并网系统的孤岛检测方法

孤岛效应是由越来越多的新能源发电系统并接到电网上带来的新现象。当逆变器和大电网并网运行，而由于某种故障大电网侧短路器跳闸时，就会发生并网逆变系统独立向周围负载供电，形成电力公司无法掌控的自给供电孤岛。孤岛现象可能造成逆变系统和用电设备损坏，并对电力检修人员的生命安全造成威胁。在微网系统中，孤岛现象分为计划性孤岛现象(islanding)和非计划性孤岛现象(unintentional islanding)。计划性孤岛现象是预配置的控制策略，有计划的发生孤岛;非计划孤岛现象为非计划不受控制的发生孤岛现象，微电网中要禁止非计划孤岛现象的发生。

并网系统在发生非计划孤岛现象时会产生如下严重的危害：

(1)电力系统因故停电后，由于分布式电源的存在，使得本来不带电的线路和设备带电，可能对电力维修人员的人身安全造成威胁;

(2)大电网掉电以后，其钳位作用消失，现行系统的电压、频率会发生明显变化，致使系统中一些精密仪器和设备损坏;

(3)设备损坏以后责任不好分摊，大电网和微电网都应该对因电能质量造成的损失进行负责，单方面的承担既不科学也不合理;

(4)影响配电网常规继电保护装置，导致其误动作，甚至损坏，造成不必要的损失;

(5)孤岛过程中，系统可能会控制已掉电的分布式电源重新接入大电网，这时如果孤岛运行系统与大电网存在不同步的情况，它可能致使断路器损坏，产生高冲击电流，导致公共电网重新跳闸。

IEEE Std.929-2000和IEEE Std.1547 标准要求，分布式电源并网时，逆变器应具有反孤岛检测装置。我国制定的并网技术标准 GB/T19939-2005《光伏系统并网技术要求》规定系统并网后频率的波动范围不能超过 50±0.5Hz;系统一旦发生孤岛现象导致频率越线，过/欠频率保护应在 0.2s 内做出动作，使系统与大电网断开且越快动作越好;至少应该设置一种主动和被动法相结合的防孤岛效应保护。

孤岛效应就是指因故障事故或停电维修等原因停止工作时，安装在各个用户端的光伏并网发电系统未能及时检测出停电状态而不能迅速将自身切离市电网络，而形成的一个由光伏并网发电系统向周围负载供电的一种电力公司无法掌控的自给供电孤岛现象。根据Sandia National Laboratories提供的报告指出一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响，包括：(1)危害电力维修人员的生命安全;(2)影响配电系统上的保护开关动作程序;(3)孤岛区域所发生的供电电压与频率的不稳定性质会对用电设备带来破坏;(4)当供电恢复时造成的电压相位不同步将会产生浪涌电流，可能会引起再次跳闸或对光伏系统、负载和供电系统带来损坏;(5)光伏并网发电系统因单相供电而造成系统三相负载的欠相供电问题。由此可见，作为一个安全可靠的并网逆变装置，必须能及时检测出孤岛效应并避免所带来的危害。

被动式方法利用电网断电时逆变器输出端电压、频率、相位或谐波的变化进行孤岛效应检测。但当光伏系统输出功率与局部负载功率平衡，则被动式检测方法将失去孤岛效应检测能力，存在较大的非检测区域(Non-Detection Zone，简称NDZ)。并网逆变器的被动式反孤岛方案不需要增加硬件电路，也不需要单独的保护继电器。

(1)过/欠压和过/欠频检测法过/欠电压和高/低频率检测法是在公共耦合点的电压幅值和频率超过正常范围时，停止逆变器并网运行的一种检测方法。逆变器工作时，电压、频率的工作范围要合理设置，允许电网电压和频率的正常波动，一般对220V/50Hz电网，电压和频率的工作范围分别为194V≤V≤242V、49.5Hz≤f≤50.5Hz。如果电压或频率偏移达到孤岛检测设定阀值，则可检测到孤岛发生。然而当逆变器所带的本地负荷与其输出功率接近于匹配时，则电压和频率的偏移将非常小甚至为零，因此该方法存在非检测区。这种方法的经济性较好，但由于非检测区较大，所以单独使用OVR/UVR和OFR/UFR孤岛检测是不够的。

(2)电压谐波检测法电压谐波检测法(Harmonic Hetection)通过检测并网逆变器的输出电压的总谐波失真(totalharmonic distortion-THD)是否越限来防止孤岛现象的发生，这种方法依据工作分支电网功率变压器的非线性原理。发电系统并网工作时，其输出电流谐波将通过公共耦合点a点流入电网。由于电网的网络阻抗很小，因此a点电压的总谐波畸变率通常较低，一般此时Va的THD总是低于阈值(一般要求并网逆变器的THD小于额定电流的5%)。当电网断开时，由于负载阻抗通常要比电网阻抗大得多，因此a点电压(谐波电流与负载阻抗的乘积)将产生很大的谐波，通过检测电压谐波或谐波的变化就能有效地检测到孤岛效应的发生。但是在实际应用中，由于非线性负载等因素的存在，电网电压的谐波很大，谐波检测的动作阀值不容易确定，因此，该方法具有局限性。

(3)电压相位突变检测法(PJD)电压相位突变检测法(Phase Jump Detection，PJD)是通过检测光伏并网逆变器的输出电压与电流的相位差变化来检测孤岛现象的发生。光伏并网发电系统并网运行时通常工作在单位功率因数模式，即光伏并网发电系统输出电流电压(电网电压)同频同相。当电网断开后，出现了光伏并网发电系统单独给负载供电的孤岛现象，此时，a点电压由输出电流Io和负载阻抗Z所决定。由于锁相环的作用，Io与a点电压仅仅在过零点发生同步，在过零点之间，Io跟随系统内部的参考电流而不会发生突变，因此，对于非阻性负载，a点电压的相位将会发生突变，从而可以采用相位突变检测方法来判断孤岛现象是否发生。

相位突变检测算法简单，易于实现。但当负载阻抗角接近零时，即负载近似呈阻性，由于所设阀值的限制，该方法失效。被动检测法一般实现起来比较简单，然而当并网逆变器的输出功率与局部电网负载的功率基本接近，导致局部电网的电压和频率变化很小时，被动检测法就会失效，此方法存在较大的非检测区。

传统主动频率偏移法(AFD)的检测效果主要由注入的扰动信号量cf值(或者频率扰动量Δf)决定，cf越大，孤岛检测时间就越短，但不能对cf任意取值，过大的cf值必定会影响系统输出的电能质量。如何权衡好孤岛效应检测的效果及速度和并网逆变器输出电能的质量之间的关系，成为研究正反馈主动频率偏移法(AFDPF)的重要课题。

研究发现，主动频率偏移法对并网系统是否发生孤岛效应的检测效果最好的情况，是当注入的扰动信号量cf在±5%内时。正反馈主动频率偏移法(AFDPF)是基于传统AFD法改进的比较成熟的方法，它克服了传统AFD法选取cf值困难的缺点，下图展示了AFDPF的检测方案。

正反馈主动频率偏移检测方案

在进行正反馈主动频率偏移法孤岛检测时，斩波系数cf按照计算。

式中cfk表示当前周期给并网逆变器施加的扰动信号量，cfk-1表示当前周期的上一周期给并网逆变器施加的扰动信号量，F( Δωk ) 为当前周期电压采样频率ωk和电网频率ωg之间偏差(Δωk=ωk−ωg)的函数。此式的含义是，正反馈信号扰动量受系统当前周期上一周期的扰动信号量和并网逆变器输出电压频率的变化量共同作用产生。

AFDPF算法按照如下步骤执行：

(1)正常并网运行时，大电网的包容性使得逆变器输出的电能指标在规定范围以内，频率基本保持不变，由上述公式可知，斩波系数cf也不变;

(2)大电网因某些原因脱离并网系统，大电网包容性消失，而cf继续存在，逆变器输出电压频率PCC点的电压频率会产生频偏差;

(3)F( Δωk ) 函数发挥作用使正反馈不断累加，并网逆变器后一个周期输出的扰动信号不断增强，频率偏差快速积累;

(4)在没有达到预设限值以前，重复步骤(3)，直至累积的频率偏移量超出预先设定限值，进行下一步;

(5)继电保护动作，微电网不在为负载供电。