摘要：本文介紹了孤島效應(yīng)的不利影響及其檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，分析傳統(tǒng)被動(dòng)式和主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法的區(qū)別。提出了一種新型有效的方法“正反饋主動(dòng)移頻法”，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了此方法的可行性。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng) 孤島檢測(cè) 檢測(cè)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(hào)] ???? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] B 文章編號(hào)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(wèn)題?？缛?1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(duì)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(xiǎn)。經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的努力，太陽(yáng)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(gè)問(wèn)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(shí)，各個(gè)用戶端的太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而未將自身切離市電，形成由太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍負(fù)載形成的一個(gè)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(huì)危害到整個(gè)配電系統(tǒng)及用戶端的設(shè)備.更嚴(yán)重的是會(huì)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(zhǎng)，尤其是太陽(yáng)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(shí)向公共電網(wǎng)供電時(shí)，發(fā)生孤島效應(yīng)的機(jī)率也隨之增加。因此解決孤島問(wèn)題顯得尤為重要。

2 孤島效應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)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(duì)并網(wǎng)逆變器孤島檢測(cè)功能做出了要求。其中，IEEE Std.2000-929規(guī)定當(dāng)公共點(diǎn)的頻率在59.3-60.5Hz之外時(shí)，并網(wǎng)逆變器應(yīng)在6個(gè)周期內(nèi)停止供電；在公共點(diǎn)電壓異常下逆變器停止供電時(shí)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(guó)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(guò)該范圍時(shí)過(guò)/欠頻保護(hù)應(yīng)在0.2s內(nèi)動(dòng)作，使光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開。相應(yīng)的系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)到異常電壓時(shí)所做出的反應(yīng)時(shí)間如表2所示。

表2 電壓異常下的響應(yīng)（GB/T 19939-2005）

對(duì)于孤島檢測(cè)的測(cè)試電路，北美和歐洲普遍選用RLC諧振負(fù)載。用RL負(fù)載來(lái)模擬沒有進(jìn)行功率因數(shù)校正的電網(wǎng)時(shí)，當(dāng)Qf從0變到2.5時(shí)，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(bǔ)償后實(shí)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(cè)出孤島并作保護(hù)。

3光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測(cè)方法分析

3.1 孤島檢測(cè)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(wú)功；Pload、Qload為本地負(fù)載消耗的有功和無(wú)功，ΔP、ΔQ為電網(wǎng)側(cè)提供的有功、無(wú)功，a點(diǎn)定義為公共耦合點(diǎn)。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)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(huì)發(fā)生改變。Pload的改變會(huì)引起公共點(diǎn)電壓Va的改變，Qload的改變會(huì)引起公共電頻率f的改變。若Va或f改變足夠大，就可通過(guò)電壓或頻率檢測(cè)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(cè)無(wú)法得知電網(wǎng)異常情況，系統(tǒng)繼續(xù)以并網(wǎng)方式運(yùn)行，即進(jìn)入檢測(cè)盲區(qū)。盲區(qū)描述是評(píng)判孤島檢測(cè)有效性的常用工具之一。所謂盲區(qū)是指在某種孤島檢測(cè)方法下，使檢測(cè)失敗的所有負(fù)載總和。

3.2 被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法

被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法主要是根據(jù)公共耦合a點(diǎn)的電量參數(shù)變化來(lái)判定是否發(fā)生孤島。由于被動(dòng)孤島檢測(cè)方法的檢測(cè)閥值難以設(shè)定、存在檢測(cè)盲區(qū)和受負(fù)載干擾大等原因，被動(dòng)檢測(cè)只能作為孤島檢測(cè)的輔助方法，從而進(jìn)一步提出了主動(dòng)檢測(cè)方法。

3.3主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法

主動(dòng)檢測(cè)法的思想是：對(duì)逆變器輸出的電壓、電流等電量實(shí)施擾動(dòng)，監(jiān)測(cè)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(guò)加入擾動(dòng)量

通過(guò)加入擾動(dòng)量，監(jiān)測(cè)逆變器輸出電路的阻抗變化來(lái)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(dòng)法：對(duì)逆變器的輸出電流值進(jìn)行擾動(dòng)，檢測(cè)公共點(diǎn)電壓跟隨變化的情況，從而判斷電網(wǎng)是否存在。單機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，盲區(qū)很小。多機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于多機(jī)擾動(dòng)不同步，稀釋了擾動(dòng)效果，影響檢測(cè)效果，因此只適用于單機(jī)小規(guī)模系統(tǒng)。

·特異信號(hào)注入法：這種方法需要復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)，適合用于信號(hào)帶寬有限的情況。由于注入的信號(hào)多為次諧波，當(dāng)信號(hào)過(guò)大時(shí)將降低變壓器等設(shè)備的性能。多系統(tǒng)并聯(lián)時(shí)同樣存在稀釋效應(yīng)。

(2)輸出電壓正反饋

對(duì)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(diǎn)電壓能很快地偏離正常范圍，檢測(cè)出孤島狀態(tài)。此方法雖然不影響電能質(zhì)量，但會(huì)造成功率損失，并且擾動(dòng)周期比較長(zhǎng)，孤島檢測(cè)時(shí)間較慢，不適合快速動(dòng)作。

(3)主動(dòng)頻率或相位偏移

逆變器對(duì)輸出電流的頻率或相位做正反饋擾動(dòng)。在電網(wǎng)斷開后，將公共點(diǎn)頻率快速推離正常范圍。該方法具有對(duì)電能質(zhì)量影響小，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，多機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)中同樣有效。

4主動(dòng)頻率式孤島檢測(cè)

前文比較分析了各種主動(dòng)檢測(cè)法的優(yōu)劣，其中阻抗檢測(cè)法在多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)存在稀釋效應(yīng)。其余的主要集中在擾動(dòng)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(dòng)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(dòng)，代表算法為電壓正反饋法(Sandia Voltage Shift,SVS)；基于頻率的擾動(dòng)，代表算法為主動(dòng)頻率偏移法(Auto Frequency Drift,AFD)。其中，SVS法對(duì)能量有損失，而AFD法在對(duì)輸出電能質(zhì)量干擾較小的情況下即可有效檢測(cè)出孤島，且在多機(jī)運(yùn)行下同樣有效，因而成為本文研究的重點(diǎn)。

4.1 主動(dòng)移頻孤島檢測(cè)原理

主動(dòng)頻率偏移法通過(guò)采樣公共節(jié)點(diǎn)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(dòng)，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(guò)零點(diǎn)到來(lái)，電流才開始下一個(gè)半波。當(dāng)市電斷電后，公共點(diǎn)電壓的頻率受電流頻率的影響而偏離原值，超過(guò)正常范圍即可檢測(cè)出孤島。

圖2中，Va為公共點(diǎn)電壓，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)即為電網(wǎng)電壓，Tv是是對(duì)應(yīng)的周期，i為逆變器輸出電流，tz為電流截?cái)鄷r(shí)間，i1為i的基波分量。定義cf=2tz/Tv為截?cái)嘞禂?shù)，通過(guò)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(dòng)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(shí)，并網(wǎng)時(shí)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(shí)，并網(wǎng)時(shí)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(shí)，公共點(diǎn)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(hào)經(jīng)歷了PLL和AFD算法兩部分。

系統(tǒng)通過(guò)鎖相環(huán)令輸出電流跟蹤公共點(diǎn)電壓相位，以鎖相環(huán)鑒相點(diǎn)為周波起始時(shí)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(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)頻率越限時(shí)，孤島即被檢測(cè)出來(lái)，否則就進(jìn)入檢測(cè)盲區(qū)。式（5）為相角判斷依據(jù)。

4.2 主動(dòng)移頻孤島檢測(cè)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(duì)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(duì)值不可超過(guò)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(cè)。因此，為了減小并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)對(duì)電能質(zhì)量的影響，脫網(wǎng)時(shí)能快速檢測(cè)出孤島，且檢測(cè)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(dòng)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?cái)嘞禂?shù)cf0，電網(wǎng)頻率fg ,則：

4.2 主動(dòng)移頻孤島檢測(cè)盲區(qū)分析

目前有多種描述孤島檢測(cè)盲區(qū)的方法，對(duì)于表達(dá)式確定的主動(dòng)移頻法，其孤島檢測(cè)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(duì)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(guò)程( 為逆變器的移相角， 為孤島形成時(shí)的系統(tǒng)頻率)：

由圖5可以分析出：

（1）曲線1,2 對(duì)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(dòng)移頻孤島檢測(cè)仿真分析

采用Matlab/Simulink對(duì)2kW單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測(cè)性能進(jìn)行仿真，取電網(wǎng)電壓220V/50Hz，頻率保護(hù)的動(dòng)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(cè)均符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std.2000-929和國(guó)家GB/T 19939-2005規(guī)定的2s內(nèi)檢測(cè)出孤島的要求。為加快檢測(cè)速度，可適當(dāng)增大cf0。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了孤島狀態(tài)產(chǎn)生的原理，并對(duì)移頻孤島檢測(cè)法進(jìn)行詳細(xì)的分析和論證。通過(guò)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(cè)，而AFDPF法對(duì)負(fù)載性質(zhì)沒有限制，且引入正反饋后更能提高檢測(cè)效率。所以該改進(jìn)方法擁有檢測(cè)效率高、檢測(cè)速度快和對(duì)負(fù)載無(wú)限制等諸多優(yōu)點(diǎn)，該種主動(dòng)檢測(cè)方法將會(huì)成為光伏孤島檢測(cè)的重要方法和發(fā)展方向。

作者簡(jiǎn)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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