光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的孤島檢測

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測方法分析

　　反孤島效應(yīng)的關(guān)鍵是電網(wǎng)斷電的檢測，且檢測時(shí)間越短效果越好。在電網(wǎng)的配電開關(guān)斷開時(shí)，如果太陽能供電系統(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/欠壓保護(hù)和頻率異常波動(dòng)來保護(hù)檢測電網(wǎng)斷電，從而防止孤島效應(yīng)。孤島檢測方法一般可以分為被動(dòng)式（無源）和主動(dòng)式（有源）兩類。

　　4.1 被動(dòng)式（無源）孤島檢測方法

　　孤島形成前后，系統(tǒng)的電氣量一般都會(huì)發(fā)生變化。被動(dòng)式檢測方法就是通過檢測并網(wǎng)系統(tǒng)與電網(wǎng)的公共耦合點(diǎn)（pcc）處的電壓、頻率以及相位的變化來判斷是否有孤島發(fā)生的。發(fā)生孤島現(xiàn)象的系統(tǒng)一般會(huì)產(chǎn)生功率的變化：有功功率的不匹配會(huì)產(chǎn)生電壓量的變化，無功功率的不匹配則會(huì)導(dǎo)致頻率的變化。當(dāng)變化超出我們?cè)O(shè)定的閾值，就可以認(rèn)為是產(chǎn)生了孤島。被動(dòng)式檢測方法不需要加入任何擾動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)無干擾，且對(duì)輸出電能的質(zhì)量無影響，是最基本的孤島檢測方法。常見的被動(dòng)式（無源）檢測方法有過/欠電壓、高/低頻檢測，相位突變檢測和電壓諧波檢測三種方法。

　　4.1.1 過/欠電壓、高/低頻檢測

　　該方法主要對(duì)電網(wǎng)的電壓和頻率進(jìn)行監(jiān)控，防止pv系統(tǒng)輸出電壓或者頻率超出正常的工作范圍。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行過程中，除了要防，還要保證逆變器輸出電壓與電網(wǎng)同步，因此對(duì)電不斷進(jìn)行檢測，以防止出現(xiàn)過壓、欠壓、過頻或電壓、頻率進(jìn)行檢測的被動(dòng)式孤島檢測方法只需進(jìn)行判斷，無需增加檢測電路。該方法最大的缺陷是負(fù)載功率平衡時(shí)，電網(wǎng)斷電后逆變器輸出端變，從而出現(xiàn)孤島檢測的漏判。

　　4.1.2 相位突變檢測

　　如圖1所示，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i0與a點(diǎn)電壓（電網(wǎng)電壓）同頻同相。當(dāng)電網(wǎng)斷開后，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)電壓由i0和負(fù)載阻抗z所決定。由于鎖相環(huán)的作用，i0與a點(diǎn)電壓僅僅在過零點(diǎn)發(fā)生同步，在過零點(diǎn)之間，i0跟隨系統(tǒng)內(nèi)部的參考電流而不會(huì)發(fā)生突變，因此，對(duì)于非阻性負(fù)載，a點(diǎn)電壓的相位將會(huì)發(fā)生突變，從而可以采用相位突變檢測方法來判斷孤島現(xiàn)象是否發(fā)生。相位突變檢測算法簡單、易于實(shí)現(xiàn)。但當(dāng)負(fù)載阻抗角ψ接近零，即負(fù)載近似呈阻性時(shí)，由于所設(shè)閾值的限制，該方法失效［1］。

　　4.1.3 電壓諧波檢測

　　如圖1所示，pv系統(tǒng)并網(wǎng)工作時(shí)，其輸出電流諧波將通過a點(diǎn)流入電網(wǎng)。由于電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)阻抗很小，因此a點(diǎn)電壓的總諧波畸變率通常較低。電網(wǎng)斷開后，pv系統(tǒng)輸出的電流諧波流入負(fù)載。由于負(fù)載阻抗通常要比電網(wǎng)阻抗大得多，因此a點(diǎn)電壓（諧波電流與負(fù)載阻抗的乘積）將產(chǎn)生很大的諧波，故可以通過檢測電壓諧波或諧波的變化來判斷pv系統(tǒng)是否處于孤島狀態(tài)。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于非線性負(fù)載等因素的存在，電網(wǎng)電壓諧波很大，諧波檢測的動(dòng)作閾值不易確定，因此，該方法有局限性。

　　綜上所述，被動(dòng)式檢測孤島方法原理簡單，容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)電力系統(tǒng)無諧波影響等優(yōu)點(diǎn)。但主要問題就是難以確定閾值，閾值既要大于正常運(yùn)行時(shí)的值，又要小于等于孤島時(shí)的值。由于并網(wǎng)逆變系統(tǒng)本身的輸出也會(huì)有波動(dòng)；電網(wǎng)自身也與理想情況有差異；某些用電負(fù)荷的啟停也會(huì)對(duì)頻率、電壓產(chǎn)生影響；當(dāng)用電負(fù)荷和并網(wǎng)系統(tǒng)功率匹配時(shí)，檢測盲區(qū)較大；多臺(tái)并網(wǎng)逆變系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行時(shí)相互之間也會(huì)產(chǎn)生影響，干擾各自的孤島檢測。所以被動(dòng)式的孤島檢測方法一般不單獨(dú)使用，它通常作為輔助性的檢測手段與主動(dòng)式檢測方法配合使用。

　　4.2 主動(dòng)式（有源）檢測方法

　　主動(dòng)式檢測方法是在逆變器的控制信號(hào)中加入很小的電壓、電流或相位擾動(dòng)信號(hào)，通過檢測公共耦合點(diǎn)（ppc點(diǎn)）的響應(yīng)情況判斷是否發(fā)生孤島現(xiàn)象的。正常工作時(shí)，由于電網(wǎng)的作用系統(tǒng)檢測不到這些擾動(dòng)，一旦電網(wǎng)斷電，加入的擾動(dòng)信號(hào)一般通過正反饋快速進(jìn)行累積使電壓、頻率或相位超出允許的閾值范圍，從而檢測出孤島現(xiàn)象的發(fā)生。主動(dòng)式檢測方法檢測精度高，檢測盲區(qū)小，但是由于加入了擾動(dòng)信號(hào)，降低了逆變器的輸出電流質(zhì)量，增加了系統(tǒng)的總諧波失真度（thd）。常見的主動(dòng)式（有源）檢測方法有有源頻率漂移（fad）檢測，滑模頻率偏移（sms）檢測和輸出功率擾動(dòng)檢測等方法。

　　4.2.1 有源頻率漂移（fad）檢測

　　有源頻率偏移（afd）是目前一種常見的輸出頻率擾動(dòng)孤島效應(yīng)檢測方法。圖2顯示出其控制原理。該方法在開始時(shí)，通過控制逆變器提高輸出電流的頻率，在電網(wǎng)周期開始時(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（△f在并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)），這樣半波后線路上的電壓和逆變器電流過零點(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。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，逆變器輸出端的電壓頻率產(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，該過程不斷重復(fù)，直到逆變器輸出電壓頻率超出門限值，從而觸發(fā)孤島效應(yīng)的保護(hù)電路動(dòng)作，切斷逆變器與電網(wǎng)的連接。

　　對(duì)于并聯(lián)的rcl負(fù)載，無論負(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預(yù)設(shè)的閾值，那么，系統(tǒng)將無法檢測到孤島現(xiàn)象的產(chǎn)生［2］。