正反馈主动移频式孤岛检测法分析与改进

中图分类号:TS736+.2 文献标识码：A 文章编号：1000-100X(2019)03-0051-03Analysis and Improvement of Active Frequency Drift with

Positive Feedback Islanding Detection MethodLU Bin1, WU Chuan-xiu2(1 .Shanghai Institute of Technology y Shanghai 201418 , China)Abstract: Aim at a traditional active frequency drift with positive feedback(AFDPF), an improved method is proposed.

It has a period current disturbance within the normal fluctuation of grid frequency under island happening and a trun­cated system algorithm accelerates frequency drift.Experimental results verify that the proposed method meets the re­

quirement of anti-islanding standard well, it can detect the islanding operation effectively with faster detecting speed, smaller non-detection zone, and less current distortion from an inverter connected with power system.Keywords : islanding detection ； active frequency drift ； non-detection zone1引言进。实验结果表明：改进后的AFDPF加快检测速 并网式分布发电对电网的安全与稳定运行提

度，缩小检测盲区，减小对电力系统的谐波污染。出了挑战。孤岛检测是分布式发电系统并网时必 2 传统AFDPF法须解决的技术问题\"2】。孤岛检测方法主要有被动

式和主动式两种。单纯的被动检测法容易漏检，故

2.1 AFDPF工作原理图1为孤岛系统的检测原理图。主动移频法

常釆用主动与被动相结合的方式，主动对逆变器 (AFD)通过偏移逆变器输出电流参考频率来偏移

输出施加扰动，随时检测公共耦合点电压、频率、

公共耦合点a电压的频率从而进行孤岛检测。当

谐波等变化,判断电网存在情况。市电正常时，受电网频率的箝制，a点电压频率始

AFDPF是一种较好的主动式检测方法。它对

终为市电频率；电网一旦断电，逆变器参考电流中 孤岛检出率高，又无须添加任何硬件。但它是通过

频率扰动量使a点电压频率不断向频率增大或减

产生一定的频率扰动并观察其影响来判断孤岛， 小方向移动，最终触发频率保护装置动作。所以会对电网造成谐波污染，而且检测性能容易

受算法参数的影响，参数设置较小，可以减小对电 网的扰动，但检测盲区加大；反之，检测盲区减小， 但会恶化电能质量，甚至可能会引起电压闪变和

系统不稳定。因此,AFDPF算法的参数设置需要 图1孤岛系统原理图兼顾孤岛检测效果和电能质量两方面指标3bFig. 1 Schematic diagram of islanding system在传统AFDPF基础原理之上，针对其缺点和 AFDPF是在AFD基础上加入正反馈加速公

我国电力系统的实际情况，对AFDPF进行了改共点电压频率偏离，检测盲区减小。图2为逆变器

定稿日期:2018-07-02给定电流参考信号iL与公共点电压U.的示意图。 作者简介：陆斌(1970-),男，上海人，硕士，工程师，研 逆变器输出电流过零保持时间为心，截断系数“

究方向为自动控制及电力电子技术。定义为：电流过零点超前(或滞后)电压过零点的

51第53卷第3期电力电子技术2019年3月Power ElectronicsVol.53, No.3March 2019时间间隔血与半个电网周期T』2之比。AFDPF的

截断系数表示为：“=伽+丘(/%)

(1)式中：5为初始截断系数必为反馈增益;/为公共点电压

频率忆为电网额定频率。%图2色与几波形Fig. 2 Waveforms of ua and iL2.2 AFDPF检测盲区分析发生“孤岛”后，如果不关闭逆变器，公共点的 频率会发生波动，直到新的平衡产生，稳态时，则：

arctan{/?[wC-l/(wL)]}=wfz/2=Trcf/2 (2)

式中-R,L,C分别为本地负载电阻、电感和电容;a为公

共点电压角频率。AFDPF的孤岛检测盲区可由下式计算：CnomFtan ( ttc ¢/2+tt/c A/72) / 2«- 2Acu/w0+ 1 (3)

式中：，为C的标幺值,c“=GCg,C°为谐振电容，Cg=

l/CW),^为电网角频率；4/■为公共点频率与电网频率

之差，为公共点偏移角频率量；为品质因 数，&=/?/(加。)；5为初始截断系数。将断路器动作阈值对应的角频率波动上限

(2ttx0.5),下限(-2ttx0.5)代入式(3),得到不同k

和3时检测盲区分布如图3所示。如果负载参数 位于曲线所包含的范围内，孤岛检测就会失败。(a)A=0.05,cro=0.02和0.05 (1))^=0.0240.05和 0.1图3不同5和仏下AFDPF的检测盲区Fig. 3 Non-detection zone of AFDPF with different cro and k由图3可见，检测盲区分布在附近，即 负载固有谐振频率与电网频率相近时，检测失败 的可能性最大；3对检测盲区的宽度基本没有影

响，但是增大伽可使盲区的负载特性呈容性，提 高孤岛检测的有效性；增大正反馈增益仁可明显

减小盲区范围。2.3 AFDPF算法参数对电流畸变影响AFDPF工作时并网逆变器的电流参考信号不

是标准的正弦波，畸变电流会对电网造成污染。按

图4给电流参考信号建立坐标系。52图4逆变器电流参考信号Fig. 4 Inverter output reference current signal在[0,772]内的函数可表示如下：%(/)=./、

|-$血[2丁(10)],

t0O{sin[ir( 1 -/i; +Ac(/2) ]+sin (/c ttc /2)}} (5)求得不同Cf下电流参考信号各次谐波的幅值， 并计算电流总畸变率(THD)如表1所示。可见THD 的大小受AFDPF的cf的影响:c『越大,AFDPF算法

引入的77/D越大。表1 0及其对应的THZ)大小Table 1 THD of different cfCf0.010.020.030.040.05THD0.010.020 30.03070.041 30.051 83 AFDPF法的改进3.1 AFDPF检测盲区分析现实中电网绝大部分时间都是正常运行的，

为了尽可能减小传统AFDPF算法中并网电流的死

区对电网造成的不良影响，提出了一种周期扰动， 并且仅加一段死区的频率扰动法，即对公共点电

压进行周期性的频率扰动，具体方法如图5所示。图5周期扰动AFDPFFig. 5 AFDPF with period disturbance原理为：电网正常运行时，保持并网电流跟踪

电网电压，并且同频同相，每隔1 s(50个电网周 期)对公共点进行一次频率扰动，扰动量只有為； 如果检测到公共点电压频率超出电网正常频率波

动范围(50±0.2 Hz),则开始持续施加扰动，并且 在扰动量中加入频率正反馈,直至公共点频率达到 孤岛保护范围(50±0.5 Hz)触发继电保护器动作。3.2扰动方向及电网正常频率波动的处理研究结果表明，孤岛效应发生时，逆变器负载

的性质对3存在影响：阻性负载时,3的变化方向正反馈主动移频式孤岛检测法分析与改进会随着频率扰动的方向而变化；容性负载时，孤岛 效应发生时3将下降；感性负载时将上升。传统

AFDPF中扰动信号“均按一个方向对w进行扰

动，当电网发生故障且负载性质不同时,3的变化

方向有可能与扰动信号方向相反，这会导致3的 误差累积较慢，延长孤岛检测时间，甚至会出现孤 岛效应的漏判。GB/T15945-1995《电能质量-电力系统频率允

许偏差》中规定：电力系统正常频率偏差允许值

为±0.2 Hz,即大部分情况下电网频率在50±0.2 Hz 范围内。而传统AFDPF算法中托弄50 Hz,截断系数

中便含有正反馈量2L-50)。这显然会增加并网 系统对电网造成的谐波污染。对AFDPF算法作改进：当检测到49.8 HzW/W50.2 Hz时，认为电网正常，不施加频率正反馈量;

当检测到/^50.2 Hz,则扰动量向频率增大的方 向偏移，若/W49.8 Hz,则扰动向频率减小的方向

偏移；如果本地负载为谐振负载，断网后公共点频 率在49.8-50.2 Hz之间，周期扰动量会使/偏移

这一范围，然后加速偏移直至继电保护器动作，保

证了孤岛检测的可靠性。3.3截断系数的新算法根据第2.2节中分析可知，％的大小对改变 检测盲区的大小作用不大问，但是％直接影响并

网电流的谐波水平，传统AFDPF常取3=0.02。选 取伽的原则是：当本地负载为谐振负载时，伽能 将公共点电压频率推离50±0.2 Hz范围。相角判

据计算伽大小：Ac =tan (ire u)/2)/^io-2Aw/(6)式中：Ac为负载电容C相对Cp的一个系数,C=(l+Ac)C°；

谐振负载时，Qn=2.5, Aa>=-2TTx0.5,«>o=2Trx500孤岛发生时,％将盲区的负载特性推至dm

0.03可确保孤岛检测的实效性，即：tan(irC|0/2)/2.5-2iTX(-0.2)/(2Trx50)>0.03 (7)得到：CeM0.04,为尽量减小并网电流的谐波

污染，取％=0.04。文献⑶指出，无检测盲区时心的取值范围为:

Q8QMW。；于我国电网而言,^>(8x2.5)/(2ttx50) =

0.063 6,传统AFDPF中，正反馈量为：Cf=cro+0.1 x(/-50) (8)为了在电网故障时加快频率偏移，同时考虑

到实际电网的频率波动及负载性质对检测的影 响，对正反馈量做如下改进：-^-0.1/49.8^)-2449.8^2, y<49.8 Hz

cf=- cffl+0.1x(^-50.2)+2x(y^50.2)2, />50.2 Hz (9)0,

49.8 Hz< /<50.2 Hz在电网正常频率波动范围内无反馈量,但是一 旦公共点电压频率偏离正常范围，正反馈量将迅速

增加。以公共点电压频率为50.4 Hz为例，常规

AFDPF 的扰动量为 Cf=0.02+0.1(50.4-50)=0.06,而

采用新的截断系数算法后施加的扰动量为“=

0.04+0.1 (50.4-50.2)+2(50.4-50.2)2=0.14,根据

第2.2节中的分析可知，该方法可以更大程度减

小检测盲区，同时，常规AFDPF釆用Cf=effl+0.1 (/-

50)时均能在1 s内检测出孤岛，改进的算法在孤

岛发生时产生的死区时间比传统AFDPF大很多, 可以确保在1 s内检测出孤岛效应。4实验结果以XE164F单片机为核心，在一台500 W光 伏并网逆变器上对所改进的AFDPF进行实验验

证。主要参数：电网220 V/50 Hz,逆变器输入电压

i4=380V,滤波电感3 mH,滤波电容1 pF,负载逆

变器开关频率25 kHz,逆变器输出电流的参考有

效值为2.27 A,逆变器带R,L,C谐振负载(48 Q,

62 mH, 162 jiF)通过变压器与电网并联。图6为没有使用孤岛检测算法的实验波形，由

图可知，断网后公共点电压频率维持50.4 Hz不变, 证明此负载在检测盲区范围内。(((-50 Hz _一 /、()」口/決喪芝

-开通断路器动作信号V&0

A专

UU//(200 ms/格)图6没有使用孤岛检测算法的实验波形Fig. 6 Experimental waveforms without islanding detection

图7示出使用传统AFDPF实验波形，断网后 大约800 ms时系统检测出孤岛效应，并网电流

7770=2.9%。(.50 Hz\\f .50,A Hz _龜(迩

遲■开通⑺薪路器动作信号、

VZA

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//(200 ms/格)图7传统AFDPF实验波形

Fig. 7 Experimental waveforms of traditional AFDPF图8为使用改进AFDPF的实验波形，断网后

大约400 ms系统就可以检测出孤岛，并网电流

THD=2%O由实验结果可知：改进后的AFDPF完

全满足孤岛检测相关标准，相对传统AFDPF检测

时间短，并网电流7WD小。 (下转第128页)53第53卷第3期电力电子技术2019年3月Power ElectronicsVol.53, No.3March 2019应无源控制在调制高频三角波的情况下会比PI 象的原因主要是调制高频三角波时PI控制无法

控制更具有优势，这一点对于描绘EIS曲线的准 确性具有重要意义。(宰 >

跟踪三角波，导致谐波分量较小，误差较大。从

EIS曲线测量精度方面分析，发现自适应无源控

制得到的曲线与理想曲线基本重合，而PI控制得

到E1S曲线虚部明显高于理想曲线，曲线与实轴

gn

“(I ms/格)

kHz b' S适应无源左边交点与理想曲线相差较大主要是因为PI控 制调制高频三角波效果不如自适应无源控制。由

〃(l ms/格) (b)l kHz下PI算法((姜建

> -)二

此验证了自适应无源控制的有效性和可行性，相

(怛、 3

3

较于PI控制，在内阻测试领域更具有优越性。//(10 ms/格)(c)100Hz下自适应无源控制算法(進

〃(100 ms/格)

(e)i0Hz下自适应无源控制算法

Fig. 6 Test waveforms of two algorithms at different frequencies5.4 EIS曲线结果对比将PI控制与自适应无源控制两种控制策略 产生的三角波结果进行FFT,最后得到燃料电池

内阻EIS曲线见图7。从EIS曲线结果发现，自适 应无源控制得到的实验结果曲线拟合结果较好，

PI控制得到的EIS拟合曲线较分散。造成这种现(上转第53页)(

((牌

建枣

>

Fig. 8 Experimental waveforms of improved AFDPF5结论对带正反馈主动移频式孤岛检测方法进行了 分析，针对传统AFDPF的缺点和中国电力系统的

实际运行情况提出了一种改进方案，该方案实现

简单，在电网正常频率波动范围内仅进行周期性 的频率扰动。在“孤岛”发生时，根据负载性质确定 频率扰动方向并釆用一种新颖的截断系数算法加 速频率偏移。实验结果表明：改进后的新方案加快

了检测速度，缩小了检测盲区，减小了对电力系统 的谐波污染，完全满足孤岛检测标准的要求。

128A/vs)、.ZH34

//(10 ms/格)(d)100 Hz下PI算法■uc图6不同频率下两种算法测试波形V-L-//(100 ms/格)(f)IOHz下Pl算法图7 EIS曲线对比Fig. 7 EIS curve comparison参考文献[1] [2]

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