一种改进的孤岛检测策略在光伏系统中的应用*

李 菲，舒欣梅，何建平，苗 淼

（西华大学 电气信息学院，四川 成都610039）

一种改进的孤岛检测策略在光伏系统中的应用*

李 菲，舒欣梅，何建平，苗 淼

（西华大学 电气信息学院，四川 成都610039）

在现代电力系统中，可能产生的孤岛效应一定程度上限制了光伏并网发电系统(photovoltaic grid connected power system，PV)的应用和发展，孤岛检测是光伏系统必须具备的功能。传统的滑模频率偏移法有检测效率较低、对系统发电质量影响较大等缺点，提出了一种将传统滑模频率偏移法和电压正反馈机制相结合的孤岛检测策略。分析了改进方法的工作原理，基于dq变换实现了有功电压、无功电压以及有功电流、无功电流的分离，通过与参考量做差作为反馈量，达到破坏功率平衡从而检测出孤岛的目的。仿真实验结果验证了该方法的可行性和有效性，对工程应用有一定的参考价值。

光伏并网发电系统；孤岛效应；孤岛检测；滑模频率偏移法；dq变换；反馈机制

0 引言

光伏并网技术得以发展遭遇的最大挑战之一是所谓的“孤岛效应”，即当光伏并网逆变器在电网断路器跳脱之后的规定时间内没有停止输出功率，而是继续为本地负载供电。文献[1]分析了孤岛效应的发生机理，其产生的必要条件是：逆变器输出有功功率、无功功率和负载的有功功率、无功功率相匹配。

“孤岛”产生后如果光伏并网逆变器继续工作，不仅可能会使相连的设备由于失步合闸受到破坏，还可能威胁在“孤岛”期间维护电网工人的生命安全。为了避免这些严重后果，光伏发电系统的并网需要满足一系列要求以确保供电的安全性和可靠性，并网发电装置必须具备孤岛保护的功能，保证能够及时检测到孤岛效应并与电网切离。

目前常见的孤岛检测方法主要分为被动式检测法和主动式检测法，前者通过检测公共点电压幅值、相位或频率、功率、谐波等参数变化判断孤岛发生，检测形式基本固定，主要有过欠压/过欠频检测法(Over/Under Voltage and Over/Under Frequency method，OUV/OUF)、相位突变检测、电压谐波检测等；后者通过有意的给系统注入扰动信号破坏功率平衡，使处于孤岛状态下的PCC (Point of Common Coupling)点电压参数(幅值、频率或谐波含量等)超出正常范围，来确定电网的存在与否以达到检测出孤岛的目的，主要有阻抗测量法、有源频率偏移法、正反馈有源频率偏移法、滑模频率偏移法（Slip-Mode Frequency Shift,SMS）、Sandia电压偏移法等。由于传统的检测方法存在一定的缺点，文献[2]研究了基于无功电流和频率反馈的方法；文献[3]研究了带电压频率正反馈的主动频移法；文献[4]研究了一种复合式孤岛检测方法；文献[5]研究了基于正切的滑模频移法，本文受上述文章的的启发提出了一种改进的滑模频移法。

1 原理分析

研究孤岛检测方法的目的是为了寻找一种能在任何性质负载下检测出孤岛状态的技术，如图1所示在具体的反孤岛测试中，通常用当并联谐振负载代表局部负载，从而模拟一种最严重的孤岛状况。本文基于该测试电路研究了电压正反馈和滑模频率偏移法相结合的反孤岛策略并搭建了模型进行仿真验证和结果分析，下文分别进行原理阐述。

图1 含并联谐振RLC负载的反孤岛测试电路

1.1 滑模频率偏移法

定义逆变器的相位为一个以频率为变量的函数，使逆变器的相位比单位功率因数的负载相位在电网频率附近增加更快。并网运行时，逆变器输出频率为50 Hz，输出电流电压相位差为零，如果电网跳闸公共点电压的频率发生畸变，逆变器输出电流跟随给定的电压相位按SMS曲线偏移，只有在图中A、B两点时系统才会到达新的平衡。在到达A或B点之前的过程中，由于负载相角与频率成正比，系统输出电流为了保持与电压的相角差需要不断增大频率，直至频率偏移到触发保护动作。

滑模频率偏移法属于主动式孤岛检测方法[6]，它是一种较早的移相式检测法，实质是通过移相达到移频，对相位施加扰动使逆变器输出电压频率在短时间内变得不稳定，从而判别孤岛发生与否。原理示意如图2所示，将输出电流的参考电压的相位平移一个角度 θSMS，逆变器给定电流的起始时刻为公共电压过零点上升沿，未加入算法前逆变器输出电流与公共点电压同频同相，加入SMS算法后，电流频率不变但相位发生变化，大小由移相角决定。应用SMS进行孤岛检测时，对并网逆变器输出电流引入相位偏移，电流 i0和移相角 θSMS分别如式(1)和式(2)所示。

式中，f为公共点电压频率，fg为电网频率，θm为最大相位角，fm为最大相位θm出现时的最大频率。

图2 滑模频率偏移法原理示意图

1.2 基于dq变换的正反馈

由负载特性：

可知系统处于孤岛运行状态时，逆变器输出与负载的有功功率不匹配程度将决定负载端电压的变化，逆变器输出与负载的无功功率将决定频率变化的大小。利用正反馈原理增加逆变器输出功率和负载需求频率的不匹配程度，迅速超出所设定的电压或频率的阈值，避免进入非检测区(None Detection Zone，NDZ)，使孤岛检测更有效。将a-b坐标系中的各参数变换到d-q轴后，有功功率和d轴成比例，无功功率和q轴成比例。电流或电压等矢量都是d轴和q轴的合成量，其中任意一个轴的值改变不仅能引起矢量幅值的变化，两轴之间的角度也会改变，从而角度又促使频率发生变化[7]。

运行机制如图3所示，令逆变器输出三相电流和电压分别通过 abc-dq0变换器，当逆变器输出端d轴电压增加时，反馈促使逆变器输出d轴参考电流增大，从而使有功功率增大带动电压增大，d轴电压再次升高。依次循环，电压增大到超过所设定的阈值断开逆变器，孤岛被检测出来。

图3 dq变换下的电压反馈机制

1.3 SMS算法与电压正反馈相结合的反孤岛策略

本文利用电压正反馈与滑模频率偏移法相结合的策略：电压反馈模块通过dq变换实现了对电压和电压的分离以及有功电流和无功电流的分离；通过与电流参考量做差值后进入dq0-abc转换器作为反馈量；再利用过欠压、过欠频检测来判断孤岛是否发生。如果没有进入SMS检测模块，计算负载相位角与滑模频率偏移角的相位偏差 θSMS+∠G(jw)，孤岛发生时微小的偏移量会导致电压频率的不断地增大或减小，与额定频率的偏差会越来越大直至超出所设置的阈值[8]。本文设计的孤岛检测结构如图4所示。

图4 孤岛检测结构设计图

2 基于MATLAB的建模及仿真分析

通过模块 MATLAB/Simulink和 power system blockset建立仿真模型对光伏并网系统搭建基于三相逆变器的孤岛检测模型[9]。光伏并网发电系统产生的电能通过逆变器整流，使输出电压、频率、相角符合并网要求，由于逆变器为电流控制模式，再经过滤波后输出给负载和电网。锁相环实现逆变器输出电流对公共点电压的同频同相控制，检测电压的过零上升沿获得电压的频率和相位。公共点三相电压和电流分别通过SMS算法和电压反馈子系统产生逆变器控制信号。直流电源模拟为光伏电池，三相可编程电压源模拟为电网，三相并联RLC作为本地负载，初始时刻发电系统处于并网状态，三相开关闭合，0.1 s时三相开关断开，发电系统处于孤岛状态，通过示波器监视电网断开前后逆变器及公共点电压、电流、频率以及孤岛检测信号的变化。具体的系统参数设置如表1所示。

表1 仿真系统具体参数设置

3 仿真结果分析

图5、图6分别给出了传统SMS检测算法和本文检测策略下的逆变器电流、公共点电压、频率及孤岛检测信号。当电网0.1 s断开后，失去了电网的钳制作用，产生的微小偏差通过算法和正反馈作用使公共点频率迅速减小，直到欠频保护逆变器断开，孤岛效应被高效的检测出来。分别对比图（a）和图（b），传统SMS算法下到0.32 s经过约 0.22 s，频率超出下限 49.5 Hz，孤岛效应检测出来，而本文检测策略下仅用了约 0.128 s，可见大大提高了检测效率。并且对比断网后的电流和电压波形，本文策略下的畸变很小，一定程度上提高了发电质量，降低电网的谐波污染。由于加入了电压反馈机制使有功电流增加，增大了逆变器与本地负载的不匹配程度，更有利于孤岛检测，能够有效减小孤岛非检测区。

图5 PCC点电流、电压波形图

图6 公共点频率、孤岛信号标志

4 结论

本文研究了传统滑模频率偏移法和电压反馈相结合的针对光伏并网发电系统的孤岛效应检测策略，对各模块的基本原理进行了扼要分析，通过搭建的仿真模型对检测方法进行了仿真验证。结果表明，本文所提出的检测方法相比于传统的SMS算法能够快速有效地检测出孤岛，产生的谐波污染、对电能质量的影响以及检测盲区都较小，符合IEEEstd.2000-929/UL1741的孤岛检测标准，有检测快速、谐波小、对电能质量影响小的优点。另外，对于多台逆变器同步运行下的孤岛检测方法以及检测盲区的定量分析将会做进一步的研究。

[1]张有兵，穆淼婕，翁国庆.分布式发电系统的孤岛检测方法研究[J].电力系统保护与控制，2011，39(1)：139-146.

[2]杨滔，王鹿军，张冲，等.基于无功电流-频率正反馈的孤岛检测方法[J].电力系统自动化，2012，36（14）：193-199.

[3]蒋翠，祁新梅，郑寿森.带电压频率正反馈的主动移频式孤岛检测方法[J].电力系统保护与控制，2014，42（8）：95-100.

[4]高金辉，程静，杨海波.光伏并网逆变器复合式孤岛检测方法[J].电力系统保护与控制，2012，40(11)：122-126.

[5]张凯航，袁越，傅质馨，等.基于正切滑模频移法的孤岛检测方法[J].电力自动化设备，2013，33（12）：66-72.

[6]刘芙蓉.并网型户用光伏系统的孤岛检测技术研究[D].武汉：华中科技大学，2008.

[7]吴貹益，黄辉，黄玉水，等.基于dq变换的自适应主动频移式孤岛检测研究[J].电力电子技术，2014，48（1）：18-20.

[8]肖龙，杨国华，鲍丽芳，等.基于改进滑模频率偏移法的光伏孤岛检测研究[J].电测与仪表，2012，49（558）：52-56.

[9]郑昕昕，肖岚，田洋天，等.SVPWM控制三相并网逆变器AFD孤岛检测方法[J].中国电机工程学报，2013，33(18)：11-17.

The application of an improved islanding detection strategy in photovoltaic grid connected power system

Li Fei，Shu Xinmei，He Jianping，Miao Miao
(College of Electrical and Information，Xihua University，Chengdu 610039，China)

In modern power system,the application and development of photovoltaic grid connected power system(PV)may be limited by islanding effect to a certain degree,so islanding detection is a necessary function of photovoltaic system.The traditional method of slip-mode frequency shift(SMS)has shortcomings of low detection efficiency,poor power quality and so on,therefore a islanding detection strategy is presented in this paper which is combined with traditional SMS and voltage positive feedback mechanism.The working principle of the improved method is analyzed,and the separation of the active voltage,reactive voltage,and active current,reactive current can be realized by using dq transformation.The difference value with reference can be a feedback to destroy the balance of power,then the islanding can be detected rapidly.The simulation and experimental results verify the feasibility and effectiveness of the method,and it also has certain reference value for engineering application.

photovoltaic grid connected power system;islanding effect;islanding detection;slip-mode frequency shift;dq transform;feedback mechanism

TM615

：A

：0258-7998(2015)03-0058-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.03.014

2014-10-11)

李菲（1989-），女，硕士研究生，主要研究方向：光伏并网发电系统孤岛检测技术。

四川省教育厅重点项目基金资助（09ZA112）

舒欣梅(1973-)，女，硕士，副教授，主要研究方向：电能质量的检测与应用智能控制。

何建平（1957-），男，硕士，教授，主要研究方向：电机及控制方面。