光伏并網發電系統中的孤島檢測

　　綜上所述，被動式檢測孤島方法原理簡單，容易實現，對電力系統無諧波影響等優點。但主要問題就是難以確定閾值，閾值既要大于正常運行時的值，又要小于等于孤島時的值。由于并網逆變系統本身的輸出也會有波動;電網自身也與理想情況有差異;某些用電負荷的啟停也會對頻率、電壓產生影響;當用電負荷和并網系統功率匹配時，檢測盲區較大;多臺并網逆變系統同時運行時相互之間也會產生影響，干擾各自的孤島檢測。所以被動式的孤島檢測方法一般不單獨使用，它通常作為輔助性的檢測手段與主動式檢測方法配合使用。

　　4.2 主動式(有源)檢測方法

　　主動式檢測方法是在逆變器的控制信號中加入很小的電壓、電流或相位擾動信號，通過檢測公共耦合點(ppc點)的響應情況判斷是否發生孤島現象的。正常工作時，由于電網的作用系統檢測不到這些擾動，一旦電網斷電，加入的擾動信號一般通過正反饋快速進行累積使電壓、頻率或相位超出允許的閾值范圍，從而檢測出孤島現象的發生。主動式檢測方法檢測精度高，檢測盲區小，但是由于加入了擾動信號，降低了逆變器的輸出電流質量，增加了系統的總諧波失真度(thd)。常見的主動式(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孤島效應檢測方法。圖2顯示出其控制原理。該方法在開始時，通過控制逆變器提高輸出電流的頻率，在電網周期開始時發出正弦波電流，這樣輸出電流的頻率和電網電壓的頻率存在一定的誤差f(△f在并網標準允許范圍內)，這樣半波后線路上的電壓和逆變器電流過零點的時間就會存在一個固定的時間差tz，系統保持這一時間差和電網周期的比值△t。當電網正常工作時，由于逆變器電流被鎖相環鎖相，系統的比值△t保持固定值。當電網出現故障時，逆變器輸出端的電壓頻率產生突變，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，直到逆變器輸出電壓頻率超出門限值，從而觸發孤島效應的保護電路動作，切斷逆變器與電網的連接。

　　對于并聯的rcl負載，無論負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，且此時頻率和電壓均未能超過預設的閾值，那么，系統將無法檢測到孤島現象的產生[2]。

　　4.2.2 滑模頻率偏移(sms)檢測

　　sms方法和afd方法類似，兩者主要區別在于afd方法引入了誤差△f，而sms方法引入了相角偏移θsms。sms方法下并網pv系統輸出電流為

　　i0=imsin[2πfat+θsms] (5)

　　θsms=θmsin[π/2(fa-f0)/(fm-f0)] (6)

　　式中：

　　fa—a點負載電壓的頻率;

　　f0—電網頻率;

　　θm—最大相移角;

　　fm—θsms=θm時對應的最大頻率。

　　孤島發生后，對于阻性負載ψ=0的情況，由于引入了偏移角θsms，使得fa增大;由式(6)可知，fa的增大又使得θsms增加，因此，該正反饋會使fa頻率不斷增加。當fa超出預設閾值時，系統將檢測到孤島的發生。

　　但是，對于并聯諧振型rlc負載，sms也存在檢測盲區的問題。當fa滿足ψ=arctan[r(1/ωl-ωc)]=θsms=θmsin[π/2(fa-f0)/(fm-f0)]時(其中ω=2πf)，且fa和電壓未超出預設閾值時，系統將無法檢測到孤島的發生。

　　由上述分析可知，sms也可以減小無源孤島檢測的盲區，但該方法同樣會影響pv系統輸出的電能質量。此外，在rlc負載的相位增速快于pv系統，即dθload/df<|dθsms/df|時，sms方法失效[3]。

　　4.2.3 輸出功率擾動檢測

　　主動功率擾動法一般是對并網電流施加擾動，使其輸出功率發生變化。當處于孤島狀態時，電流的波動使公共耦合點(pcc)點的電壓發生變化，超過所設定的閾值就可以判斷孤島現象的發生。

　　對于輸出為電流源型的逆變器，每隔一定時間減小并網電流的給定值(假設減小一半)，即相當于添加了電流的擾動信號，在正常并網過程中，加入的電流擾動并不會改變pcc點的電壓，它仍為電網電壓。當電網斷電時，pcc點的電壓大小與并網電流和本地負載的特性有關，當到達擾動時刻，并網電流的變動使得pcc點電壓發生變動，如果擾動值設定恰當，即使輸入輸出功率匹配，也能迅速檢測出孤島現象。

　　綜上所述，主動式檢測孤島方法能夠快速準確的檢測孤島現象，并能減小檢測盲區的影響，但美中不足的是加入的擾動量一般會降低并網電流的質量，并對電網電壓產生一定的干擾[4]。

　　5 電流注入式孤島檢測方法

　　檢驗孤島檢測方法有效性的重要指標就是檢測盲區(ndz)，即系統中有孤島產生，卻不能實時檢測出來。原因之一就是孤島現象發生后系統內的電壓、頻率和相位差都在允許的變化范圍內，致使孤島產生后，孤島系統能穩定運行，孤島檢測方法不能有效檢測出孤島現象。由于孤島檢測盲區的存在，所以不管是主動式還是被動式孤島檢測方法都有一定的局限性，且隨著并網系統容量的增大，這種不可檢測的可能性就越大，危害也越嚴重?，F在的孤島檢測方法為了減小不可檢測的概率，一般都是多種檢測方法一起使用，利用各種方法的互補性縮小檢測盲區的范圍，增大孤島檢測成功的概率。目前最常用的是主、被動式相結合的方法檢測孤島效應，經過綜合分析比較，決定采用被動的過/欠壓、過/欠頻檢測和主動的電流注入式相結合的孤島檢測方法。

　　電流注入式的孤島檢測方法是通過向并網逆變器控制系統的電流控制環節注入一個電流擾動信號，這個擾動信號可以是非常低頻的且幅值非常小的一個正弦信號。在孤島條件下，注入控制器的信號調整了pcc點處的電壓幅值，并使得pcc點處的頻率發生偏移[5]。

　　正常工作情況下，并網電流的基頻成分流入負載rlc。若一個頻率為fd(不等于基頻)的正弦擾動信號通過控制系統的電流調節器注入到系統內，相應的擾動電流流入有低阻抗特性的公用電網中，當主電網斷開時系統處于孤島狀態，具有低阻抗特性的電網回路不存在，擾動電流被迫流經負載。我們將這種方法用matlab軟件包對電流注入式的孤島檢測方法進行simulink仿真分析，擾動電流是幅值為0.5a，初始相位為00，頻率為5hz的正弦波，孤島測試負載是按照品質因數q=1設計計算的并聯rlc的值，選擇把擾動電流注入到q軸電流控制器，電網在0.4s斷開，仿真波形如圖3所示，橫軸代表時間，縱軸代表頻率?？梢钥闯?，在0.4s以前，系統的頻率穩定在50hz，0.4s時電網斷開以后，頻率發生震蕩，在如此小的擾動信號作用下，頻率也能發生較大的偏移，系統在孤島狀態下50ms左右就能檢測出頻率超限，響應時間完全符合國家要求的0.2s的標準。這種方法非常簡單方便，在dsp控制系統中很容易實現，并且如此小的擾動信號對系統的穩定性幾乎不產生影響，是一種非常有效的孤島檢測方法。

　　6 結束語

　　本文分析了孤島狀態產生的原理及其帶來的負面效應，闡述了各種本地孤島檢測方法的工作原理，并就每種方法的ndz、適用范圍、對系統電能質量及暫態響應的影響等進行了論述。提出了一種新型有效的電流注入式檢測方法，該方法運行指標適應中國電力系統要求，基于仿真結果表明，此方法加快了檢測速度，減小了檢測盲區，還減少了對電力系統的諧波污染。