摘要：本文介紹了孤島效應的不利影響及其檢測標準，分析傳統被動式和主動式孤島檢測方法的區別。提出了一種新型有效的方法“正反饋主動移頻法”，并通過仿真驗證了此方法的可行性。

關鍵詞：光伏系統 孤島檢測 檢測盲區

Abstract: This paper introduces the adverse impact of island effect and the testing standards of islanding detection, analyzes the traditional methods, which include passive and active islanding detection. A new and effective approach –- Active Frequency with Positive Feedback (AFDPE) is put forward, and is validated by the simulation.

Key words：Photovoltaic system Islanding detection Non-detection Zone (NDZ)

[中圖分類號] ???? [文獻標識碼] B 文章編號1561-0330(2012)08-0000-00

1 引言

能源緊缺和環境惡化是日趨嚴重的全球性問題。跨入21世紀之后，綠色、和諧發展己經成為人類的目標。隨著人類對能源需求的不斷增加，傳統化石能源面臨著日趨枯竭的危險。經過近半個世紀的努力，太陽能利用技術及其產業異軍突起，成為能源工業中的一支后起之秀。但孤島效應是光伏并網發電系統中普遍存在的一個問題。孤島效應是指當電網因故障事故或停電維修等原因而跳閘時，各個用戶端的太陽能并網發電系統未能及時檢測出停電狀態而未將自身切離市電，形成由太陽能并網發電系統和周圍負載形成的一個自給供電孤島。孤島效應是并網發電系統特有的現象，具有相當大的危害性，不僅會危害到整個配電系統及用戶端的設備.更嚴重的是會造成輸電線路維修人員的生命安全 。目前,分布式電源日趨增長，尤其是太陽能發電更是發展迅速，當有許多光伏并網系統同時向公共電網供電時，發生孤島效應的機率也隨之增加。因此解決孤島問題顯得尤為重要。

2 孤島效應的檢測標準

國際通行的光伏系統入網標準IEEE Std.2000-929以及UL1741和分布式電站入網標準IEEE 1547，都對并網逆變器孤島檢測功能做出了要求。其中，IEEE Std.2000-929規定當公共點的頻率在59.3-60.5Hz之外時，并網逆變器應在6個周期內停止供電；在公共點電壓異常下逆變器停止供電時間標準如表1。

表1 電壓異常下的響應（IEEE Std.2000-929）

我國的光伏系統并網技術（GB/T 19939-2005）要求規定光伏系統并網后的頻率允許偏差值允許為±0.5Hz，當超過該范圍時過/欠頻保護應在0.2s內動作，使光伏系統與電網斷開。相應的系統對檢測到異常電壓時所做出的反應時間如表2所示。

表2 電壓異常下的響應（GB/T 19939-2005）

對于孤島檢測的測試電路，北美和歐洲普遍選用RLC諧振負載。用RL負載來模擬沒有進行功率因數校正的電網時，當Qf從0變到2.5時，相應的功率因數由1變到0.37。IEEE Std.2000-929取Qf為2.5，以模擬功率因數補償后實際負載中可能出現的最大值。本文仍采用Qf為2.5的諧振負載，按要求需在2s內檢測出孤島并作保護。

3光伏發電系統孤島檢測方法分析

3.1 孤島檢測方法原理

如圖1所示，PV代表電池板，Grid代表電網，本地負載為RLC并聯負載；PPV、QPV為光伏系統提供的有功、無功；Pload、Qload為本地負載消耗的有功和無功，ΔP、ΔQ為電網側提供的有功、無功，a點定義為公共耦合點。

根據節點功率守恒的原理，若ΔP、ΔQ不為0，則電網脫開（S1斷開）前后，Pload、Qload會發生改變。Pload的改變會引起公共點電壓Va的改變，Qload的改變會引起公共電頻率f的改變。若Va或f改變足夠大，就可通過電壓或頻率檢測到電網異常情況從而切斷與電網的電氣連接，否則僅依靠電壓或頻率檢測無法得知電網異常情況，系統繼續以并網方式運行，即進入檢測盲區。盲區描述是評判孤島檢測有效性的常用工具之一。所謂盲區是指在某種孤島檢測方法下，使檢測失敗的所有負載總和。

3.2 被動式孤島檢測方法

被動式孤島檢測方法主要是根據公共耦合a點的電量參數變化來判定是否發生孤島。由于被動孤島檢測方法的檢測閥值難以設定、存在檢測盲區和受負載干擾大等原因，被動檢測只能作為孤島檢測的輔助方法，從而進一步提出了主動檢測方法。

3.3主動式孤島檢測方法

主動檢測法的思想是：對逆變器輸出的電壓、電流等電量實施擾動，監測電路的響應情況，從而判斷逆變器是否與電網相連。

(1) 通過加入擾動量

通過加入擾動量，監測逆變器輸出電路的阻抗變化來判斷是否產生孤島現象。（歐盟標準EN50330-1規定阻抗變化1歐姆即可認為孤島產生，需在5s內切斷電網。）

·功率擾動法：對逆變器的輸出電流值進行擾動，檢測公共點電壓跟隨變化的情況，從而判斷電網是否存在。單機并網運行時，盲區很小。多機并網運行時，由于多機擾動不同步，稀釋了擾動效果，影響檢測效果，因此只適用于單機小規模系統。

·特異信號注入法：這種方法需要復雜的信號處理技術，適合用于信號帶寬有限的情況。由于注入的信號多為次諧波，當信號過大時將降低變壓器等設備的性能。多系統并聯時同樣存在稀釋效應。

(2)輸出電壓正反饋

對逆變器的輸出電流有效值施加正反饋，使電網斷開后，公共點電壓能很快地偏離正常范圍，檢測出孤島狀態。此方法雖然不影響電能質量，但會造成功率損失，并且擾動周期比較長，孤島檢測時間較慢，不適合快速動作。

(3)主動頻率或相位偏移

逆變器對輸出電流的頻率或相位做正反饋擾動。在電網斷開后，將公共點頻率快速推離正常范圍。該方法具有對電能質量影響小，易于實現等優點，多機并網系統中同樣有效。

4主動頻率式孤島檢測

前文比較分析了各種主動檢測法的優劣，其中阻抗檢測法在多機并聯運行時存在稀釋效應。其余的主要集中在擾動逆變器的輸出電參量不斷偏移直至觸發相應的保護。參考逆變器輸出電流的表達式：

（1）

可得可施加擾動的量有：電流幅值、電流頻率、電流相位，以此產生了基于幅值的擾動，代表算法為電壓正反饋法(Sandia Voltage Shift,SVS)；基于頻率的擾動，代表算法為主動頻率偏移法(Auto Frequency Drift,AFD)。其中，SVS法對能量有損失，而AFD法在對輸出電能質量干擾較小的情況下即可有效檢測出孤島，且在多機運行下同樣有效，因而成為本文研究的重點。

4.1 主動移頻孤島檢測原理

主動頻率偏移法通過采樣公共節點a處的頻率，將逆變器的輸出電流頻率偏移，使負載端電壓頻率擾動，如圖2所示。調整輸出電流的頻率使其比電壓頻率略高，直到電壓過零點到來，電流才開始下一個半波。當市電斷電后，公共點電壓的頻率受電流頻率的影響而偏離原值，超過正常范圍即可檢測出孤島。

圖2中，Va為公共點電壓，并網運行時即為電網電壓，Tv是是對應的周期，i為逆變器輸出電流，tz為電流截斷時間，i1為i的基波分量。定義cf=2tz/Tv為截斷系數，通過傅立葉分析可得i1超前i的相位為ωtz/2（弧度），定義其為主動移頻角 ，即：

由圖3可知，當負載的諧振頻率f0小于電網頻率時，并網時負載呈容性；當負載的諧振頻率f0大于電網頻率時，并網時負載呈感性。并網逆變器一般控制為單位功率因數。當電網正常時，公共點電壓頻率受電網電壓鉗制。當電網失壓后，有等效模型如圖4所示，從中可以看到頻率（或相位）信號經歷了PLL和AFD算法兩部分。

系統通過鎖相環令輸出電流跟蹤公共點電壓相位，以鎖相環鑒相點為周波起始時刻，由圖2和圖4可導出如下關系式：

其中，[m]表示當前量，[m-1]表示上一周期的量。鎖相環輸入為Va和i之間的相位差B。由式(4)可得，若B大于0，則i滯后Va，將增大輸出電流頻率，它將阻止頻率繼續上升；若B小于0，則i超前Va，系統將減小輸出頻率，將阻止頻率繼續下降；若B=0，則

系統將保持上周輸出頻率不變，即到達穩定運行狀態，當頻率越限時，孤島即被檢測出來，否則就進入檢測盲區。式（5）為相角判斷依據。

4.2 主動移頻孤島檢測的缺陷及改進方法

為避免頻率在越限保護之前達到穩態，需設置較大的cf以得到較大的AFD，然而電流波形畸變將變得嚴重，cf對電能質量的影響不可忽略。由于cf與電流THD的關系，當電流THD達到IEEE Std1547-2003規定的并網標準，cf絕對值不可超過0.05。所以只適用于品質因數較小的非容性負載孤島檢測。因此，為了減小并網運行時對電能質量的影響，脫網時能快速檢測出孤島，且檢測盲區小等要求，AFD法引入頻率正反饋，此即為帶正反饋的主動頻率偏移法（AFDPE）。

在這種改進的方法中，我們引入頻率正反饋系數m，初始截斷系數cf0，電網頻率fg ,則：

4.2 主動移頻孤島檢測盲區分析

目前有多種描述孤島檢測盲區的方法，對于表達式確定的主動移頻法，其孤島檢測的成功與否取決于本地負載的品質因數和諧振頻率，因此可由 空間法描述其盲區。此空間法描述盲區能覆蓋所有RLC組合的負載，可直觀反映出負載的品質因數和諧振頻率，與IEEE std 929-2000規定的標準直接對應。上述盲區空間的描繪都以式(3)所示的相角判據為依據。 空間描述盲區的過程( 為逆變器的移相角， 為孤島形成時的系統頻率)：

由圖5可以分析出：

（1）曲線1,2 對應的m=0，即為AFD法的盲區。cf的大小只改變盲區的上下位置。

4.3 主動移頻孤島檢測仿真分析

采用Matlab/Simulink對2kW單相光伏并網發電系統孤島檢測性能進行仿真，取電網電壓220V/50Hz，頻率保護的動作閥值設置為50±0.5Hz，整定負載有功為2kW，品質因數為2.5，諧振頻率f0=50Hz。

如圖6 和圖7所示(其中均為Qf=2.55，m=0.07, cf0=0.02。波形1：電壓 200V/div; 波形2: 電流 10A/div; 波形3:頻率 )，孤島檢測均符合國際標準IEEE Std.2000-929和國家GB/T 19939-2005規定的2s內檢測出孤島的要求。為加快檢測速度，可適當增大cf0。

5 結束語

本文分析了孤島狀態產生的原理，并對移頻孤島檢測法進行詳細的分析和論證。通過基于 空間法的盲區分析和Matlab/Simulink仿真分析，得出AFD法只適用于非容性負載孤島檢測，而AFDPF法對負載性質沒有限制，且引入正反饋后更能提高檢測效率。所以該改進方法擁有檢測效率高、檢測速度快和對負載無限制等諸多優點，該種主動檢測方法將會成為光伏孤島檢測的重要方法和發展方向。

作者簡介

程鵬：1983年生，大學本科，主要研究方向：光伏和風力發電變流器控制系統。

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