改进的主动频率偏移孤岛检测算法

1、第卷第期年月日：改进的主动频率偏移孤岛检测算法，王瑞，刘鑫龙，徐殿国张学广，（）哈尔滨工业大学电气工程系，黑龙江省哈尔滨市；国电南京自动化股份有限公司，江苏省南京市摘要：针对被动孤岛检测存在检测盲区以及传统主动频率偏移（孤岛检测算法会带来有功电）提出一种改进的流波动的不足，孤岛检测算法。该算法通过控制无功电流的大小来实现电流频率偏移，从而实现孤岛状态下接入点电压频率的正反馈，进而检测出孤岛。为了减小无功电流需将该对电力系统的污染，算法与传统的被动孤岛检测算法结合使用。仿真和实验结果表明，该孤岛检测算法不仅消除了被动孤岛检测算法在负载功率和逆变器功率匹配时存在的检测盲区，而且克服了传统提高了直流

2、母线电压的稳定性。算法有功电流波动的缺点，关键词：光伏系统；主动频率偏移；孤岛检测；检测盲区；无功电流引言目前，越来越多的光伏发电设备作为分布式电，当电网由于电气故障或其他因素源被投入使用等原因停止供电后，光伏发电系统作为孤立电源继。孤岛效应会形成“孤岛效应”续向本地负载供电，可能对电气负载及电网维护人员造成巨大损害因此，相应国际标准中都明确提出光伏并网逆变器必须具有反孤岛功能，即在孤岛现象发生后，光伏系统在规定的时间内能够检测出孤岛现象的发生并及消除孤岛现象。时停止发电，目前孤岛检测方法一般分为两大类：被动式孤岛检测算法和主动式孤岛检测算法。被动式孤岛检测算法比较有代表性的是以下，种方法：一

3、种是电压谐波检测法该方法通过检测电网接入点电压的总谐波畸变率来判断孤岛现象的发生，其优点在于当逆变器与本地负载功率匹配然而在电网正常情况下，实际系时不存在检测盲区，统中的非线性因素可能导致接入点电压总谐波畸变率较高，这样就可能因为检测阈值过小而出现误判，断；另一种是过欠压、过欠频检测法该方法通过频率是否出现异常来判断孤检测接入点电压幅值、岛是否形成，比较实用，但当逆变器与本地负载功率匹配时，存在检测盲区。主动式检测法中比较有代表性的有功率扰动法和频率偏移法。功率扰动法通过周期性向输出电流中加入有功或无功扰动信号并检测接入点电压；修回日期：。收稿日期：）；国家自然科学基金资助项目（哈尔滨工业大学

4、科）。研创新基金资助项目（是否发生变化来判断孤岛的存在。与电压谐波检测法相比，此方法稳定性和准确性较高，但是多台并联的逆变器同时进行谐波注入时会相互干扰。频率偏移法通过控制逆变器输出电流的相位、频率的变化，使接入点电压相位、频率跟随发生变化，从而形成正反馈过程，最终接入点电压的频率超出正常的工作。然而，阈值而检测出孤岛的存在传统的频率无功电流中引入了非线性畸变，而有偏移法在有功、功电流波动又会引起直流母线电压的波动。针对以上孤岛检测方法的缺点，本文提出了改进的主动频率偏移（孤岛检测算法，该算法通）从而过控制无功电流的大小来实现电流频率偏移，实现孤岛状态下接入点电压频率的正反馈，进而检测出孤岛。

5、仿真和实验结果验证了该算法的有效性。算法原理如图所示，通过控制法的工作原理其中，并网电流使其满足，和分别为并网电流频率、接入点电压频率，为频率偏移系且。数，图法原理图·绿色电力自动化·张学广，等改进的主动频率偏移孤岛检测算法通过一定的电流控制算法，使得电压和电流的相位由开始同时增大，由于电流相位将，提前到达此后控制并网电流使其保持为。°当电网电压到达后再使电流相位继续增加，频°率仍然保持为当电流相位到达后仍°。同理，保持其为，直至电压相位到达后开始下一周°期的控制。电流矢量角将先于电压矢量角到达，之后保持，当电压矢量角到达之后，电流矢

6、量角继续不变，增加，频率保持当电流矢量角到达保之后，直到电压矢量角到达进入下一个周持不变，期后，继续增加。电压、电流矢量角随时间的变化如（）图所示。三相算法传统三相的实现控制系统采用电网电压定向的矢量控制方法。如图所示，首先通过三相锁相环对交流电压进行锁相，锁相得到的相角亦即当前时刻电网电压矢量与轴的夹角，由于采用电网电压矢量定向，亦即同步旋转坐标系中轴与轴的夹角。对三相电将电流矢量分解到轴和轴，从流进行坐标变换，而实现有功、无功功率的解耦控制。图电压、电流矢量角图同步旋转坐标系原理根据电压、电流矢量角随时间的变化，可以推导如图出电流矢量角随电压矢量角的变化情况，（），所示。根据图及式（可得：

7、式（）（，（，（）（，式中：（，坐标系下电量的频率体现为矢量角的变化电压、电流角频率分别为：率，（）为了在坐标系下实现对三相电流频率的提升，设电流、电压的频率差为：（）记加入的频率偏移量与电压频率的比值为，（）（）（）这样相当于将电流频率加大为电压频率的即倍，（）（根据以上推导，可以通过控制电流矢量角来控制电流矢量的旋转角速度，从而控制电流的频率，达到提升频率的目的。仿照单相电流算法，矢量角和电压矢量角同时由开始增加，由于（）然而在仿真中发现，这样的频率偏移将引起直流母线电压的波动，这是由于该控制算法在引入频率非线性变化的同时，在有功、无功电流中也引入了非线性的畸变。具体说来，就是将幅值恒定、

8、矢量角）变化的电流矢量分解到以电网电压定向按式（的同步旋转坐标系的轴和轴上，得到的有功和无功分量都不是恒定的。利用完成该算法，得到的有功、无功电流给定值波形如图所示。（），忽略系统采样及计算延时，可以得到电流无差拍控制器的控制量：）（）（）（）（）（）（）图传统电流波动）（这样，该算法框图如图所示。可见，在电流矢量角中引入频率扰动后会引起有功、无功电流的波动。由于有功电流波动会引起直流母线电压的波动，因此需要考虑改进算法来提高直流电压稳定性。改进的三相算法在旋转坐标系下的实现为了实现对电流频率的控制，对进行进一步分析，由图可得：（）由式（可得：，（，）（，（，要保持直流母线电压恒定，需保证有功

9、电流不）可知，在有功电流恒定的情况下，可通变。由式（过控制无功电流给定值，使电流矢量角与电压矢量从而控制电流频率，可取：角之间存在的差值，（，）（）（，（）（）（，（）（，由于该算法中仅对无功电流进行设定，而有功电流的给定值依旧由电压外环的输出给定，因此电流频率的畸变不会带来有功电流的波动，也不会造成母线电压的波动。由该算法得到的无功电流给定）值的波形是倍于电网频率（的锯齿波，传统故采用电流无差拍电流控制器无法及时跟踪，控制器来实现该算法。根据三相光伏并网逆变器在坐标系下的离散数学模型：）（）（）（）（）（）（）图改进的算法控制结构仿真和实验结果仿真结果仿真条件为：交流侧滤波电感为线，输出功率

10、为直流侧电容为电压为，；母线电压为交流频率提升因子为，无功电流参考值波形，可以。图给出了有功、看出，改进的而算法中仅无功电流存在波动，有功电流保持恒定，因此对母线电压不会造成干扰。图有功和无功电流图为用改进的法进行孤岛检测的结果。负载功率由电网提供，之前逆变器不工作，此时由于逆变器输出功率逆变器开始工作，与负载匹配，由电网电流波形可以看出，此时电网提供有功、无功功率可近似为，网侧并网开关断开，系统处于孤岛运行。（）由图锁相环输出可以看到，孤岛形成后，由于频率正反馈的作用，接入点电压频率升高，在，），左右超出正常频率范围（·绿色电力自动化·张学广，等改进的主动频率偏移孤岛检测

11、算法此时逆变器停止工作，系统反孤岛功能得以实现。图孤岛检测实验接线实验平台中的功率模块采用英飞凌公司的型单元绝缘栅双极晶体管（模块，母线采用母排设计。驱动电路采用英）该模块通飞凌公司的型智能驱动模块，过光纤与控制电路连接对进行驱动。为了完成孤岛检测实验，利用台湾群菱公司的型孤岛检测装置作为三相负载。实验中可以通过设定开关方便调节负载有功功率、谐振频率及品质因数等参数，以便进行孤岛检测实验。实验条件如下：逆变器交流进线电压为，逆变器输出有功功率为，无功功率为，负载三相有功功率为。同时根据标准对谐振频率及品质因数的要求，取谐振频率为，品质因数为。为了在所搭建的实验平台上实现算法，首先需要根据无功电

12、流给定值将三相电流加入畸变，图为通过无差拍电流控制器得到的三相电流），无功电流波形（其中可以波形以及有功、看出，借助无差拍控制器带宽宽、响应快的优点，该算法成功地在三相电流中加入了频率畸变。与传统其畸变产生位置有所不同，该单相算法比较，与算法的畸变并不影响相电流过零点处波形，传统的三相其有功电流能够基本算法比较，减小了对直流母线电压的干扰。保持恒定，为了降低对电力系统的无功电流污染，实验中周期性地采用被动和主动孤岛检测相结合的方法，加入电流畸变。其中被动检测算法采用引言中提到过欠频检测法。的过欠压、（）给出了仅采用被动式孤岛检测算法的图无功功率与负实验结果。由于逆变器输出的有功、载所需的有功、

13、无功功率匹配，孤岛发生后接入点电因此不能检测出孤压的幅值和频率均未发生变化，（）岛。图给出了该算法与被动式孤岛检测算法结合时的实验结果，由于电流波形畸变使得接入点处电压频率形成正反馈，在孤岛发生后约逆变器停止工作，成接入点频率超出正常值，功检测出孤岛。图功率匹配时改进的算法仿真结果实验结果图为实验接线图。其中，分别为逆变器的电网分离开关和负载分离开关，三相负载为可变谐振频率为电网频率。负载，（），参考文献赵清林，郭小强，邬伟扬单相逆变器并网控制技术研究中（）：国电机工程学报，（）：，吴春华，陈国呈，丁海洋，等一种新型光伏并网逆变器控制策略（）：中国电机工程学报，（）：，：，（）：，林明耀，顾娟

14、，单竹杰，等一种实用的组合式光伏并网系统孤岛（）：效应检测方法电力系统自动化，图改进的法电流波形，（）：，：，：，（）：，马静，米超，王增平基于谐波畸变率正反馈的孤岛检测新方法（）：电力系统自动化，（）：郭小强，赵清林，邬伟扬光伏并网发电系统孤岛检测技术（）：电工技术学报，（）：任碧莹，孙向东，钟彦儒，等用于单相分布式发电系统孤岛检测（）：的新型电流扰动方法电工技术学报，（）：，陈卫民，陈国呈，崔开涌，等分布式并网发电系统在孤岛时的（）：运行控制电力系统自动化，（）：，图孤岛检测实验结果结语本文提出了一种改进的孤岛检测算法，该算法通过控制无功电流的大小来实现电流频率偏移，从而实现孤岛状态下接入

15、点电压频率的正反馈，进而检测出孤岛。将该算法与传统的被动检测算法不仅对电力系统的污染较小，能够消除被动相结合，孤岛检测算法存在的检测盲区，而且克服了传统提高了直流母线电算法有功电流波动的缺点，压的稳定性。该方法实现简单，具有较强的工程实用价值，不仅适用于光伏并网系统，也适用于其他采用三相逆变器并网的分布式发电系统。（）下转第页·绿色电力自动化·鲍经纬，等基于液压传动的蓄能稳压浮力摆式波浪能发电系统分析，（，），：，（）（：；櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧（）上接第页刘方锐，余蜜，张宇，等主动移频法在光伏并网逆