并網(wǎng)孤島效應(yīng)的檢測(cè)

1、摘要：介紹孤島產(chǎn)生原理及其帶來(lái)的不利影響，簡(jiǎn)要分析傳統(tǒng)的被動(dòng)式和主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法。針對(duì)在孤島檢測(cè)中采用的各種策略，進(jìn)行了比較分析，提出功率擾動(dòng)方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該算法的光伏逆變器滿足IEEE Std. 2000-929標(biāo)準(zhǔn)，并驗(yàn)證了提出的孤島檢測(cè)方法的有效性。關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；孤島檢測(cè)；過(guò)/欠電壓；并網(wǎng)逆變器1前言光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為全球增長(zhǎng)速度最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)逆變器直接將直流電變換成交流電送至電網(wǎng)，需要有各種完善的保護(hù)措施。除了通常的電流、電壓和頻率監(jiān)測(cè)保護(hù)外，還需要考慮一種特殊的故障狀態(tài)，即孤島效應(yīng)。所謂孤島，具體到光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的情況，

2、可以作如下定義：電網(wǎng)由于電氣故障、人為或者自然等原因中斷供電時(shí)，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)未能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)并脫離電網(wǎng)，使該系統(tǒng)和周圍的負(fù)載組成一個(gè)不受電力公司掌控的自給供電孤島的情況。太陽(yáng)能并網(wǎng)系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生如下嚴(yán)重后果：1）導(dǎo)致孤島區(qū)域的供電電壓和頻率不穩(wěn)定；2）影響配電系統(tǒng)的保護(hù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作程序；3）光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在孤島狀態(tài)下單相供電，引起本地三相負(fù)載的欠相供電問(wèn)題；4）電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)由于相位不同步導(dǎo)致的沖擊電流可能損壞并網(wǎng)逆變器；5）可能導(dǎo)致電網(wǎng)維護(hù)人員在認(rèn)為已斷電時(shí)接觸孤島供電線路，引起觸電危險(xiǎn)。由此可見(jiàn)，研究孤島檢測(cè)方法和保護(hù)措施，對(duì)將孤島產(chǎn)生的危害降至最低具有十分重要的現(xiàn)實(shí)。在實(shí)際

3、工程中，由于主動(dòng)式孤島檢測(cè)會(huì)引入一些功率擾動(dòng)量，使得系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量下降。為了保證電能質(zhì)量，本文重點(diǎn)提出一種新的孤島檢測(cè)方法，具有快速有效的孤島檢測(cè)和對(duì)電能質(zhì)量無(wú)影響等特點(diǎn)。2光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測(cè)方法2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測(cè)基本原理孤島檢測(cè)方法一般可以分為被動(dòng)式（無(wú)源）和主動(dòng)式（有源）兩類。主動(dòng)式方法有過(guò)/欠/壓檢測(cè)、高/低頻檢測(cè)、相位突變檢測(cè)和電壓諧波檢測(cè)三種檢測(cè)方法。而被動(dòng)式檢測(cè)法通過(guò)觀測(cè)其電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓，頻率以及相位的變化來(lái)判斷有無(wú)孤島效應(yīng)的發(fā)生。IEEE標(biāo)準(zhǔn)929-2000明確給出了并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)斷電后檢測(cè)孤島狀態(tài)和斷開(kāi)和電網(wǎng)連接的時(shí)間限制，并給出了具有反孤島功能的并網(wǎng)逆變器的基本

4、要求。其中表1為電壓波動(dòng)對(duì)于并網(wǎng)逆變器的響應(yīng)時(shí)間的要求。防止孤島效應(yīng)（anti-islanding）的關(guān)鍵點(diǎn)是對(duì)于電網(wǎng)斷電的檢測(cè)。在電網(wǎng)的配電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，如果太陽(yáng)能供電系統(tǒng)和電網(wǎng)負(fù)載需求量不平衡，則市電網(wǎng)中的電壓、頻率和相位將會(huì)產(chǎn)生較大的變動(dòng)，此時(shí)可以利用電網(wǎng)電壓的過(guò)/欠壓保護(hù)和頻率異常波動(dòng)來(lái)保護(hù)檢測(cè)電網(wǎng)斷電，從而防止孤島效應(yīng)。2.2被動(dòng)式（無(wú)源）孤島檢測(cè)方法常見(jiàn)的被動(dòng)式（無(wú)源）檢測(cè)方法有過(guò)/欠電壓、高/低頻檢測(cè)，相位突變檢測(cè)和電壓諧波檢測(cè)方法。2.2.1過(guò)/欠電壓、高低頻檢測(cè)該方法主要對(duì)電網(wǎng)的電壓和頻率進(jìn)行監(jiān)控，防止LM系統(tǒng)輸出電壓或者頻率超出正常的工作范圍。如圖!所示的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)框圖

5、，S為并網(wǎng)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(lián)作為該系統(tǒng)的負(fù)載。a為光伏并網(wǎng)逆變器和電網(wǎng)的連接點(diǎn)。當(dāng)斷路器閉合時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電，此時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)向公共連接點(diǎn)a點(diǎn)流入的有功和無(wú)功功率Ppv+jQpv；負(fù)載得到的功率Pload+jQload，電網(wǎng)提供的有功和無(wú)功功率為P+jQ，則為：光伏系統(tǒng)在并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行時(shí)通常工作于單位功率因數(shù)，則Qpv=0而Q=Qload。則圖中是RLC負(fù)載的有功和無(wú)功功率的計(jì)算公式。其中Va為節(jié)點(diǎn)a處的電壓值。當(dāng)電網(wǎng)還沒(méi)有斷開(kāi)時(shí)，電壓的頻率及幅值始終受電網(wǎng)控制基本保持不變。當(dāng)電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，即孤島發(fā)生后，若P或Q很大，表明PV系統(tǒng)輸出功率與負(fù)載功率不匹配

6、，則PV系統(tǒng)輸出電壓或頻率會(huì)發(fā)生很大的變化，當(dāng)電壓或頻率變化超出正常范圍，保護(hù)電路即可檢測(cè)到孤島的發(fā)生。但是，當(dāng)P或Q較小時(shí)，保護(hù)電路會(huì)因電壓和頻率未超出正常范圍而檢測(cè)不到孤島的發(fā)生。2.2.2相位突變檢測(cè)如圖1所示，在PV系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，通常工作在單位功率因數(shù)模式，即PV系統(tǒng)輸出電流.,與a點(diǎn)電壓（電網(wǎng)電壓）同頻同相。當(dāng)電網(wǎng)斷開(kāi)后，出現(xiàn)了PV系統(tǒng)單獨(dú)給負(fù)載供電的孤島現(xiàn)象，此時(shí)，a點(diǎn)電壓Va由輸出電流I0和負(fù)載阻抗Z所決定。由于鎖相環(huán)的作用，電流的頻率和相位被系統(tǒng)內(nèi)部鎖定，使得電流和電壓在過(guò)零點(diǎn)同步。在過(guò)零點(diǎn)外，電壓超前于或者落后于電流，由此導(dǎo)致電壓相位的突變。所以可以采用相位突變檢測(cè)方法來(lái)判

7、斷孤島現(xiàn)象是否產(chǎn)生。相位突變檢測(cè)算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。但是如果在負(fù)載近似阻性負(fù)載時(shí)，由于閥值的限制，該方法失效。2.2.3電壓諧波檢測(cè)這種方法主要基于/0系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)阻抗小的特性。當(dāng)與電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，由于負(fù)載阻抗相比電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)阻抗大很多，流入負(fù)載的電流會(huì)在&點(diǎn)產(chǎn)生較大的諧波。監(jiān)測(cè)線路電壓的諧波含量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)諧波含量突然增加時(shí)，就可以認(rèn)為發(fā)生了孤島現(xiàn)象。但是在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，由于非線性負(fù)載等因素的存在，電網(wǎng)電壓諧波很大，諧波檢測(cè)的閥值也很難確定，因此，該方法有較大的局限性。綜上所述，被動(dòng)式（無(wú)源）檢測(cè)方法具有原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)電力系統(tǒng)無(wú)諧波影響等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于光伏電源的功率與局部電網(wǎng)負(fù)

8、載的功率在基本平衡的狀態(tài)下而導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和頻率變化很小，所以采用被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大的檢測(cè)盲區(qū)。所以在考慮采用被動(dòng)式檢測(cè)法的時(shí)候，應(yīng)該避免這種狀況出現(xiàn)。2.3主動(dòng)式（有源）孤島檢測(cè)方法主動(dòng)式（有源）檢測(cè)方法通過(guò)在并網(wǎng)逆變器的輸出加以電流、頻率或者相位干擾信號(hào)，并檢測(cè)其對(duì)線路電壓的影響，在孤島運(yùn)行狀態(tài)，擾動(dòng)信號(hào)會(huì)在線路電壓上體現(xiàn)并累積，從而檢測(cè)出孤島狀態(tài)。常見(jiàn)的主動(dòng)式（有源）檢測(cè)方法有有源頻率偏移（Active Frequency Drift，AFD）、滑模頻率偏移（Slip Mode Frequency Shift, SMS）、輸出功率擾動(dòng)方法。2.3.1有源頻率偏移（

9、Active Frequency Drift，AFD）檢測(cè)有源頻率偏移AFD是目前一種常見(jiàn)的輸出頻率擾動(dòng)孤島效應(yīng)檢測(cè)方法。圖2顯示出其控制原理。該方法在開(kāi)始時(shí)，通過(guò)控制逆變器提高輸出電流的頻率，在電網(wǎng)周期開(kāi)始時(shí)發(fā)出正弦波電流，這樣輸出電流的頻率和電網(wǎng)電壓的頻率存在一定的誤差f，這樣半波后線路上的電壓和逆變器電流過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間就會(huì)存在一個(gè)固定的時(shí)間差tz，系統(tǒng)保持這一時(shí)間差和電網(wǎng)周期的比值t。當(dāng)電網(wǎng)正常工作時(shí)，由于逆變器電流被鎖相環(huán)鎖相，系統(tǒng)的比值t保持固定值（f在并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)）。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，線路上的電壓頻率產(chǎn)生突變，而比值t保持不變，這樣就將不斷地提高輸出電流頻率，直到線路電壓頻率超

10、出門(mén)限值，從而觸發(fā)孤島效應(yīng)的保護(hù)功能。對(duì)于并聯(lián)的RLC負(fù)載，無(wú)論負(fù)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(shí)頻率和電壓均未能超過(guò)預(yù)設(shè)的閥值，那么，系統(tǒng)將無(wú)法檢測(cè)到孤島現(xiàn)象的產(chǎn)生。2.3.2滑模頻率偏移（Slip Mode Frequency Shift, SMS）檢測(cè)SMS方法和AFD方法類似，兩者主要區(qū)別在于AFD方法引入了誤差f，而SMS方法引入了相角偏移sms。在孤島現(xiàn)象發(fā)生后，對(duì)于阻性負(fù)載=0的情況下，由于引入偏移角sms，使a點(diǎn)負(fù)載電壓頻率f增大，在系統(tǒng)正反饋的作用下，電壓頻率f不斷增大。當(dāng)f增大到預(yù)設(shè)的閥值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)檢測(cè)到孤島現(xiàn)象的發(fā)生。2.

11、3.3輸出功率擾動(dòng)檢測(cè)對(duì)于電流型并網(wǎng)逆變器，控制!"系統(tǒng)周期性地輸出有功功率和無(wú)功功率擾動(dòng)，當(dāng)電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，該擾動(dòng)會(huì)使系統(tǒng)的電壓或者頻率明顯變化超出預(yù)設(shè)的閥值，從而檢測(cè)出孤島現(xiàn)象的產(chǎn)生。該檢測(cè)方法在運(yùn)用于單臺(tái)光伏逆變器上產(chǎn)生了良好的實(shí)驗(yàn)效果。但是當(dāng)孤島中同時(shí)存在多個(gè)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)供電時(shí)，由于多個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)難以做到功率干擾的同步，這種方法會(huì)受到平均效果的影響。3仿真實(shí)驗(yàn)本文提出一種新型的過(guò)/欠電壓與功率擾動(dòng)法作為其主要的孤島檢測(cè)方法，應(yīng)用新算法對(duì)光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。圖3是在有功率擾動(dòng)的情況下電網(wǎng)電壓、電流的仿真波形。由圖3可知，采用功率擾動(dòng)后，由于電網(wǎng)電壓實(shí)現(xiàn)了對(duì)逆變電壓的變化進(jìn)行了

12、牽制，電壓并沒(méi)有因?yàn)槟孀冚敵龉β首兓兓?，在整個(gè)過(guò)程中電網(wǎng)沒(méi)有脫離。圖4是在有功率擾動(dòng)的情況下的產(chǎn)生孤島現(xiàn)象的仿真波形。由圖4可知，采用功率擾動(dòng)后，由于電網(wǎng)電壓的脫離，對(duì)逆變其輸出端的電壓的變化無(wú)法進(jìn)行牽制，電壓隨著逆變輸出功率變化而變化。從圖4中可以看到，電網(wǎng)在某0.3S時(shí)刻發(fā)生斷網(wǎng)，孤島現(xiàn)象產(chǎn)生。這一擾動(dòng)導(dǎo)致逆變器輸出側(cè)電壓值偏離并在0.5S時(shí)刻超出逆變器的欠壓保護(hù)，從而引起系統(tǒng)測(cè)出孤島現(xiàn)象，可以立即啟動(dòng)保護(hù)。從仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，實(shí)驗(yàn)符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)929-2000對(duì)孤島檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)要求，證明實(shí)驗(yàn)原理可以應(yīng)用于實(shí)際的工程實(shí)驗(yàn)中。4實(shí)驗(yàn)原理在分析和比較以上給出的各種被動(dòng)式和主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法

13、的基礎(chǔ)上，并且結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)。本文提出一種新型的過(guò)/欠電壓與功率擾動(dòng)法作為其主要的孤島檢測(cè)方法。作為這一種防止孤島檢測(cè)方法，其具體方法是通過(guò)檢測(cè)逆變器與電網(wǎng)連接點(diǎn)的電壓幅值與頻率來(lái)判斷孤島效應(yīng)是否發(fā)生。同時(shí)，為了防止在孤島檢測(cè)中由于負(fù)載盲區(qū)而產(chǎn)生的誤判現(xiàn)象，在試驗(yàn)中采用主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法，即引入了功率擾動(dòng)減小誤判現(xiàn)象的發(fā)生。該方法控制原理簡(jiǎn)單，對(duì)傳感器和控制器的精度要求不高，在光伏并網(wǎng)逆變器中實(shí)現(xiàn)不需要額外的硬件成本，其原理和普通的過(guò)'欠電壓檢測(cè)方法相似，都是通過(guò)檢測(cè)公共點(diǎn)的電壓來(lái)達(dá)到檢測(cè)孤島狀態(tài)的目的。不同之處在于該方法在傳統(tǒng)的被動(dòng)式檢測(cè)環(huán)節(jié)上加入了主動(dòng)檢測(cè)的方法，即發(fā)出與電網(wǎng)電壓同頻

14、的功率擾動(dòng)，但是在其幅值并不足以觸發(fā)過(guò)壓或者欠壓保護(hù)時(shí)，擾動(dòng)可以在負(fù)載不平衡的情況下產(chǎn)生一定的電壓跳變，以實(shí)現(xiàn)孤島狀態(tài)的準(zhǔn)確檢出。同時(shí)，該方法對(duì)孤島中存在多個(gè)光伏并網(wǎng)的情況也具有一定的實(shí)用性。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果本文在100kW三相光伏逆變器平臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試。PV系統(tǒng)輸出的電流峰值為15A。采用DSP控制，其光伏系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。并網(wǎng)時(shí)被動(dòng)式檢測(cè)波形如圖6所示，可以看出，并網(wǎng)時(shí)公關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓為電網(wǎng)電壓，負(fù)載為阻性負(fù)載。當(dāng)電網(wǎng)斷開(kāi)的時(shí)候，電流由于電感的作用沒(méi)有發(fā)生突變，但是公共節(jié)點(diǎn)電壓產(chǎn)生了一個(gè)小的突變。通過(guò)這個(gè)在公共節(jié)點(diǎn)的電壓突變，可以判定系統(tǒng)發(fā)生了孤島現(xiàn)象?？紤]到被動(dòng)（無(wú)源）檢測(cè)法中存在較大盲

15、區(qū)的限制、功率擾動(dòng)對(duì)同步性的要求，以及為了防止虛假孤島保護(hù)現(xiàn)象發(fā)生，在過(guò)/欠電壓檢測(cè)中增加了并網(wǎng)電流擾動(dòng)輔助措施，從而可以有效避免由于負(fù)載盲區(qū)現(xiàn)象，進(jìn)一步提高孤島檢測(cè)的準(zhǔn)確性。本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步采用輸出功率擾動(dòng)檢測(cè)和過(guò)/欠電壓、高!低頻檢測(cè)結(jié)合的檢測(cè)方法。過(guò)/欠電壓、高/低頻檢測(cè)作為主要的算法。在實(shí)驗(yàn)中，以電網(wǎng)頻率為50Hz為例，一般的實(shí)施方法就是每隔六個(gè)周期，將并網(wǎng)逆變器的輸出電流參考值設(shè)定正常值的1/2，并維持2個(gè)周期以防止誤判。圖7給出了應(yīng)用本孤島檢測(cè)方法的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)狀態(tài)下運(yùn)行和孤島狀態(tài)運(yùn)行時(shí)的逆變器輸出電流和線路電壓波形，電路按照IEEE標(biāo)準(zhǔn)929-2000中反孤島測(cè)試電路進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，負(fù)載和逆變器處于平衡狀態(tài)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果與表1中的孤島保護(hù)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本孤島檢測(cè)方法在線路出現(xiàn)孤島情況下，在0.14s內(nèi)檢測(cè)到孤島現(xiàn)象，小于IEEE標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std 929-2000所規(guī)定的2.4s保護(hù)的保護(hù)時(shí)間，說(shuō)明保護(hù)方法具有很好的快速性，同時(shí)有效地避免了由于負(fù)載盲區(qū)對(duì)系統(tǒng)可靠工作帶來(lái)的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，由于負(fù)載與逆變器輸出平衡，線路電壓與并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)相同，并網(wǎng)系統(tǒng)繼續(xù)工作。當(dāng)電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，由于人為降低了輸出電流的參考值，以致負(fù)載和逆變器輸出不平衡，所以