并網光伏發電孤島效應檢測電路設計

姜牧林 韓麗英

摘 要：本文針對并網型光伏逆變器孤島檢測，提出了一種基于植入能夠產生微小不平衡的正弦波形擾動電路的自適應主動頻率偏移孤島檢測方法，設計了孤島效應主動檢測電路，實現了孤島狀態下接入點電壓頻率的正反饋，進而檢測出孤島事件，可有效防止偽孤島并減小對電網的干擾，避免孤島保護誤動作。

關鍵詞：孤島效應；擾動電路；算法

并網光伏發電系統中，當分散的光伏電源系統如光伏發電系統從原有的電網中斷開后，雖然輸電線路已經斷開，但是光伏發電系統中的逆變器仍然在運行，此時逆變器失去了并網賴以參考的公共電網電壓，此時將產生孤島效應[ 1 ]。對于并網型光伏發電系統，系統運行時，為確保人身和設備安全穩定，要求在公網電網出現意外故障停電時，光伏發電設備應該能夠及時檢測此故障情況，并迅速與公網電網解列，停止向電網送電。

1 孤島檢測算法及電路設計

光伏發電系統中一旦發生孤島效應，最致命的后果一是將導致光伏發電系統與公網電網的重新連接變得復雜，二是將對電網中的電力元件產生嚴重危害。根據孤島效應發生概率不同，目前一般分為兩種情況[ 2 ]：第一種，孤島效應明顯的場合；第二種，孤島效應不明顯的場合。

對于第一種，針對明顯程度一般設計有專門的孤島效應保護電路。而對于第二種，孤島效應不是很明顯，由于孤島效應出現概率小，從概率論與信息的關系可知，事件出現概率越小，其所含信息越大，但是事件的捕獲難度越大，事件出現對系統影響越大，這就會對光伏發電站與負載之間功率的適配造成威脅，所以研究孤島效應檢測算法、設計克服孤島效應電路是并網光伏發電系統亟需解決的問題。

1.1 孤島效應檢測

被動檢測方法和主動檢測方法是目前技術比較成熟，研究成果較多的應對孤島效應檢測的兩種方法。

當公網電網因故障造成失電時，電網電壓信號的幅度、頻率、相位等要素和諧波分量等參數將產生畸變，光伏發電設備孤島效應檢測系統可以通過檢測這些畸變信號判斷公網電網失電事件，進而采取反孤島運行控制技術，這種檢測孤島效應的方法是通過被動檢測的方式進行的，故而成為被動檢測方法。

而主動檢測方法也即注入參量法指的是，在光伏發電系統中通過在光伏并網點處由孤島效應檢測系統主動向公網電網注入很小的干擾信號，再通過檢測反饋信號來判斷電網失電事件發生與否。根據注入信號種類不同，這種主動檢測方法又分為兩種，其中的一種就是通過在公網并網電流信號中注入一個很小的失真電流，這個失真電流是檢測系統產生的，并且電流的參量尤其是失真度是可控的，孤島效應檢測系統通過檢測光伏發電側逆變器輸出的電流的參量，如相位和頻率，根據失真電流信號的失真度，采用正反饋電路，使得這個失真信號被放大后注入到電網中，在電網失電時，這個被放大的失真信號會產生與設定不同的異常值，孤島檢測系統通過檢測出這個參量異常值，即可迅速檢測到孤島效應事件。

1.2 孤島效應事件檢測算法

完成光伏并網保護功能的電路是功率調節器。在光伏逆變系統發生異常時，功率調節器可實現自動功率控制，減少對公網電網產生的影響，不至于對光伏發電系統造成不良影響[ 3 ]。

為了確保電網穩定，并網光伏發電系統功率調節器一般設計完成兩種自動調節功能：無功功率控制和輸出功率控制。

孤島事件檢測算法流程：首先采樣輸入每個支路的輸入電壓和電流信號值之后，計算采樣信號頻率的改變值；其次把計算所得信號頻率值與設定頻率值進行比較，當頻率變化小于設定值時，才進行進一步的判斷。算法核心是：將頻率變化量符號的變化次數與頻率變化次數與整定值進行比較，當符號的變化次數大于整定值時，則得出發生孤島效應的結論，并使控制器發出指令使光伏陣列逆變系統與公共電網分離。

1.3 孤島效應主動檢測電路設計

主動檢測孤島效應事件檢測可采取主動信號探測法：在光伏發電逆變控制器中主動植入探測電路。這個探測電路能夠產生微小失真度可控的擾動信號。根據公網信號特點，這個擾動電路產生的探測信號一般是不平衡的正弦波形。因為公網信號是對稱的，如果控制器的參考正弦波中存在不對稱，在逆變器的電流輸出中將產生同樣大小的不對稱畸變。

系統正常運行時，這個擾動信號產生的畸變微弱，對電網影響較小，可以忽略；一旦孤島效應發生，這種畸變效應將凸顯，通過檢測這個畸變信號即可檢測出孤島事件發生。這種主動探測法亦即采用合適的畸變作為有效辨識孤島效應的檢測器，以便對其進行反孤島運行控制，確保電網系統穩定運行。

圖1為三節阻抗依次降低的RC移相網絡構成的擾動電路，振蕩頻率為1KHz，出幅度可由CTL_PWR調節。調節電阻串接在T1發射級的電位器RP1，RP1還具有調節擾動波形失真度的功能。振蕩信號由T2組成的射級跟隨器組成，同時具有負載阻抗匹配功能。

2 結論

本文提出的針對并網型光伏逆變器控制器，采取主動信號探測法，植入能夠產生微小不平衡的畸變正弦波形擾動電路，檢測出孤島事件，可有效防止偽孤島并減小對電網的干擾，避免孤島保護誤動作。

參考文獻：

[1] 沈輝.太陽能光伏發電技術[M].北京：化學工業出版社，2005.

[2] 惠晶.新能源發電與控制技術[M].北京：機械工業出版社，2014.

[3] 丁海洋等.光伏發電系統充電控制策略研究[J].電氣傳動，2006，36（12）：3-6.

作者簡介：

姜牧林，男，本科，正高級工程師，主要研究領域：電子、通信、自動化及信息處理；

韓麗英，女，本科，主要研究領域：電子、通信、自動化及信息處理。