光伏并网发电系统中的孤岛检测

1 引言

　　面对世界性的能源短缺的现实状况及能源的可持续发展对当今社会的突出影响，光伏并网发电作为新型环保方式之一，越来越受人们的重视，而孤岛效应是光伏并网发电系统中普遍存在的一个问题。所谓孤岛效应是指当电网由于电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，各个用户端的太阳能发电系统未能及时检测出停电状态将自身脱离电网，则太阳能发电系统和负载形成一个公共电网系统无法控制的自给供电孤岛。光伏并网发电系统处于孤岛运行状态时会产生严重的后果：

　　（1）导致孤岛区域的供电电压和频率不稳定；

　　（2）影响配电系统的保护开关动作程序；

　　（3）光伏并网系统在孤岛状态下单相供电，引起本地三相负载的欠相供电问题；

　　（4）电网恢复供电时由于相位不同步导致的冲击电流可能损坏并网逆变器；

　　（5）可能导致电网维护人员在认为已断电时接触孤岛供电线路，引起触电危险。

　　所以，当电网停电后，必须立刻中止系统对电网的供电，防止孤岛效应的发生。研究孤岛检测方法和保护措施，对将孤岛产生的危害降至最低具有十分重要的现实。

2 孤岛效应的检测标准

　　孤岛现象的巨大危害使得并网发电系统必须要具备反孤岛的功能，ieee std.929-2000规定了相应的反孤岛检测标准，它给出了并网逆变器在电网断电后检测到孤岛现象并使并网逆变器与电网断开的时间限制。相应的我们国家也根据ieee的相关标准制定了我国的检测标准，gb/t15945-2008规定电力系统正常运行条件下频率偏差限值为±0.2hz，当系统容量较小时，偏差限值可以放宽至±0.5hz。gb/t19939-2005规定并网后的频率偏差值若超过±0.5hz范围时过/欠频保护应在0.2s内动作，使并网系统与电网断开，相应的系统对检测到异常电压时所做出的反应时间如附表所示，同时还规定在电网的电压和频率恢复到正常范围后的20s~5min，并网系统不影响电网送电。在这套标准中，unom代表电网电压的有效值，我国为220v。

3 光伏发电系统孤岛检测基本原理

　　图1为光伏并网发电系统框图，工作原理简述如下：

　　（1）当断路器s闭合时，并网系统正常工作。由于锁相环的作用，pv系统输出的电流和电网电压同频同相，因此可将pv系统看作电流源。公共节点a的电压由电网电压决定。如果负载有功功率大于pv阵列所提供的功率，不足处由电网补充。反之，多余的功率馈入电网。由于pv系统的功率因数为1，则负载所需的无功功率均由电网提供。

　　△p=pl-p （1）

　　△q=ql-q （2）

　　式（3）、（4）是rcl负载的有功和无功功率的计算公式：

　　plaod=ua2/r （3）

　　qlaod=ua2 （1/ωal-ωac） （4）

　　由于pv系统的功率因数为1，因此，pv系统只向电网发送有功功率，则q=0，△q=ql。当孤岛效应发生瞬间，△p≠0，a点负载电压和频率发生变化。当δp、δq较大时，表明pv系统输出功率与负载功率不匹配，则pv系统输出电压或频率会发生很大的变化，当电压或频率变化超出正常范围，保护电路即可检测到孤岛的发生，继电器动作，将逆变器与电网切离，并封锁逆变器功率管，使光伏系统停止输出电能。但是，当δp或δq较小时，保护电路会因电压和频率未超出正常范围而检测不到孤岛的发生，进入检测盲区（ndz）。 [p]

4 光伏发电系统孤岛检测方法分析

　　反孤岛效应的关键是电网断电的检测，且检测时间越短效果越好。在电网的配电开关断开时，如果太阳能供电系统和电网负载需求量不平衡，则市电网中的电压、频率和相位将会产生较大的变动，此时可以利用电网电压的过/欠压保护和频率异常波动来保护检测电网断电，从而防止孤岛效应。孤岛检测方法一般可以分为被动式（无源）和主动式（有源）两类。

　　4.1 被动式（无源）孤岛检测方法

　　孤岛形成前后，系统的电气量一般都会发生变化。被动式检测方法就是通过检测并网系统与电网的公共耦合点（pcc）处的电压、频率以及相位的变化来判断是否有孤岛发生的。发生孤岛现象的系统一般会产生功率的变化：有功功率的不匹配会产生电压量的变化，无功功率的不匹配则会导致频率的变化。当变化超出我们设定的阈值，就可以认为是产生了孤岛。被动式检测方法不需要加入任何扰动，对电网无干扰，且对输出电能的质量无影响，是最基本的孤岛检测方法。常见的被动式（无源）检测方法有过/欠电压、高/低频检测，相位突变检测和电压谐波检测三种方法。

　　4.1.1 过/欠电压、高/低频检测

　　该方法主要对电网的电压和频率进行监控，防止pv系统输出电压或者频率超出正常的工作范围。光伏并网发电系统并网运行过程中，除了要防，还要保证逆变器输出电压与电网同步，因此对电不断进行检测，以防止出现过压、欠压、过频或电压、频率进行检测的被动式孤岛检测方法只需进行判断，无需增加检测电路。该方法最大的缺陷是负载功率平衡时，电网断电后逆变器输出端变，从而出现孤岛检测的漏判。

　　4.1.2 相位突变检测

　　如图1所示，pv系统并网运行时通常工作在单位功率因数模式，即pv系统输出电流i0与a点电压（电网电压）同频同相。当电网断开后，出现了pv系统单独给负载供电的孤岛现象，此时，a点电压由i0和负载阻抗z所决定。由于锁相环的作用，i0与a点电压仅仅在过零点发生同步，在过零点之间，i0跟随系统内部的参考电流而不会发生突变，因此，对于非阻性负载，a点电压的相位将会发生突变，从而可以采用相位突变检测方法来判断孤岛现象是否发生。相位突变检测算法简单、易于实现。但当负载阻抗角ψ接近零，即负载近似呈阻性时，由于所设阈值的限制，该方法失效［1］。

　　4.1.3 电压谐波检测

　　如图1所示，pv系统并网工作时，其输出电流谐波将通过a点流入电网。由于电网的网络阻抗很小，因此a点电压的总谐波畸变率通常较低。电网断开后，pv系统输出的电流谐波流入负载。由于负载阻抗通常要比电网阻抗大得多，因此a点电压（谐波电流与负载阻抗的乘积）将产生很大的谐波，故可以通过检测电压谐波或谐波的变化来判断pv系统是否处于孤岛状态。但在实际应用中，由于非线性负载等因素的存在，电网电压谐波很大，谐波检测的动作阈值不易确定，因此，该方法有局限性。

　　综上所述，被动式检测孤岛方法原理简单，容易实现，对电力系统无谐波影响等优点。但主要问题就是难以确定阈值，阈值既要大于正常运行时的值，又要小于等于孤岛时的值。由于并网逆变系统本身的输出也会有波动；电网自身也与理想情况有差异；某些用电负荷的启停也会对频率、电压产生影响；当用电负荷和并网系统功率匹配时，检测盲区较大；多台并网逆变系统同时运行时相互之间也会产生影响，干扰各自的孤岛检测。所以被动式的孤岛检测方法一般不单独使用，它通常作为辅助性的检测手段与主动式检测方法配合使用。

　　4.2 主动式（有源）检测方法

　　主动式检测方法是在逆变器的控制信号中加入很小的电压、电流或相位扰动信号，通过检测公共耦合点（ppc点）的响应情况判断是否发生孤岛现象的。正常工作时，由于电网的作用系统检测不到这些扰动，一旦电网断电，加入的扰动信号一般通过正反馈快速进行累积使电压、频率或相位超出允许的阈值范围，从而检测出孤岛现象的发生。主动式检测方法检测精度高，检测盲区小，但是由于加入了扰动信号，降低了逆变器的输出电流质量，增加了系统的总谐波失真度（thd）。常见的主动式（有源）检测方法有有源频率漂移（fad）检测，滑模频率偏移（sms）检测和输出功率扰动检测等方法。

　　4.2.1 有源频率漂移（fad）检测

　　有源频率偏移（afd）是目前一种常见的输出频率扰动孤岛效应检测方法。图2显示出其控制原理。该方法在开始时，通过控制逆变器提高输出电流的频率，在电网周期开始时发出正弦波电流，这样输出电流的频率和电网电压的频率存在一定的误差f（△f在并网标准允许范围内），这样半波后线路上的电压和逆变器电流过零点的时间就会存在一个固定的时间差tz，系统保持这一时间差和电网周期的比值△t。当电网正常工作时，由于逆变器电流被锁相环锁相，系统的比值△t保持固定值。当电网出现故障时，逆变器输出端的电压频率产生突变，而比值△t保持不变，这样就将不断地提高输出电流频率，该过程不断重复，直到逆变器输出电压频率超出门限值，从而触发孤岛效应的保护电路动作，切断逆变器与电网的连接。

　　对于并联的rcl负载，无论负载阻抗角大于或者小于零，在阻抗角和频率的偏移的相互影响下，其作用相互抵消，且此时频率和电压均未能超过预设的阈值，那么，系统将无法检测到孤岛现象的产生［2］。 [p]

　　4.2.2 滑模频率偏移（sms）检测

　　sms方法和afd方法类似，两者主要区别在于afd方法引入了误差△f，而sms方法引入了相角偏移θsms。sms方法下并网pv系统输出电流为

　　i0=imsin［2πfat+θsms］ （5）

　　θsms=θmsin［π/2（fa-f0）/（fm-f0）］ （6）

　　式中：

　　fa—a点负载电压的频率；

　　f0—电网频率；

　　θm—最大相移角；

　　fm—θsms=θm时对应的最大频率。

　　孤岛发生后，对于阻性负载ψ=0的情况，由于引入了偏移角θsms，使得fa增大；由式（6）可知，fa的增大又使得θsms增加，因此，该正反馈会使fa频率不断增加。当fa超出预设阈值时，系统将检测到孤岛的发生。

　　但是，对于并联谐振型rlc负载，sms也存在检测盲区的问题。当fa满足ψ=arctan［r（1/ωl-ωc）］=θsms=θmsin［π/2（fa-f0）/（fm-f0）］时（其中ω=2πf），且fa和电压未超出预设阈值时，系统将无法检测到孤岛的发生。

　　由上述分析可知，sms也可以减小无源孤岛检测的盲区，但该方法同样会影响pv系统输出的电能质量。此外，在rlc负载的相位增速快于pv系统，即dθload/df＜|dθsms/df|时，sms方法失效［3］。

　　4.2.3 输出功率扰动检测

　　主动功率扰动法一般是对并网电流施加扰动，使其输出功率发生变化。当处于孤岛状态时，电流的波动使公共耦合点（pcc）点的电压发生变化，超过所设定的阈值就可以判断孤岛现象的发生。

　　对于输出为电流源型的逆变器，每隔一定时间减小并网电流的给定值（假设减小一半），即相当于添加了电流的扰动信号，在正常并网过程中，加入的电流扰动并不会改变pcc点的电压，它仍为电网电压。当电网断电时，pcc点的电压大小与并网电流和本地负载的特性有关，当到达扰动时刻，并网电流的变动使得pcc点电压发生变动，如果扰动值设定恰当，即使输入输出功率匹配，也能迅速检测出孤岛现象。

　　综上所述，主动式检测孤岛方法能够快速准确的检测孤岛现象，并能减小检测盲区的影响，但美中不足的是加入的扰动量一般会降低并网电流的质量，并对电网电压产生一定的干扰［4］。

5 电流注入式孤岛检测方法

　　检验孤岛检测方法有效性的重要指标就是检测盲区（ndz），即系统中有孤岛产生，却不能实时检测出来。原因之一就是孤岛现象发生后系统内的电压、频率和相位差都在允许的变化范围内，致使孤岛产生后，孤岛系统能稳定运行，孤岛检测方法不能有效检测出孤岛现象。由于孤岛检测盲区的存在，所以不管是主动式还是被动式孤岛检测方法都有一定的局限性，且随着并网系统容量的增大，这种不可检测的可能性就越大，危害也越严重。现在的孤岛检测方法为了减小不可检测的概率，一般都是多种检测方法一起使用，利用各种方法的互补性缩小检测盲区的范围，增大孤岛检测成功的概率。目前最常用的是主、被动式相结合的方法检测孤岛效应，经过综合分析比较，决定采用被动的过/欠压、过/欠频检测和主动的电流注入式相结合的孤岛检测方法。

　　电流注入式的孤岛检测方法是通过向并网逆变器控制系统的电流控制环节注入一个电流扰动信号，这个扰动信号可以是非常低频的且幅值非常小的一个正弦信号。在孤岛条件下，注入控制器的信号调整了pcc点处的电压幅值，并使得pcc点处的频率发生偏移［5］。

　　正常工作情况下，并网电流的基频成分流入负载rlc。若一个频率为fd（不等于基频）的正弦扰动信号通过控制系统的电流调节器注入到系统内，相应的扰动电流流入有低阻抗特性的公用电网中，当主电网断开时系统处于孤岛状态，具有低阻抗特性的电网回路不存在，扰动电流被迫流经负载。我们将这种方法用matlab软件包对电流注入式的孤岛检测方法进行simulink仿真分析，扰动电流是幅值为0.5a，初始相位为00，频率为5hz的正弦波，孤岛测试负载是按照品质因数q=1设计计算的并联rlc的值，选择把扰动电流注入到q轴电流控制器，电网在0.4s断开，仿真波形如图3所示，横轴代表时间，纵轴代表频率。可以看出，在0.4s以前，系统的频率稳定在50hz，0.4s时电网断开以后，频率发生震荡，在如此小的扰动信号作用下，频率也能发生较大的偏移，系统在孤岛状态下50ms左右就能检测出频率超限，响应时间完全符合国家要求的0.2s的标准。这种方法非常简单方便，在dsp控制系统中很容易实现，并且如此小的扰动信号对系统的稳定性几乎不产生影响，是一种非常有效的孤岛检测方法。

6 结束语

　　本文分析了孤岛状态产生的原理及其带来的负面效应，阐述了各种本地孤岛检测方法的工作原理，并就每种方法的ndz、适用范围、对系统电能质量及暂态响应的影响等进行了论述。提出了一种新型有效的电流注入式检测方法，该方法运行指标适应中国电力系统要求，基于仿真结果表明，此方法加快了检测速度，减小了检测盲区，还减少了对电力系统的谐波污染。