光伏并网逆变器的孤岛检测方法

[摘 要]并网的光伏逆变器处于孤岛运行状态时会影响电力系统的安全运行，威胁到线路检修人员的安全，研究并网的光伏逆变器的孤岛检测技术，具有重要的现实意义，本文介绍了被动式孤岛检测和主动式孤岛检测方法，并对主动式孤岛检测方法进行了改进，将公共耦合点的电网频率偏差值引入移相角计算中，形成正反馈，在固定的时间间隔内改变的正负号，清除检测盲区。

中图分类号：TM71 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0270-01

前言

孤岛效应是指当电网由于各种原因中断供电后，太阳能光伏发电系统未能从电网断开而与负载构成一个电网无法控制的自给供电孤岛。光伏发电系统处于孤岛运行时会导致孤岛区域供电电压、频率的不稳定，影响配电系统的保护动作，电网恢复供电时的冲击电流可能会损坏逆变器，威胁电网检修人员的安全等[52]。因此，并网的光伏发电系统必须设有防孤岛保护功能。

1 孤岛检测方法

IEEE Std. 929-2000规定了相应的防孤岛检测标准，该标准给出了并网逆变器从电网断开后到检测到孤岛现象并与电网断开的时间限制。孤岛检测方法分为被动式孤岛检测和主动式孤岛检测。

2 被动式孤岛检测

被动式孤岛检测方法根据公共耦合点电压、频率、相位跳变和谐波来判断是否产生了孤岛效应。孤岛效应等效电路如图1所示。

电网正常工作时

PL=Ppv-ΔP=U2R （1）

QL=Qpv-ΔQ=U21ωL-ωC （2）

其中，U、ω为负载的电压和频率，Ppv、Qpv为负载消耗的有功和无功。孤岛效应发生后

PL’=Ppv-ΔP=U’2R （3）

QL’=Qpv-ΔQ=U’21ω’L- ω’C （4）

输出电压的幅值不变，当ΔQ=0时，输出电压的频率不变。因此，通过检测公共节点处的电压或频率跳变来判断孤岛效应存在盲区。

相位突变检测的原理是，光伏系统正常并网运行时，输出电流与公共节点的电压同频同相。当发生孤岛效应后公共节点处的电压由输出电流和负载阻抗决定，由于锁相环的作用，使得输出电流和电压在过零点同步，而过了过零点之后，电压和电流产生相位差，导致相位突变，通过检测该相位突变以判断孤岛效应。但如果负载为阻性时，由于阈值的限制，相位突变法对孤岛效应检测失效。

电压谐波检测法的原理是光伏系统正常并网运行时网络阻抗小，而电网断开时负载阻抗比电网网络阻抗大很多，在公共节点处产生较大的谐波，公共节点处电压的谐波含量突变比较大时就可以判断为发生了孤岛效应。但实际应用时电网的谐波比较大，电压谐波突变量的阈值很难确定，因此，电压谐波检测法有较大的局限性。

3 主动式孤岛检测

并网逆变器一般采用直接控制输出电流的控制模式。由逆变器输出电流表达式

Iac=imsinωt+φ （5）

电压正反馈法对逆变器的输出电流引入正反馈，输出电流由公共节点处的电压的波动给定，电压越高，输出电流越大。在电网正常的情况下，公共节点处的电压被嵌制在正常范围内，在电网断开后，公共节点处的电压波动被人为放大，偏离正常范围以检测孤岛效应。

主动频率偏移法以公共节点处的频率偏移作为逆变器的输出电流频率，使输出电流的频率略高于输出电压的频率，当逆变器和电网连接时，由于受到电网的嵌制作用，输出电流的频率满足并网的要求。当孤岛效应产生时，该频率扰动量会迅速积累，致使逆变器输出电流的频率超出正常范围，频率保护启动断开逆变器与电网的连接。

主动移相法在输出基波电流和电压之间产生一个角度差，在发生孤岛效应后该角度差驱动系统频率向上或向下偏离正常值，频率保护将逆变器从电网断开。

4 孤岛检测方法的选择

由以上分析可知，通过检测公共耦合点电压、频率、相位和谐波的突变量来判断孤岛效应存在着盲区，并网的光伏逆变器应至少设置各一种主动和被动式防孤岛效应保护。本文选择主动移相法并监视光伏逆变器并网节点的频率作为孤岛检测方法。

主动移相法只需在输出电流的每一拍给一定的相位扰动，再检测公共节点的频率，算法简单，降低了编程难度。主动移相模型有滑动移相法（Slip Mode phase Shift，SMS）和自动移相法。滑动移相法将偏移的相位设置为偏离电网频率的正弦函数

sms=2360msin2f-fgfm-fg （6）

SMS方法存在稳定的运行点而不能触发频率保护，存在检测盲区。本文在SMS方法的基础上进行了改进：（1）设置初始相位，使得孤岛效应发生瞬间就能可靠|发频率偏移；（2）以公共节点处的频率偏移作为移相的扰动量，频率偏移越大，移相角越大，加快了孤岛效应检测速度；（3）固定时间间隔内改变移相扰动方向。

APS的相角由下式给出：

APS=k2360+Δfsign（Δf） （7）

为当拍公共节点处的频率偏移量，的值为1或-1，每隔一段时间会改变一次正负号。从式（7）可以看出，APS的相角由两部分构成，前部分是一个固定的值，后一部分是和电网频率偏移量相关的量，这样的好处是：

（1）孤岛效应发生时即使负载上发生谐振，且其频率为工频频率，由于输出电流相角有固定的偏移量，使公共节点处的频率快速地驱离工频频率，从而检测出孤岛效应。k的取值的原则是：在电网频率偏差在允许范围内，逆变器并网正常运行的情况下其输出电流的谐波含有率满足相关标准的要求。

（2）孤岛效应发生时如果逆变器所带的负载和其输出功率相匹配，负载的谐振频率有可能接近工频，而单一方向的移相扰动恰好使得公共节点处的频率刚好为工频，此时存在检测盲区，所以在固定时间间隔内改变移相方向可以消除这个检测盲区。由于引入了，相当于给移相角引入了一个正反馈，孤岛效应发生时将会加速检测的速度。

算出移相角后，通过下式对输出电流的相位进行扰动：

out=grid+APS （8）

其中是当拍检测到的公共节点处的电压的相位角，为当拍要输出的电流的相位角。

5 总结

孤岛检测法分为被动式和主动式，被动式孤岛检测法通过检测公共节点处的电压、频率、相位突变、电压谐波来对孤岛效应进行检测，主动式孤岛检测法有电压正反馈法、主动频率偏移法和主动移相法。通过分析表明，单纯采用被动式孤岛检测方法时会有检测盲区，因此，本文采用主动移相法，通过检测公共节点处的频率来进行防孤岛效应检测。主动移相法的移相角计算公式引入了公共节点处的频率偏移量，加快了孤岛检测的速度。