光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測的研究

賈志強(qiáng)，羅維平

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430073）

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測的研究

賈志強(qiáng)，羅維平*

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430073）

孤島檢測是光伏發(fā)電系統(tǒng)必需的功能，既要快速的檢測出孤島效應(yīng)，同時也要減少不良的影響。本文分析有源孤島檢測方法和無源孤島檢測方法的工作原理，論述每種方法的檢測盲區(qū)，適用范圍以及對系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響。

光伏系統(tǒng)；孤島檢測；檢測盲區(qū)；正反饋

21世紀(jì)，能源的需求問題越來越緊迫，而太陽能作為可再生能源之一，在近些年來引起了世界各國政府和能源專家的日益重視。在國內(nèi)，電能緊缺已經(jīng)是一個非常嚴(yán)峻的問題。光伏發(fā)電作為理想環(huán)保的發(fā)電形式之一，已被越來越廣泛地應(yīng)用。當(dāng)越來越多的光伏發(fā)電系統(tǒng)并接到電網(wǎng)上時就帶來了電網(wǎng)保護(hù)的新現(xiàn)象——孤島現(xiàn)象。所謂孤島現(xiàn)象[1]是指：當(dāng)電網(wǎng)供電因故障事故或停電維修而跳脫時，各個用戶端的分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能即時檢測出停電狀態(tài)而自身切離市電網(wǎng)絡(luò)，而形成由分布電站并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負(fù)載組成的一個自給供電的孤島，如圖1所示。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，如孤島中的電壓和頻率無法控制，可能會對用戶的設(shè)備造成損壞；孤島中的線路仍然帶電，可能會危及檢修人員的人身安全等。可見，研究孤島檢測方法及保護(hù)措施，消除孤島產(chǎn)生的危害具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 孤島效應(yīng)產(chǎn)生的條件

本文以70kW的武漢紡織大學(xué)建設(shè)部的光伏并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目為例進(jìn)行研究，系統(tǒng)直接并入380V的電網(wǎng)上，在滿足本地負(fù)載需求的基礎(chǔ)上，可向電網(wǎng)輸送功率。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與本地負(fù)載相連，通過投閘開關(guān)連接到配電網(wǎng)上，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在圖1所示的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，可能產(chǎn)生孤島現(xiàn)象的三種情況為：（1）大電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)停止運(yùn)行導(dǎo)致整個電網(wǎng)停電，但是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仍通過投閘開關(guān)連接在大電網(wǎng)上，其輸出容量有可能維持向電網(wǎng)供電并超過某一時間段（例如 2s）；（2）大電網(wǎng)或配電網(wǎng)某處線路斷開或開關(guān)跳閘，造成光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與所連接負(fù)載（可能包括配電網(wǎng)上的部分負(fù)載）形成獨(dú)立供電系統(tǒng)，并可能進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；（3）光伏并網(wǎng)系統(tǒng)投閘開關(guān)自主或意外斷開，但是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與本地網(wǎng)絡(luò)形成孤島運(yùn)行。

2 孤島檢測的方法

孤島檢測方法一般可分為兩類：無源檢測方法[2]和有源檢測方法。

2.1 無源檢測方法

2.1.1 電壓/欠電壓、高頻/低頻檢測

該方法主要對電網(wǎng)的電壓和頻率進(jìn)行監(jiān)控，防止LM系統(tǒng)輸出電壓或者頻率超出正常的工作范圍。圖2為光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行原理圖，S為并網(wǎng)斷路器，本文以最具有普遍性的電阻R，電感L和電容C并聯(lián)作為該系統(tǒng)的負(fù)載。a為光伏并網(wǎng)逆變器和電網(wǎng)的連接點(diǎn)。斷路器合閘時，光伏發(fā)電系統(tǒng)向a點(diǎn)提供功率P+jQ;負(fù)載得到功率PLoad+jQLoad，則電網(wǎng)提供功率為：

一般情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)只向電網(wǎng)發(fā)送有功功率，則有 Q=0，ΔQ=QLoad。圖 2所示，孤島形成前瞬間，若ΔP≠0，則孤島發(fā)生后，公共耦合點(diǎn)a點(diǎn)電壓將發(fā)生變化。其中U為節(jié)點(diǎn)a處的電壓值。當(dāng)電網(wǎng)還沒有斷開時，電壓頻率及幅值始終受電網(wǎng)控制基本保持不變。當(dāng)電網(wǎng)斷開時，即孤島發(fā)生后，若ΔP或ΔQ很大，表明PV系統(tǒng)輸出功率與負(fù)載功不匹配，則PV系統(tǒng)輸出電壓或頻率會發(fā)生很大的變化，當(dāng)電壓頻率變化超出正常范圍，保護(hù)電路即可檢測到孤島的發(fā)生。但當(dāng)ΔP或ΔQ較小時，保護(hù)電路會因電壓和頻率未超出正常范圍，而檢測不到孤島的發(fā)生。

2.1.2 相位突變檢測

如圖2所示，PV系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時通常工作在單位功率因數(shù)模式，即PV系統(tǒng)輸出電流Io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，a點(diǎn)電壓由Io和負(fù)載阻抗Z所決定。由于鎖相環(huán)的作用，Io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，Io跟隨系統(tǒng)內(nèi)部的參考電流而不會發(fā)生突變，因此，對于非阻性負(fù)載，a點(diǎn)電壓的相位將會發(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[3]算法簡單、易于實(shí)現(xiàn)。但是如果在負(fù)載近似阻性負(fù)載時，由于閥值的限制，該方法失效。

2.1.3 電壓諧波檢測

如圖2所示，基于PV系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)阻抗小的特性。當(dāng)與電網(wǎng)斷開時，由于負(fù)載阻抗相比電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)阻抗大很多，流入負(fù)載的電流會在a點(diǎn)產(chǎn)生較大的諧波。監(jiān)測線路電壓的諧波含量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)諧波含量突然增加時，就可以認(rèn)為發(fā)生了孤島現(xiàn)象。但是在實(shí)際運(yùn)用時，由于非線性負(fù)載等因素的存在，電網(wǎng)電壓諧波很大，諧波檢測的閥值也很難確定。綜上所述，無源檢測法具有原理簡單、容易實(shí)現(xiàn)及對電能質(zhì)量無影響等優(yōu)點(diǎn)。但是，每種方法都有較大的檢測盲區(qū)，為了解決這個問題，有源檢測法應(yīng)運(yùn)而生。

2.2 有源檢測法

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行

2.2.1 有源頻率偏移檢測

有源頻率偏移[4]（Active Frequency Drift，AFD）是目前一種常見的輸出頻率擾動孤島效應(yīng)檢測方法。AFD方法通過周期性的向PV系統(tǒng)輸出電流引入一個微小的頻率偏移量來實(shí)現(xiàn)對孤島的檢測。AFD下第k個周期并網(wǎng)PV系統(tǒng)輸出電流為：

式中：fk-1——第k-1個周期a點(diǎn)電壓頻率，Δf——引入的頻率偏移量，可正可負(fù)。

對于阻性負(fù)載 =0的情況，由于引入了正頻率偏移量Δf，在鎖相環(huán)的作用下，PV系統(tǒng)在孤島發(fā)生后的第k個周期，a點(diǎn)電壓的頻率為（f0為電網(wǎng)頻率），若頻率超出預(yù)設(shè)閥值時，系統(tǒng)將檢測到孤島的發(fā)生。

對于并聯(lián)的 RLC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，且此時頻率和電壓均未能超過預(yù)設(shè)的閥值，那么，系統(tǒng)將無法檢測到孤島現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2.2.2 帶正反饋的主動頻率偏移

帶正反饋的主動頻率偏移（Active Frequency Drift with Positive Feedback，AFDPF）基于AFD上引入正反饋，加速Ua頻率偏離正常值，使得檢測盲區(qū)進(jìn)一步減少，其截?cái)嘞禂?shù)為：

式中：Cfo為初始截?cái)嘞禂?shù)（沒有頻率誤差下的截?cái)嘞禂?shù)）；k為反饋增益；Δf為Ua頻率對電網(wǎng)額定頻率的偏差。

孤島發(fā)生后，頻率偏差隨Ua頻率的增加而增加，截?cái)嘞禂?shù)也增加，于是并網(wǎng)逆變器加快了iinv頻率，這情況一直持續(xù)，直到觸發(fā)OFP（過頻）。Ua頻率下降的情況與此類似，最終截?cái)嘞禂?shù)變?yōu)樨?fù)，直到觸發(fā)UFP（欠頻）保護(hù)。

當(dāng)Δf較小時，AFDPF產(chǎn)生的Cf被大大降低，從而減小了并網(wǎng)運(yùn)行時電流波形畸變；同時由于Δf被正反饋引入電流給定，保持了主動移頻算法的正反饋特性，在電網(wǎng)失壓時正反饋的效應(yīng)仍然會將頻率推離正常范圍，檢測出孤島。

對基于微處理器的并網(wǎng)逆變器來說，AFDPF很容易實(shí)現(xiàn)，只是對本來就需要檢測的參數(shù)進(jìn)行略微修正。AFDPF在所有主動式方案中不可檢測區(qū)域最小，在連接有多臺并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)中，不會產(chǎn)生稀釋效應(yīng)，而且兼顧了檢測的有效性，輸出電能質(zhì)量以及對整個系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)的影響。

2.2.3 滑膜頻率偏移檢測

滑膜頻率偏移（Slip Mode Frequency Shif，SMS）方法和AFD方法相似，不同之處在于AFD引入了誤差Δf，而SMS采用相角偏移 sms，使得a點(diǎn)負(fù)載電壓頻率f增大，在系統(tǒng)正反饋的作用下，電壓頻率f不斷增大。當(dāng)f增大到預(yù)設(shè)的閥值時，系統(tǒng)將會檢測到孤島現(xiàn)象的發(fā)生。

對于并聯(lián)諧振型RLC負(fù)載，SMS也存在檢測盲區(qū)的問題。當(dāng)a點(diǎn)負(fù)載電壓fa滿足阻性負(fù)載 =sms，且fa和電壓未超出預(yù)設(shè)閥值時，系統(tǒng)將無法檢測到孤島的發(fā)生。

從上述分析可知，SMS也可以減小無源孤島檢測的盲區(qū)，但此方法同樣會影響PV系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量。此外，在RLC負(fù)載的相位增速快于PV系統(tǒng)，SMS方法失效。

2.2.4 輸出功率擾動檢測

對于電流型并網(wǎng)逆變器，控制PV系統(tǒng)周期性地輸出有功功率和無功功率擾動[5]，當(dāng)電網(wǎng)斷開時，該擾動會使系統(tǒng)的電壓或者頻率明顯變化超出預(yù)設(shè)的閥值，從而檢測出孤島現(xiàn)象的產(chǎn)生。該檢測方法在運(yùn)用于單臺光伏逆變器上產(chǎn)生了良好的實(shí)驗(yàn)效果。但是當(dāng)孤島中同時存在多個光伏并網(wǎng)系統(tǒng)供電時，由于多個并網(wǎng)系統(tǒng)難以做到功率干擾的同步，這種方法會受到平均效果的影響。

3 結(jié)語

本文介紹了孤島效應(yīng)產(chǎn)生的條件，以及帶來的不良的負(fù)面影響，闡述了一些孤島檢測方法的工作原理，以及他們的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。為了獲得更好的檢測效果，基于不同原理的孤島檢測方法組合也是孤島檢測未來發(fā)展的一個方向。

[1] 趙為，余世杰，等. 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)與防止策略[J]. 太能能學(xué)報(bào)(增刊), 2003, 94-97.

[2] 馮軻，賀明智，等. 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測技術(shù)研究[J]. 電氣自動化,2010, 32(2).

[3] 楊海柱，金新民. 基于正反饋頻率漂移的光伏并網(wǎng)逆變器反孤島控制[J]. 太陽能學(xué)報(bào),2005,26(3):94-96.

[4] 郭小強(qiáng)，趙清林，鄔偉揚(yáng). 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測技術(shù)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007, 22(4): 157-162.

[5] 趙為. 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D]. 合肥:合肥工業(yè)大學(xué), 2003.

Research on PV Grid-connected Power Generation System of Islanding Detection

JIA Zhi-qiang，LUO Wei-ping
(College of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

Islanding detection is a necessary function of PV systems. It is necessary to quickly detect islanding, but also to reduce the adverse effects. It analyzes active and passive islanding detection methods and the working principles. It discusses blind detection, scope and power quality of the system of each principle.

PV Systems; Islanding Detection; Blind Spot Detection; Positive Feedback

TM91

A

1009－5160(2011)06－0069－03

*

羅維平（1967-），女，副教授，研究方向：智能控制與太陽能光伏應(yīng)用.

湖北省教育廳項(xiàng)目（D20081705）.