光伏发电网主动式孤岛检测方法分析与比较

神华神东电力有限责任公司乌拉特中旗热力厂 杨明喜

1 引言

本文深入分析孤岛效应发生原理，即在局部区域内，由于某种原因（如设备故障、电缆损坏等），导致该区域与其他部分失去联系，形成孤立的电力系统。通过比较基于功率匹配标准和相位标准的评估办法，为孤岛检测提供了更全面、更精准的数据参考。

2 光伏逆变器并网模型

根据光伏逆变器运行特点，构建逆变器并网控制系统，如图1所示。

图1 光伏逆变器并网控制系统

图1中，Unet为电网电压；PLL为同步锁相控制环；U0代表逆变器交流侧电压。本文基于SPWM控制模式，将桥式逆变器视为一阶惯性环节，当逆变器开关频率超过电网输出频率时，可以得到并网电流闭环结构，如图2所示。

图2 并网电流闭环结构

3 基于相位偏移及频率的主动式孤岛检测方法

3.1 主动频率偏移法

本次研究引入主动频率偏移检测技术，对逆变器输出的电流指令给定一个固定的频率，令该电流频率略高于上一个运行周期公共节点电压频率。这种状态下，如果电流的半波结束而电压值未超过初始值，需要手动设定电流初始值，直至逆变器电压超过初始值，电流才能进入下一个半波，如图3所示[1]。

图3 逆变器电流给定信号与电流基波图像

当电网处于正常工作状态时，逆变器内部公共节点的电压频率，由于受到并网电网电压的控制而保持不变。当电力系统中出现孤岛现象，公共节点的电压不再受并网电网电压控制，改为受本地负载相位特征曲线控制，随着电流频率的变化，电压随之发生改变。

将截断函数cf定义为cf=2tz/Tnet，该定义中，Tnet表示光伏发电电网的电压周期。观察图3中的电流基波曲线，发现基波曲线的频率发生偏移，令基波曲线超过ωtz/2的相位角。实际工作中，如果多个电力用户采用并网运行模式，则需要确保光伏发电系统并联运行的频率偏移具有一致性，这样才能快速检测到光伏并网系统中是否存在孤岛现象，若并网频率偏移不具有一致性，则多个用户产生的并网偏移频率会被相互抵消，导致电网中的孤岛迟迟无法被发现[2]。主动频率偏移分析应满足：

当满足式（1）时，并网发电系统进入稳态，孤岛检测失效。若此时并网负载的状态为“大电感+小电容”，则说明该检测盲区的范围有限。如果是“小电感+大电容”则说明检测盲区较大。这种情况下，为了尽可能缩小检测盲区，提高检测效率，引入正反馈理念，创建基于正反馈的主动频率偏移模式，即AFDPF 模式。

该模式中，截断系数计算式为：

式中：cfk-1为前一周期截断系数因子；Δωk为前两个周期并网公共节点的电压频率之差；F(Δωk)为主动频率偏移增量正反馈函数，满足F(Δωk)=kΔωk，因此可以得到式：

分析式（2）与式（3）可以发现，若反馈增益超过限额，则会出现大电流畸变现象，令电能质量降低，严重情况下还会导致光伏发电系统运行出现异常。为解决这一问题，需要对反馈增益k的范围进行明确限制，即：

式中：Qf为负载品质因数；ω为电网角频率。

AFDPF 算法具有较高的稳定性和可靠性，能够在复杂的电力系统环境中实现孤岛检测和保护。该算法能够自适应调整参数，以适应不同的电力系统条件和负载变化。

3.2 主动相位偏移法

除了通过控制输出电流的频率来检测孤岛外，还可以通过控制输出电流的起始相位来实现对于孤岛的有效检测。在产生孤岛后，通过对输出电流的起始相位进行扰动，可以利用正反馈原理，改变公共节点处的电压频率，从而印证孤岛的存在[3]。

研究中引入滑动频率偏移技术，该技术的本质即一种针对相位变化的偏移扰动。当输入电流的初始相位阶段位于电压过零点，则工作人员需要综合考虑光伏发电并网稳定工作频率以及电压频率之差，对电流起始相位进行调整，式为：

式中：θm为电力相位偏移幅值，其负载相交频率如图4所示。

图4 负载、AFD 及SMS 相角频率曲线

结合图4，将参数θm=10°，C=997uf，L=11.5mh，R=10Ω 代入式（5）。当光伏电网处于稳定的工作状态时，该系统保持50Hz。一旦出现孤岛，负载曲线与孤岛检测曲线的交叉点变为稳定工作点，此时只要判断新工作点对应的赫兹数据是否在正常范围内，即可判断出该系统中是否存在孤岛。

分析图2可以发现，当并网发电系统中出现孤岛，则负载相位角的数据为-20°，此时在光伏发电系统锁相环作用下，电流对于电压相位进行持续跟踪，此时输出电流降低。基于式（4）与式（5），该电流频率变化会引发输出电流相位变化，通过这种方式形成一个完整的反馈循环，令光伏并网发电系统无法在谐振频率节点正常运行。在这种状态下，可以基于该节点的频率值进行孤岛保护判断。

需要注意的是，如果光伏并网阶段频率不在保护范围之内，则并网系统进入检测盲区。为避免该系统进入检测盲区，对检测技术进行优化。通过引入附加相角调节量的方式，对稳定节点进行扰动，这种经过优化的检测方法即主动相位偏移检测法APS。其电流计算式为：

当电网处于正常工作状态时，该检测方法计算得到的相角偏移量为0；当出现孤岛后，相角偏移量会随着光伏发电系统频率的变化而改变，随着相位变化量的不断累加，最终触发频率保护动作，令系统发现孤岛的存在。

4 正反馈功率扰动孤岛检测法

孤岛检测作为电力系统中一项非常重要的安全措施，能够及时准确地检测出孤岛情况，避免因孤岛而引起的安全事故。传统的基于频率及相位偏移的孤岛检测方法存在一个缺陷，即可能对并网电流的单位功率因数输出造成影响，从而降低了并网质量[4]。为了保证检测时间及并网质量的要求，尝试设计基于正反馈的有功功率扰动的孤岛检测方法。

该检测方法具体流程为：在固定的工频周期范围内，通过检测公共节点处的电压有效值的变化来判断是否存在孤岛；如果存在孤岛，则根据检测到的电压变化，改变并网电流指令值，以达到快速切断孤岛的目的[5]。这种方法不仅能够保证孤岛检测的准确性和及时性，而且不会对并网电流的功率因数造成影响，从而提高了并网质量。有功扰动孤岛检测相关计算式详见表1。

表1 有功扰动孤岛检测相关计算式

表1中，Vth为系统检测误差量；K1为反馈系数。

在正常并网状态下，公共节点被电压所钳制，因此输出电流周期性变化，对于节点电压并不会造成影响。电网实际运行过程中，输出电流指令仅改变幅值给定值，并不会对并网节点相位以及频率产生扰动效果，通过这种方式确保并网质量。当出现孤岛现象后，节点电压将被输出电流控制，电压将随着电流指令的变化而变化。如果电压超出了设定的限制范围，就会触发保护动作。

5 结语

为消除光伏发电并网中的孤岛现象，首先基于相位偏移及频率设计孤岛检测系统，利用主动偏移法以及主动相位偏移法，实现对于光伏并网系统孤岛的有效检测。在此基础上，针对该检测方法可能对并网电流的单位功率因数输出造成影响，从而降低了并网质量的问题，本文尝试基于正反馈功率扰动技术对孤岛检测法进行优化，通过这种方式进一步提高孤岛检测效率，为光伏逆变器稳定工作提供技术支持。