光伏并網發電系統孤島檢測的研究

賈志強，羅維平

（武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430073）

光伏并網發電系統孤島檢測的研究

賈志強，羅維平*

（武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430073）

孤島檢測是光伏發電系統必需的功能，既要快速的檢測出孤島效應，同時也要減少不良的影響。本文分析有源孤島檢測方法和無源孤島檢測方法的工作原理，論述每種方法的檢測盲區，適用范圍以及對系統電能質量的影響。

光伏系統；孤島檢測；檢測盲區；正反饋

21世紀，能源的需求問題越來越緊迫，而太陽能作為可再生能源之一，在近些年來引起了世界各國政府和能源專家的日益重視。在國內，電能緊缺已經是一個非常嚴峻的問題。光伏發電作為理想環保的發電形式之一，已被越來越廣泛地應用。當越來越多的光伏發電系統并接到電網上時就帶來了電網保護的新現象——孤島現象。所謂孤島現象[1]是指：當電網供電因故障事故或停電維修而跳脫時，各個用戶端的分布式并網發電系統未能即時檢測出停電狀態而自身切離市電網絡，而形成由分布電站并網發電系統和周圍的負載組成的一個自給供電的孤島，如圖1所示。

光伏并網發電系統處于孤島運行狀態時會產生嚴重的后果，如孤島中的電壓和頻率無法控制，可能會對用戶的設備造成損壞；孤島中的線路仍然帶電，可能會危及檢修人員的人身安全等。可見，研究孤島檢測方法及保護措施，消除孤島產生的危害具有十分重要的現實意義。

圖1 光伏系統并網拓撲結構

1 孤島效應產生的條件

本文以70kW的武漢紡織大學建設部的光伏并網發電項目為例進行研究，系統直接并入380V的電網上，在滿足本地負載需求的基礎上，可向電網輸送功率。光伏并網系統與本地負載相連，通過投閘開關連接到配電網上，其拓撲結構如圖1所示。在圖1所示的電網拓撲結構中，可能產生孤島現象的三種情況為：（1）大電網發電系統停止運行導致整個電網停電，但是光伏并網系統仍通過投閘開關連接在大電網上，其輸出容量有可能維持向電網供電并超過某一時間段（例如 2s）；（2）大電網或配電網某處線路斷開或開關跳閘，造成光伏并網系統與所連接負載（可能包括配電網上的部分負載）形成獨立供電系統，并可能進入穩定運行狀態；（3）光伏并網系統投閘開關自主或意外斷開，但是并網發電系統與本地網絡形成孤島運行。

2 孤島檢測的方法

孤島檢測方法一般可分為兩類：無源檢測方法[2]和有源檢測方法。

2.1 無源檢測方法

2.1.1 電壓/欠電壓、高頻/低頻檢測

該方法主要對電網的電壓和頻率進行監控，防止LM系統輸出電壓或者頻率超出正常的工作范圍。圖2為光伏發電系統并網運行原理圖，S為并網斷路器，本文以最具有普遍性的電阻R，電感L和電容C并聯作為該系統的負載。a為光伏并網逆變器和電網的連接點。斷路器合閘時，光伏發電系統向a點提供功率P+jQ;負載得到功率PLoad+jQLoad，則電網提供功率為：

一般情況下，光伏發電系統只向電網發送有功功率，則有 Q=0，ΔQ=QLoad。圖 2所示，孤島形成前瞬間，若ΔP≠0，則孤島發生后，公共耦合點a點電壓將發生變化。其中U為節點a處的電壓值。當電網還沒有斷開時，電壓頻率及幅值始終受電網控制基本保持不變。當電網斷開時，即孤島發生后，若ΔP或ΔQ很大，表明PV系統輸出功率與負載功不匹配，則PV系統輸出電壓或頻率會發生很大的變化，當電壓頻率變化超出正常范圍，保護電路即可檢測到孤島的發生。但當ΔP或ΔQ較小時，保護電路會因電壓和頻率未超出正常范圍，而檢測不到孤島的發生。

2.1.2 相位突變檢測

如圖2所示，PV系統并網運行時通常工作在單位功率因數模式，即PV系統輸出電流Io與a點電壓（電網電壓）同頻同相。當電網斷開后，出現了PV系統單獨給負載供電的孤島現象，此時，a點電壓由Io和負載阻抗Z所決定。由于鎖相環的作用，Io與a點電壓僅僅在過零點發生同步，在過零點之間，Io跟隨系統內部的參考電流而不會發生突變，因此，對于非阻性負載，a點電壓的相位將會發生突變，從而可以采用相位突變檢測方法來判斷孤島現象是否發生。相位突變檢測[3]算法簡單、易于實現。但是如果在負載近似阻性負載時，由于閥值的限制，該方法失效。

2.1.3 電壓諧波檢測

如圖2所示，基于PV系統并網運行時電網網絡阻抗小的特性。當與電網斷開時，由于負載阻抗相比電網網絡阻抗大很多，流入負載的電流會在a點產生較大的諧波。監測線路電壓的諧波含量，當發現諧波含量突然增加時，就可以認為發生了孤島現象。但是在實際運用時，由于非線性負載等因素的存在，電網電壓諧波很大，諧波檢測的閥值也很難確定。綜上所述，無源檢測法具有原理簡單、容易實現及對電能質量無影響等優點。但是，每種方法都有較大的檢測盲區，為了解決這個問題，有源檢測法應運而生。

2.2 有源檢測法

圖2 光伏發電系統并網運行

2.2.1 有源頻率偏移檢測

有源頻率偏移[4]（Active Frequency Drift，AFD）是目前一種常見的輸出頻率擾動孤島效應檢測方法。AFD方法通過周期性的向PV系統輸出電流引入一個微小的頻率偏移量來實現對孤島的檢測。AFD下第k個周期并網PV系統輸出電流為：

式中：fk-1——第k-1個周期a點電壓頻率，Δf——引入的頻率偏移量，可正可負。

對于阻性負載 =0的情況，由于引入了正頻率偏移量Δf，在鎖相環的作用下，PV系統在孤島發生后的第k個周期，a點電壓的頻率為（f0為電網頻率），若頻率超出預設閥值時，系統將檢測到孤島的發生。

對于并聯的 RLC負載，無論負載阻抗角大于或者小于零，在阻抗角和頻率的偏移的相互影響下，其作用相互抵消，且此時頻率和電壓均未能超過預設的閥值，那么，系統將無法檢測到孤島現象的產生。

2.2.2 帶正反饋的主動頻率偏移

帶正反饋的主動頻率偏移（Active Frequency Drift with Positive Feedback，AFDPF）基于AFD上引入正反饋，加速Ua頻率偏離正常值，使得檢測盲區進一步減少，其截斷系數為：

式中：Cfo為初始截斷系數（沒有頻率誤差下的截斷系數）；k為反饋增益；Δf為Ua頻率對電網額定頻率的偏差。

孤島發生后，頻率偏差隨Ua頻率的增加而增加，截斷系數也增加，于是并網逆變器加快了iinv頻率，這情況一直持續，直到觸發OFP（過頻）。Ua頻率下降的情況與此類似，最終截斷系數變為負，直到觸發UFP（欠頻）保護。

當Δf較小時，AFDPF產生的Cf被大大降低，從而減小了并網運行時電流波形畸變；同時由于Δf被正反饋引入電流給定，保持了主動移頻算法的正反饋特性，在電網失壓時正反饋的效應仍然會將頻率推離正常范圍，檢測出孤島。

對基于微處理器的并網逆變器來說，AFDPF很容易實現，只是對本來就需要檢測的參數進行略微修正。AFDPF在所有主動式方案中不可檢測區域最小，在連接有多臺并網逆變器的系統中，不會產生稀釋效應，而且兼顧了檢測的有效性，輸出電能質量以及對整個系統暫態響應的影響。

2.2.3 滑膜頻率偏移檢測

滑膜頻率偏移（Slip Mode Frequency Shif，SMS）方法和AFD方法相似，不同之處在于AFD引入了誤差Δf，而SMS采用相角偏移 sms，使得a點負載電壓頻率f增大，在系統正反饋的作用下，電壓頻率f不斷增大。當f增大到預設的閥值時，系統將會檢測到孤島現象的發生。

對于并聯諧振型RLC負載，SMS也存在檢測盲區的問題。當a點負載電壓fa滿足阻性負載 =sms，且fa和電壓未超出預設閥值時，系統將無法檢測到孤島的發生。

從上述分析可知，SMS也可以減小無源孤島檢測的盲區，但此方法同樣會影響PV系統輸出的電能質量。此外，在RLC負載的相位增速快于PV系統，SMS方法失效。

2.2.4 輸出功率擾動檢測

對于電流型并網逆變器，控制PV系統周期性地輸出有功功率和無功功率擾動[5]，當電網斷開時，該擾動會使系統的電壓或者頻率明顯變化超出預設的閥值，從而檢測出孤島現象的產生。該檢測方法在運用于單臺光伏逆變器上產生了良好的實驗效果。但是當孤島中同時存在多個光伏并網系統供電時，由于多個并網系統難以做到功率干擾的同步，這種方法會受到平均效果的影響。

3 結語

本文介紹了孤島效應產生的條件，以及帶來的不良的負面影響，闡述了一些孤島檢測方法的工作原理，以及他們的優缺點和適用范圍。為了獲得更好的檢測效果，基于不同原理的孤島檢測方法組合也是孤島檢測未來發展的一個方向。

[1] 趙為，余世杰，等. 光伏并網發電系統的孤島效應與防止策略[J]. 太能能學報(增刊), 2003, 94-97.

[2] 馮軻，賀明智，等. 光伏并網發電系統孤島檢測技術研究[J]. 電氣自動化,2010, 32(2).

[3] 楊海柱，金新民. 基于正反饋頻率漂移的光伏并網逆變器反孤島控制[J]. 太陽能學報,2005,26(3):94-96.

[4] 郭小強，趙清林，鄔偉揚. 光伏并網發電系統孤島檢測技術[J]. 電工技術學報,2007, 22(4): 157-162.

[5] 趙為. 太陽能光伏并網發電系統的研究[D]. 合肥:合肥工業大學, 2003.

Research on PV Grid-connected Power Generation System of Islanding Detection

JIA Zhi-qiang，LUO Wei-ping
(College of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

Islanding detection is a necessary function of PV systems. It is necessary to quickly detect islanding, but also to reduce the adverse effects. It analyzes active and passive islanding detection methods and the working principles. It discusses blind detection, scope and power quality of the system of each principle.

PV Systems; Islanding Detection; Blind Spot Detection; Positive Feedback

TM91

A

1009－5160(2011)06－0069－03

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羅維平（1967-），女，副教授，研究方向：智能控制與太陽能光伏應用.

湖北省教育廳項目（D20081705）.