法[J].电力电子技术，2012，46（02）.

〔编辑：张思楠〕