光伏并网发电系统孤岛检测的研究

贾志强，罗维平

（武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，湖北 武汉 430073）

光伏并网发电系统孤岛检测的研究

贾志强，罗维平*

（武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，湖北 武汉 430073）

孤岛检测是光伏发电系统必需的功能，既要快速的检测出孤岛效应，同时也要减少不良的影响。本文分析有源孤岛检测方法和无源孤岛检测方法的工作原理，论述每种方法的检测盲区，适用范围以及对系统电能质量的影响。

光伏系统；孤岛检测；检测盲区；正反馈

21世纪，能源的需求问题越来越紧迫，而太阳能作为可再生能源之一，在近些年来引起了世界各国政府和能源专家的日益重视。在国内，电能紧缺已经是一个非常严峻的问题。光伏发电作为理想环保的发电形式之一，已被越来越广泛地应用。当越来越多的光伏发电系统并接到电网上时就带来了电网保护的新现象——孤岛现象。所谓孤岛现象[1]是指：当电网供电因故障事故或停电维修而跳脱时，各个用户端的分布式并网发电系统未能即时检测出停电状态而自身切离市电网络，而形成由分布电站并网发电系统和周围的负载组成的一个自给供电的孤岛，如图1所示。

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，如孤岛中的电压和频率无法控制，可能会对用户的设备造成损坏；孤岛中的线路仍然带电，可能会危及检修人员的人身安全等。可见，研究孤岛检测方法及保护措施，消除孤岛产生的危害具有十分重要的现实意义。

图1 光伏系统并网拓扑结构

1 孤岛效应产生的条件

本文以70kW的武汉纺织大学建设部的光伏并网发电项目为例进行研究，系统直接并入380V的电网上，在满足本地负载需求的基础上，可向电网输送功率。光伏并网系统与本地负载相连，通过投闸开关连接到配电网上，其拓扑结构如图1所示。在图1所示的电网拓扑结构中，可能产生孤岛现象的三种情况为：（1）大电网发电系统停止运行导致整个电网停电，但是光伏并网系统仍通过投闸开关连接在大电网上，其输出容量有可能维持向电网供电并超过某一时间段（例如 2s）；（2）大电网或配电网某处线路断开或开关跳闸，造成光伏并网系统与所连接负载（可能包括配电网上的部分负载）形成独立供电系统，并可能进入稳定运行状态；（3）光伏并网系统投闸开关自主或意外断开，但是并网发电系统与本地网络形成孤岛运行。

2 孤岛检测的方法

孤岛检测方法一般可分为两类：无源检测方法[2]和有源检测方法。

2.1 无源检测方法

2.1.1 电压/欠电压、高频/低频检测

该方法主要对电网的电压和频率进行监控，防止LM系统输出电压或者频率超出正常的工作范围。图2为光伏发电系统并网运行原理图，S为并网断路器，本文以最具有普遍性的电阻R，电感L和电容C并联作为该系统的负载。a为光伏并网逆变器和电网的连接点。断路器合闸时，光伏发电系统向a点提供功率P+jQ;负载得到功率PLoad+jQLoad，则电网提供功率为：

一般情况下，光伏发电系统只向电网发送有功功率，则有 Q=0，ΔQ=QLoad。图 2所示，孤岛形成前瞬间，若ΔP≠0，则孤岛发生后，公共耦合点a点电压将发生变化。其中U为节点a处的电压值。当电网还没有断开时，电压频率及幅值始终受电网控制基本保持不变。当电网断开时，即孤岛发生后，若ΔP或ΔQ很大，表明PV系统输出功率与负载功不匹配，则PV系统输出电压或频率会发生很大的变化，当电压频率变化超出正常范围，保护电路即可检测到孤岛的发生。但当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。

2.1.2 相位突变检测

如图2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Io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Io和负载阻抗Z所决定。由于锁相环的作用，Io与a点电压仅仅在过零点发生同步，在过零点之间，Io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[3]算法简单、易于实现。但是如果在负载近似阻性负载时，由于阀值的限制，该方法失效。

2.1.3 电压谐波检测

如图2所示，基于PV系统并网运行时电网网络阻抗小的特性。当与电网断开时，由于负载阻抗相比电网网络阻抗大很多，流入负载的电流会在a点产生较大的谐波。监测线路电压的谐波含量，当发现谐波含量突然增加时，就可以认为发生了孤岛现象。但是在实际运用时，由于非线性负载等因素的存在，电网电压谐波很大，谐波检测的阀值也很难确定。综上所述，无源检测法具有原理简单、容易实现及对电能质量无影响等优点。但是，每种方法都有较大的检测盲区，为了解决这个问题，有源检测法应运而生。

2.2 有源检测法

图2 光伏发电系统并网运行

2.2.1 有源频率偏移检测

有源频率偏移[4]（Active Frequency Drift，AFD）是目前一种常见的输出频率扰动孤岛效应检测方法。AFD方法通过周期性的向PV系统输出电流引入一个微小的频率偏移量来实现对孤岛的检测。AFD下第k个周期并网PV系统输出电流为：

式中：fk-1——第k-1个周期a点电压频率，Δf——引入的频率偏移量，可正可负。

对于阻性负载 =0的情况，由于引入了正频率偏移量Δf，在锁相环的作用下，PV系统在孤岛发生后的第k个周期，a点电压的频率为（f0为电网频率），若频率超出预设阀值时，系统将检测到孤岛的发生。

对于并联的 RLC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阀值，那么，系统将无法检测到孤岛现象的产生。

2.2.2 带正反馈的主动频率偏移

带正反馈的主动频率偏移（Active Frequency Drift with Positive Feedback，AFDPF）基于AFD上引入正反馈，加速Ua频率偏离正常值，使得检测盲区进一步减少，其截断系数为：

式中：Cfo为初始截断系数（没有频率误差下的截断系数）；k为反馈增益；Δf为Ua频率对电网额定频率的偏差。

孤岛发生后，频率偏差随Ua频率的增加而增加，截断系数也增加，于是并网逆变器加快了iinv频率，这情况一直持续，直到触发OFP（过频）。Ua频率下降的情况与此类似，最终截断系数变为负，直到触发UFP（欠频）保护。

当Δf较小时，AFDPF产生的Cf被大大降低，从而减小了并网运行时电流波形畸变；同时由于Δf被正反馈引入电流给定，保持了主动移频算法的正反馈特性，在电网失压时正反馈的效应仍然会将频率推离正常范围，检测出孤岛。

对基于微处理器的并网逆变器来说，AFDPF很容易实现，只是对本来就需要检测的参数进行略微修正。AFDPF在所有主动式方案中不可检测区域最小，在连接有多台并网逆变器的系统中，不会产生稀释效应，而且兼顾了检测的有效性，输出电能质量以及对整个系统暂态响应的影响。

2.2.3 滑膜频率偏移检测

滑膜频率偏移（Slip Mode Frequency Shif，SMS）方法和AFD方法相似，不同之处在于AFD引入了误差Δf，而SMS采用相角偏移 sms，使得a点负载电压频率f增大，在系统正反馈的作用下，电压频率f不断增大。当f增大到预设的阀值时，系统将会检测到孤岛现象的发生。

对于并联谐振型RLC负载，SMS也存在检测盲区的问题。当a点负载电压fa满足阻性负载 =sms，且fa和电压未超出预设阀值时，系统将无法检测到孤岛的发生。

从上述分析可知，SMS也可以减小无源孤岛检测的盲区，但此方法同样会影响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，SMS方法失效。

2.2.4 输出功率扰动检测

对于电流型并网逆变器，控制PV系统周期性地输出有功功率和无功功率扰动[5]，当电网断开时，该扰动会使系统的电压或者频率明显变化超出预设的阀值，从而检测出孤岛现象的产生。该检测方法在运用于单台光伏逆变器上产生了良好的实验效果。但是当孤岛中同时存在多个光伏并网系统供电时，由于多个并网系统难以做到功率干扰的同步，这种方法会受到平均效果的影响。

3 结语

本文介绍了孤岛效应产生的条件，以及带来的不良的负面影响，阐述了一些孤岛检测方法的工作原理，以及他们的优缺点和适用范围。为了获得更好的检测效果，基于不同原理的孤岛检测方法组合也是孤岛检测未来发展的一个方向。

[1] 赵为，余世杰，等. 光伏并网发电系统的孤岛效应与防止策略[J]. 太能能学报(增刊), 2003, 94-97.

[2] 冯轲，贺明智，等. 光伏并网发电系统孤岛检测技术研究[J]. 电气自动化,2010, 32(2).

[3] 杨海柱，金新民. 基于正反馈频率漂移的光伏并网逆变器反孤岛控制[J]. 太阳能学报,2005,26(3):94-96.

[4] 郭小强，赵清林，邬伟扬. 光伏并网发电系统孤岛检测技术[J]. 电工技术学报,2007, 22(4): 157-162.

[5] 赵为. 太阳能光伏并网发电系统的研究[D]. 合肥:合肥工业大学, 2003.

Research on PV Grid-connected Power Generation System of Islanding Detection

JIA Zhi-qiang，LUO Wei-ping
(College of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

Islanding detection is a necessary function of PV systems. It is necessary to quickly detect islanding, but also to reduce the adverse effects. It analyzes active and passive islanding detection methods and the working principles. It discusses blind detection, scope and power quality of the system of each principle.

PV Systems; Islanding Detection; Blind Spot Detection; Positive Feedback

TM91

A

1009－5160(2011)06－0069－03

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罗维平（1967-），女，副教授，研究方向：智能控制与太阳能光伏应用.

湖北省教育厅项目（D20081705）.