基于光伏發電系統的孤島檢測方法

摘 要：孤島檢測是光伏系統中并網必須具備的功能。本文對孤島檢測方法進行了分析，并對這兩種方法的優缺點進行了說明。為光伏并網逆變器的孤島檢測設計提供了一定的借鑒。

關鍵詞：孤島檢測；光伏系統；電網

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2015） 02-0000-02

隨著光伏發電的不斷發展，基于太陽能的分布式供電系統應用越來越廣泛。分布式電源可以為重要負荷提供電能和電壓、頻率支撐，從而提高供電可靠性。若電網因故障停止供電后，由于分布式電源的存在，使得電網停電區域的線路仍然處于帶電狀態，形成自給電力供應的孤島。發電系統并網運行時如果處于孤島狀態將會對電氣設備造成損壞，影響電力系統的正常運行，甚至對線路檢修人員的人身安全造成威脅。所以，研究孤島檢測方法和相應的保護措施，將孤島產生的危害降低到最小，具有重要的現實意義。孤島檢測方法有兩種，被動檢測和主動檢測。[1]

一、被動檢測方法

被動檢測法是利用逆變器從并網到市電掉電時，因電網負載有大的改變而引起逆變器輸出電壓的幅度或頻率改變，或因局部電網負載導致的電流電壓諧波大幅度增加，從而達到孤島檢測的目的。[2]

（一）過/欠電壓和過/欠頻檢測法

一切并網的逆變電源都需具備過/欠電壓和高/低頻率保護，若公共耦合點的電壓和頻率超出規定范圍，逆變電源將受到保護而停止運行。

圖1為逆變電源并網運行示意圖，當斷路器合閘時，逆變電源向a點提供的功率為P+jQ；其負載功率為PLoad+jQLoad，則電網提供的功率為

ΔP=PLoad-P

ΔQ=QLoad-Q

若逆變電源工作于單位功率因數，則Q=0，ΔQ=QLoad。孤島形成前的瞬間，若P=0，過電壓/欠電壓保護監測Va幅值的變化來檢測孤島；若ΔQ≠0，負載電壓出現相位漂移，逆變電源控制系統可以改變輸出電流的頻率，即Va的頻率，直到ΔQ=0（達到負載的諧振頻率）。此方法比較經濟，但由于非檢測區較大，所以單獨使用過/欠電壓和過/欠頻孤島檢測是不夠的。

（二）電壓諧波檢測法

逆變電源監視電壓Va的總諧波失真，若其總諧波失真超出規定閾值，則會斷開逆變電源。正常情況下，電網為穩定的電壓源，為負載提供THD約為0的正弦電壓，線性負載得到一個不失真的正弦電流。電網連接時，逆變電源產生的電流諧波將通過圖1的結點a流入低阻網絡。諧波電流小，系統阻抗低，所以Va的總諧波失真低于可檢測點。

當斷開電網后，逆變電源所產生的諧波電流將會流向負載，系統阻抗比負載阻抗通常小得多，諧波電流與負載阻抗相乘，Va會產生更大的諧波。逆變電源檢測電壓諧波或諧波的變化來判斷是否處于孤島狀態。

對于電流源型逆變電源，若切斷電網的斷路器，在變壓器一次側，逆變電源的輸出電流將對變壓器二次側繞組勵磁。由于變壓器的磁滯特性和其他非線性特性，其電壓響應有很大失真，會增加Va產生失真。通常這些非線性特性會產生巨大的三次諧波。因此，此方法在實際使用時，通常用來監測三次諧波。

（三）電壓相位突變檢測法

相位突變檢測法是檢測逆變電源輸出電流及其中斷電壓之間相位的差異。電網連接時，電流源型逆變電源檢測圖1中電壓Va的過零點，使輸出電流波形與系統電壓同步（通常由鎖相環來完成），電壓源型逆變電源正好相反。

對于電流源型逆變電源，電網斷開后，Va不再被系統電壓所固定，而逆變電源輸出電流i是固定的，它一直跟隨逆變電源內部的鎖相環提供的波形。i和Va僅僅在Va的過零點發生同步，在過零點之間，逆變電源工作處于開環狀態。所以逆變電源輸出電流突變為參考相。由于頻率沒有發生變化，負載的相位與系統斷開前相同，因此Va必然要跳變到新的相位如圖2所示。在Va的下一個過零點，“新”電壓和逆變電源輸出電流之間的相位差即可被用來檢測孤島。若相位差大于閾值，控制器將會斷開逆變電源。在實際應用中，由于非線性負載等因素的存在，電網電壓的諧波很大，諧波檢測的動作閾值不容易確定，因此，該方法具有局限性。

圖2 相位突變

二、主動檢測方法

主動式孤島檢測方法是通過控制逆變器，使其輸出頻率、功率和相位有一定的擾動。當電網正常工作時，由于電網的平衡作用，而檢測不到這些擾動。一旦電網出現故障，逆變器輸出的擾動將快速累積并超出允許范圍，從而觸發孤島效應檢測電路。[3]

（一）頻率偏移檢測法

頻率偏移檢測法（Active Frequency Drift，AFD）是目前一種常見的主動擾動檢測方法。采用主動式頻移的方法使并網逆變器輸出頻率略微失真的電流，以此來形成連續改變頻率的趨勢，最終導致輸出電流和電壓超過頻率保護的界限值，從而達到孤島檢測的目的。

（二）滑模頻漂檢測法

滑模頻率漂移檢測法（Slip-Mode Frequency Shift，SMS）是控制逆變器的輸出電流，使其與公共點電壓間有一定的相位差，以電網失壓后公共點的頻率超出正常范圍而判別孤島。正常情況下，逆變器相角響應曲線設計在系統頻率附近范圍內，單位功率因數時逆變器相角比RLC負載增加得快。當逆變器與配電網并聯運行時，配電網通過提供固定的參考相角和頻率，使逆變器工作點穩定在工頻。當孤島形成后，若逆變器輸出電壓頻率有微小波動，逆變器的相位響應曲線會增大相位誤差，到達一個新的穩定狀態點。新狀態點的頻率必會超出過/欠頻動作閾值，因頻率誤差而導致逆變器關閉。此檢測方法是通過移相達到移頻，與主動頻率偏移法一樣無需額外硬件、實現簡單、孤島檢測可靠性高等優點，也有類似的弱點，即隨著負載品質因數增加，增大孤島檢測失敗的可能性。

（三）周期電流干擾檢測法

周期電流擾動法（Alternate CurrentDisturbances，ACD）是對于電流源逆變器來說，每隔一定周期，減小光伏并網逆變器的輸出電流，則改變其輸出有功功率。當逆變器并網運行時，其輸出電壓恒定為電網電壓；當電網斷電時，逆變器輸出電壓由負載決定。當到達電流擾動時刻，輸出電流幅值將會改變，則負載上電壓隨之變化，當電壓達到欠電壓范圍即可檢測到孤島的發生。[4]

（四）頻率突變檢測法（FJ）

頻率突變檢測法是對頻率偏移檢測法的修改，與阻抗測量法相類似。頻率突變檢測法在輸出電流波形（不是每個周期）中加入死區，頻率按照設置的模式發生振動。如在第三個周期加入死區，正常情況下，逆變器電流引起頻率突變，電網會阻止其波動。孤島形成后，頻率突變檢測法通過對頻率加入偏差，檢測逆變器輸出電壓頻率的振動模式是否符合預先設置的振動模式來檢測孤島的發生。其優點是：若振動模式足夠成熟，使用單臺逆變器工作時，頻率突變檢測法可以防止孤島現象的發生，但是在多臺逆變器運行的情況下，若頻率偏移方向不同，則會降低孤島檢測的有效性和效率。

三、結束語

被動式檢測方式比較簡便，不需增加硬件電路和單獨的保護繼電器。但其缺點是在負載和逆變器輸出功率匹配時難以檢測孤島的發生。而主動式檢測方式非檢測區小，檢測精度高，但是控制較復雜，并會降低逆變器輸出電能的質量。主動式和被動式檢測方法各有優缺點，因此光伏系統中，應設置至少一種被動和主動孤島檢測方式。

參考文獻：

[1]張純江，郭忠南，孟慧英.主動電流擾動法在并網發電系統孤島檢測中的應用[J].電工技術學報，2007（07）.

[2]林明耀，顧娟，單竹杰.一種實用的組合式光伏并網系統孤島效應檢測方法[J].電力系統自動化，2009（23）.

[3]張有兵，穆淼婕，翁國慶.分布式發電系統的孤島檢測方法研究[J].電力系統保護與控制，2011（01）.

[4]Ye Z H，Kolwalkar A，Zhang Y.Evaluation of anti—islanding schemes based on nondetection zone concept.IEEE Transactions Power Electronics，2004（05）：1171-1176.

[作者簡介]李冬華（1991-），男，廣東梅州人，電氣技術員，助理工程師，學士，研究方向：新能源。