光伏發電網主動式孤島檢測方法分析與比較

神華神東電力有限責任公司烏拉特中旗熱力廠 楊明喜

1 引言

本文深入分析孤島效應發生原理，即在局部區域內，由于某種原因（如設備故障、電纜損壞等），導致該區域與其他部分失去聯系，形成孤立的電力系統。通過比較基于功率匹配標準和相位標準的評估辦法，為孤島檢測提供了更全面、更精準的數據參考。

2 光伏逆變器并網模型

根據光伏逆變器運行特點，構建逆變器并網控制系統，如圖1所示。

圖1 光伏逆變器并網控制系統

圖1中，Unet為電網電壓；PLL為同步鎖相控制環；U0代表逆變器交流側電壓。本文基于SPWM控制模式，將橋式逆變器視為一階慣性環節，當逆變器開關頻率超過電網輸出頻率時，可以得到并網電流閉環結構，如圖2所示。

圖2 并網電流閉環結構

3 基于相位偏移及頻率的主動式孤島檢測方法

3.1 主動頻率偏移法

本次研究引入主動頻率偏移檢測技術，對逆變器輸出的電流指令給定一個固定的頻率，令該電流頻率略高于上一個運行周期公共節點電壓頻率。這種狀態下，如果電流的半波結束而電壓值未超過初始值，需要手動設定電流初始值，直至逆變器電壓超過初始值，電流才能進入下一個半波，如圖3所示[1]。

圖3 逆變器電流給定信號與電流基波圖像

當電網處于正常工作狀態時，逆變器內部公共節點的電壓頻率，由于受到并網電網電壓的控制而保持不變。當電力系統中出現孤島現象，公共節點的電壓不再受并網電網電壓控制，改為受本地負載相位特征曲線控制，隨著電流頻率的變化，電壓隨之發生改變。

將截斷函數cf定義為cf=2tz/Tnet，該定義中，Tnet表示光伏發電電網的電壓周期。觀察圖3中的電流基波曲線，發現基波曲線的頻率發生偏移，令基波曲線超過ωtz/2的相位角。實際工作中，如果多個電力用戶采用并網運行模式，則需要確保光伏發電系統并聯運行的頻率偏移具有一致性，這樣才能快速檢測到光伏并網系統中是否存在孤島現象，若并網頻率偏移不具有一致性，則多個用戶產生的并網偏移頻率會被相互抵消，導致電網中的孤島遲遲無法被發現[2]。主動頻率偏移分析應滿足：

當滿足式（1）時，并網發電系統進入穩態，孤島檢測失效。若此時并網負載的狀態為“大電感+小電容”，則說明該檢測盲區的范圍有限。如果是“小電感+大電容”則說明檢測盲區較大。這種情況下，為了盡可能縮小檢測盲區，提高檢測效率，引入正反饋理念，創建基于正反饋的主動頻率偏移模式，即AFDPF 模式。

該模式中，截斷系數計算式為：

式中：cfk-1為前一周期截斷系數因子；Δωk為前兩個周期并網公共節點的電壓頻率之差；F(Δωk)為主動頻率偏移增量正反饋函數，滿足F(Δωk)=kΔωk，因此可以得到式：

分析式（2）與式（3）可以發現，若反饋增益超過限額，則會出現大電流畸變現象，令電能質量降低，嚴重情況下還會導致光伏發電系統運行出現異常。為解決這一問題，需要對反饋增益k的范圍進行明確限制，即：

式中：Qf為負載品質因數；ω為電網角頻率。

AFDPF 算法具有較高的穩定性和可靠性，能夠在復雜的電力系統環境中實現孤島檢測和保護。該算法能夠自適應調整參數，以適應不同的電力系統條件和負載變化。

3.2 主動相位偏移法

除了通過控制輸出電流的頻率來檢測孤島外，還可以通過控制輸出電流的起始相位來實現對于孤島的有效檢測。在產生孤島后，通過對輸出電流的起始相位進行擾動，可以利用正反饋原理，改變公共節點處的電壓頻率，從而印證孤島的存在[3]。

研究中引入滑動頻率偏移技術，該技術的本質即一種針對相位變化的偏移擾動。當輸入電流的初始相位階段位于電壓過零點，則工作人員需要綜合考慮光伏發電并網穩定工作頻率以及電壓頻率之差，對電流起始相位進行調整，式為：

式中：θm為電力相位偏移幅值，其負載相交頻率如圖4所示。

圖4 負載、AFD 及SMS 相角頻率曲線

結合圖4，將參數θm=10°，C=997uf，L=11.5mh，R=10Ω 代入式（5）。當光伏電網處于穩定的工作狀態時，該系統保持50Hz。一旦出現孤島，負載曲線與孤島檢測曲線的交叉點變為穩定工作點，此時只要判斷新工作點對應的赫茲數據是否在正常范圍內，即可判斷出該系統中是否存在孤島。

分析圖2可以發現，當并網發電系統中出現孤島，則負載相位角的數據為-20°，此時在光伏發電系統鎖相環作用下，電流對于電壓相位進行持續跟蹤，此時輸出電流降低。基于式（4）與式（5），該電流頻率變化會引發輸出電流相位變化，通過這種方式形成一個完整的反饋循環，令光伏并網發電系統無法在諧振頻率節點正常運行。在這種狀態下，可以基于該節點的頻率值進行孤島保護判斷。

需要注意的是，如果光伏并網階段頻率不在保護范圍之內，則并網系統進入檢測盲區。為避免該系統進入檢測盲區，對檢測技術進行優化。通過引入附加相角調節量的方式，對穩定節點進行擾動，這種經過優化的檢測方法即主動相位偏移檢測法APS。其電流計算式為：

當電網處于正常工作狀態時，該檢測方法計算得到的相角偏移量為0；當出現孤島后，相角偏移量會隨著光伏發電系統頻率的變化而改變，隨著相位變化量的不斷累加，最終觸發頻率保護動作，令系統發現孤島的存在。

4 正反饋功率擾動孤島檢測法

孤島檢測作為電力系統中一項非常重要的安全措施，能夠及時準確地檢測出孤島情況，避免因孤島而引起的安全事故。傳統的基于頻率及相位偏移的孤島檢測方法存在一個缺陷，即可能對并網電流的單位功率因數輸出造成影響，從而降低了并網質量[4]。為了保證檢測時間及并網質量的要求，嘗試設計基于正反饋的有功功率擾動的孤島檢測方法。

該檢測方法具體流程為：在固定的工頻周期范圍內，通過檢測公共節點處的電壓有效值的變化來判斷是否存在孤島；如果存在孤島，則根據檢測到的電壓變化，改變并網電流指令值，以達到快速切斷孤島的目的[5]。這種方法不僅能夠保證孤島檢測的準確性和及時性，而且不會對并網電流的功率因數造成影響，從而提高了并網質量。有功擾動孤島檢測相關計算式詳見表1。

表1 有功擾動孤島檢測相關計算式

表1中，Vth為系統檢測誤差量；K1為反饋系數。

在正常并網狀態下，公共節點被電壓所鉗制，因此輸出電流周期性變化，對于節點電壓并不會造成影響。電網實際運行過程中，輸出電流指令僅改變幅值給定值，并不會對并網節點相位以及頻率產生擾動效果，通過這種方式確保并網質量。當出現孤島現象后，節點電壓將被輸出電流控制，電壓將隨著電流指令的變化而變化。如果電壓超出了設定的限制范圍，就會觸發保護動作。

5 結語

為消除光伏發電并網中的孤島現象，首先基于相位偏移及頻率設計孤島檢測系統，利用主動偏移法以及主動相位偏移法，實現對于光伏并網系統孤島的有效檢測。在此基礎上，針對該檢測方法可能對并網電流的單位功率因數輸出造成影響，從而降低了并網質量的問題，本文嘗試基于正反饋功率擾動技術對孤島檢測法進行優化，通過這種方式進一步提高孤島檢測效率，為光伏逆變器穩定工作提供技術支持。