文獻標識碼： 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. 包絡跟蹤芯片應用中查找表的分析與確定[J].電子技術應用，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
隨著分布式發電（Distributed Generation，DG）技術快速發展，系統的安全防護問題不容忽視，孤島問題是其中必須解決的關鍵技術之一。孤島是指電網因故障事故或停電維修而跳閘后，用戶端的DG系統未能及時檢測出停電狀態而將自身切離主系統，形成由DG系統和周圍的負載組成的一個自給供電的孤島[1]。非計劃的孤島運行會造成人身傷害或設備損毀。
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現的。最早出現的主動移相法是文獻[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行了更深入的研究[4-8]。由于國外與我國所用電網參數不同，國外文獻中SMS算法的參數在國內可能不適用，文獻[4]針對此問題給出了適用于國內并網標準的算法參數。文獻[5-8]研究了相位偏移孤島檢測法的機理并對主動移相法進行改進，使得檢測性能更優。該類算法實現簡單，檢測能力強，電流畸變小，且適用于多逆變器的情形。
并網發電專用標準IEEEStd929-2000和ULl741規定并網逆變器必須具有孤島檢測保護的功能，且在其他方面滿足并網要求的情況下檢測時間越短效果越好[1]。本文提出一種改進算法，能更快速有效地檢測出孤島，減小檢測盲區，且對電網的影響較小。
1 常見的主動移相式檢測算法
當并網逆變器與電網實現單位功率因數運行時，其輸出的電流與電網電壓是同頻同相的。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：由鎖相環檢測公共點電壓周期，從而得到公共點頻率，作為下一周期參考電流的頻率，電流周期以節點電壓的正向過零時刻為起點，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為設置的最大相移角；fm為最大相移角對應的頻率；fg為電網頻率；f為所測公共點頻率。
為簡化參考電流初始相位計算公式并易于在DSP上實現，有人提出一種改進算法，定義相位計算公式為：
式中，k為主動移相算法的反饋系數。
相較式（1），式（2）更加簡潔，更適合于DSP的應用環境。當本地負載為標準諧振負載時，式(2)中的反饋系數取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量，二者是相互矛盾的。
2 孤島運行時負載頻率特性分析
孤島檢測測試標準中通常用RLC并聯諧振負載來代表實際運行時的負載。對并聯諧振負載頻率特性進行分析，負載品質因數[5]：
式中，為諧振角頻率，f0為負載諧振頻率。
并聯RLC負載在頻率f電路下阻抗相角為[5]：
當電網斷開后，公共連接點的電壓由電流和本地負載的乘積所得，通常將節點電壓取為參考向量，所以電壓相角取零，故：
根據式(5)與式(6)可以得出，在特定的負載情況下，孤島運行時公共耦合點電壓的頻率與電流相位角的關系如下：
由上述關系可繪制公共耦合點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、感性和容性負載（通過改變諧振負載電容值實現）的節點電壓頻率跟隨電流初相位變化的規律。
從圖2中可以看出，在特定的負載情形下，隨著電流超前相位的不斷增加，公共連接點的頻率不斷增大，若電流滯后，頻率則逐漸減小。注意到，當相位變化時該函數單調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頻率迅速減小；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 改進的主動移相法
當電網斷開后，公共點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得到的頻率變化規律可知，電流超前（滯后）相位連續變化時，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量之間的矛盾，提高檢測效率，提出一種改進算法。當檢測到頻率不斷朝一個方向變化時，設置如下條件：
式中?啄為設定的頻率允許波動值。當頻率的波動超出限定范圍時，改變移相法反饋系數。
國家標準GB/T15945-1995《電能質量—電力系統頻率允許偏差》規定，電力系統正常頻率偏差允許值為0.2 Hz，所以此處取?啄=0.2。當上述不等式成立時，相位偏移公式變為：
改進后算法流程見圖3。首先按照算法式(2)施加相位偏移，當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，則認為故障可能已發生，改變移相法反饋系數，按式(9)加入偏移量。通過增大反饋系數加強相位與頻率之間的正反饋作用，達到快速檢測孤島的目的。反饋系數是在認定故障已發生后增大的，因此不會增加并網電流的畸變率。仿真中取k=0.105。
4 仿真驗證與分析
應用MATLAB/Simulink對整個分布式發電系統搭建模型并進行仿真研究。設置負載為標準諧振負載，負載功率與逆變器輸出功率相平衡，電網電壓為220 V，額定頻率為50 Hz。電網在0.2 s斷開，分別對改進前后的主動移相法進行仿真。
圖4為采用移相算法f時，電網斷開后公共節點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孤島保護才動作，檢測時間較長，不滿足IEEE Std.929- 2000標準中0.2 s內有效檢測出孤島的要求。圖6和圖7為應用改進算法時公共點電壓、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，當頻率低于49.8 Hz改變算法反饋系數后，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定閾值，系統在0.36 s 時檢測出孤島并退出運行。檢測時間為0.16 s，滿足0.2 s內有效檢測出孤島的標準，檢測時間較改進前縮短了約5個電壓周期。同時對改進算法下的電能質量進行分析，圖8為并網運行階段的電流波形，據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%的并網要求，諧波含量非常小，對電網幾乎無影響。因此改進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。
5 結論
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，提出一種改進算法。該方法是對逆變器輸出電流的相位施加擾動，進而引起頻率的偏移。算法中加入一個反應頻率變化的閾值條件，并根據條件滿足與否判別是否增大移相算法反饋系數，使得公共點電壓頻率迅速減小直到超出設定范圍，OFP/UFP動作，系統退出運行。改進算法保持了原算法在DSP上的易實現性，并使檢測時間大大減少，滿足IEEE Std.929-2000標準要求，且對電能質量影響很小。通過仿真試驗驗證了其檢測的有效性及快速性。
參考文獻
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