摘要：本文介紹了孤島效應(yīng)的不利影響及其檢測標(biāo)準(zhǔn)，分析傳統(tǒng)被動式和主動式孤島檢測方法的區(qū)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(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng) 孤島檢測 檢測盲區(qū)

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(xiàn)標(biāo)識碼] B 文章編號1561-0330(2012)08-0000-00

1 引言

能源緊缺和環(huán)境惡化是日趨嚴(yán)重的全球性問題。跨入21世紀(jì)之后，綠色、和諧發(fā)展己經(jīng)成為人類的目標(biāo)。隨著人類對能源需求的不斷增加，傳統(tǒng)化石能源面臨著日趨枯竭的危險。經(jīng)過近半個世紀(jì)的努力，太陽能利用技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)異軍突起，成為能源工業(yè)中的一支后起之秀。但孤島效應(yīng)是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中普遍存在的一個問題。孤島效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)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(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能及時檢測出停電狀態(tài)而未將自身切離市電，形成由太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍負(fù)載形成的一個自給供電孤島。孤島效應(yīng)是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)特有的現(xiàn)象，具有相當(dāng)大的危害性，不僅會危害到整個配電系統(tǒng)及用戶端的設(shè)備.更嚴(yán)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(fā)電更是發(fā)展迅速，當(dāng)有許多光伏并網(wǎng)系統(tǒng)同時向公共電網(wǎng)供電時，發(fā)生孤島效應(yīng)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(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)

國際通行的光伏系統(tǒng)入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std.2000-929以及UL1741和分布式電站入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1547，都對并網(wǎng)逆變器孤島檢測功能做出了要求。其中，IEEE Std.2000-929規(guī)定當(dāng)公共點的頻率在59.3-60.5Hz之外時，并網(wǎng)逆變器應(yīng)在6個周期內(nèi)停止供電；在公共點電壓異常下逆變器停止供電時間標(biāo)準(zhǔn)如表1。

表1 電壓異常下的響應(yīng)（IEEE Std.2000-929）

我國的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)（GB/T 19939-2005）要求規(guī)定光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后的頻率允許偏差值允許為±0.5Hz，當(dāng)超過該范圍時過/欠頻保護(hù)應(yīng)在0.2s內(nèi)動作，使光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開。相應(yīng)的系統(tǒng)對檢測到異常電壓時所做出的反應(yīng)時間如表2所示。

表2 電壓異常下的響應(yīng)（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(fù)載。用RL負(fù)載來模擬沒有進(jìn)行功率因數(shù)校正的電網(wǎng)時，當(dāng)Qf從0變到2.5時，相應(yīng)的功率因數(shù)由1變到0.37。IEEE Std.2000-929取Qf為2.5，以模擬功率因數(shù)補償后實際負(fù)載中可能出現(xiàn)的最大值。本文仍采用Qf為2.5的諧振負(fù)載，按要求需在2s內(nèi)檢測出孤島并作保護(hù)。

3光伏發(fā)電系統(tǒng)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(wǎng)，本地負(fù)載為RLC并聯(lián)負(fù)載；PPV、QPV為光伏系統(tǒng)提供的有功、無功；Pload、Qload為本地負(fù)載消耗的有功和無功，ΔP、ΔQ為電網(wǎng)側(cè)提供的有功、無功，a點定義為公共耦合點。

根據(jù)節(jié)點功率守恒的原理，若ΔP、ΔQ不為0，則電網(wǎng)脫開（S1斷開）前后，Pload、Qload會發(fā)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(wǎng)異常情況從而切斷與電網(wǎng)的電氣連接，否則僅依靠電壓或頻率檢測無法得知電網(wǎng)異常情況，系統(tǒng)繼續(xù)以并網(wǎng)方式運行，即進(jìn)入檢測盲區(qū)。盲區(qū)描述是評判孤島檢測有效性的常用工具之一。所謂盲區(qū)是指在某種孤島檢測方法下，使檢測失敗的所有負(fù)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(jù)公共耦合a點的電量參數(shù)變化來判定是否發(fā)生孤島。由于被動孤島檢測方法的檢測閥值難以設(shè)定、存在檢測盲區(qū)和受負(fù)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(jìn)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(jiān)測電路的響應(yīng)情況，從而判斷逆變器是否與電網(wǎng)相連。

(1) 通過加入擾動量

通過加入擾動量，監(jiān)測逆變器輸出電路的阻抗變化來判斷是否產(chǎn)生孤島現(xiàn)象。（歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN50330-1規(guī)定阻抗變化1歐姆即可認(rèn)為孤島產(chǎn)生，需在5s內(nèi)切斷電網(wǎng)。）

·功率擾動法：對逆變器的輸出電流值進(jìn)行擾動，檢測公共點電壓跟隨變化的情況，從而判斷電網(wǎng)是否存在。單機并網(wǎng)運行時，盲區(qū)很小。多機并網(wǎng)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(guī)模系統(tǒng)。

·特異信號注入法：這種方法需要復(fù)雜的信號處理技術(shù)，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(dāng)信號過大時將降低變壓器等設(shè)備的性能。多系統(tǒng)并聯(lián)時同樣存在稀釋效應(yīng)。

(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(wǎng)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(tài)。此方法雖然不影響電能質(zhì)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(wǎng)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(zhì)量影響小，易于實現(xiàn)等優(yōu)點，多機并網(wǎng)系統(tǒng)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(yōu)劣，其中阻抗檢測法在多機并聯(lián)運行時存在稀釋效應(yīng)。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(fā)相應(yīng)的保護(hù)。參考逆變器輸出電流的表達(dá)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(chǎn)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(zhì)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(jié)點a處的頻率，將逆變器的輸出電流頻率偏移，使負(fù)載端電壓頻率擾動，如圖2所示。調(diào)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(dāng)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(wǎng)運行時即為電網(wǎng)電壓，Tv是是對應(yīng)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(shù)，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(dāng)負(fù)載的諧振頻率f0小于電網(wǎng)頻率時，并網(wǎng)時負(fù)載呈容性；當(dāng)負(fù)載的諧振頻率f0大于電網(wǎng)頻率時，并網(wǎng)時負(fù)載呈感性。并網(wǎng)逆變器一般控制為單位功率因數(shù)。當(dāng)電網(wǎng)正常時，公共點電壓頻率受電網(wǎng)電壓鉗制。當(dāng)電網(wǎng)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(jīng)歷了PLL和AFD算法兩部分。

系統(tǒng)通過鎖相環(huán)令輸出電流跟蹤公共點電壓相位，以鎖相環(huán)鑒相點為周波起始時刻，由圖2和圖4可導(dǎo)出如下關(guān)系式：

其中，[m]表示當(dāng)前量，[m-1]表示上一周期的量。鎖相環(huán)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(xù)上升；若B小于0，則i超前Va，系統(tǒng)將減小輸出頻率，將阻止頻率繼續(xù)下降；若B=0，則

系統(tǒng)將保持上周輸出頻率不變，即到達(dá)穩(wěn)定運行狀態(tài)，當(dāng)頻率越限時，孤島即被檢測出來，否則就進(jìn)入檢測盲區(qū)。式（5）為相角判斷依據(jù)。

4.2 主動移頻孤島檢測的缺陷及改進(jìn)方法

為避免頻率在越限保護(hù)之前達(dá)到穩(wěn)態(tài)，需設(shè)置較大的cf以得到較大的AFD，然而電流波形畸變將變得嚴(yán)重，cf對電能質(zhì)量的影響不可忽略。由于cf與電流THD的關(guān)系，當(dāng)電流THD達(dá)到IEEE Std1547-2003規(guī)定的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，cf絕對值不可超過0.05。所以只適用于品質(zhì)因數(shù)較小的非容性負(fù)載孤島檢測。因此，為了減小并網(wǎng)運行時對電能質(zhì)量的影響，脫網(wǎng)時能快速檢測出孤島，且檢測盲區(qū)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(jìn)的方法中，我們引入頻率正反饋系數(shù)m，初始截斷系數(shù)cf0，電網(wǎng)頻率fg ,則：

4.2 主動移頻孤島檢測盲區(qū)分析

目前有多種描述孤島檢測盲區(qū)的方法，對于表達(dá)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(fù)載的品質(zhì)因數(shù)和諧振頻率，因此可由 空間法描述其盲區(qū)。此空間法描述盲區(qū)能覆蓋所有RLC組合的負(fù)載，可直觀反映出負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)和諧振頻率，與IEEE std 929-2000規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)直接對應(yīng)。上述盲區(qū)空間的描繪都以式(3)所示的相角判據(jù)為依據(jù)。 空間描述盲區(qū)的過程( 為逆變器的移相角， 為孤島形成時的系統(tǒng)頻率)：

由圖5可以分析出：

（1）曲線1,2 對應(yīng)的m=0，即為AFD法的盲區(qū)。cf的大小只改變盲區(qū)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(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測性能進(jìn)行仿真，取電網(wǎng)電壓220V/50Hz，頻率保護(hù)的動作閥值設(shè)置為50±0.5Hz，整定負(fù)載有功為2kW，品質(zhì)因數(shù)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(biāo)準(zhǔn)IEEE Std.2000-929和國家GB/T 19939-2005規(guī)定的2s內(nèi)檢測出孤島的要求。為加快檢測速度，可適當(dāng)增大cf0。

5 結(jié)束語

本文分析了孤島狀態(tài)產(chǎn)生的原理，并對移頻孤島檢測法進(jìn)行詳細(xì)的分析和論證。通過基于 空間法的盲區(qū)分析和Matlab/Simulink仿真分析，得出AFD法只適用于非容性負(fù)載孤島檢測，而AFDPF法對負(fù)載性質(zhì)沒有限制，且引入正反饋后更能提高檢測效率。所以該改進(jìn)方法擁有檢測效率高、檢測速度快和對負(fù)載無限制等諸多優(yōu)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(fā)展方向。

作者簡介

程鵬：1983年生，大學(xué)本科，主要研究方向：光伏和風(fēng)力發(fā)電變流器控制系統(tǒng)。

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