关于光伏逆变器孤岛效应检测方法的研究

彭宏 赵法起 郗忠梅 邵明汝

摘 要：随着世界经济发展，相伴而生的環境及能源问题也日渐突出，以清洁、环保的发电方式为优势的太阳能光伏发电，越来越受到重视。太阳能电池板所发电能最终要并入电网，而孤岛效应则成为光伏逆变器并网后面临的一种特殊问题，因此需要进行孤岛效应的检测。检测孤岛效应的方法通常可分为两类：被动式（无源）、主动式（有源）。针对目前对孤岛进行检测的方法仍存在的缺陷，本研究提出一种通过分析无功功率关系的方法实现对孤岛的检测，并设计了仿真模型对检测方法的有效性进行验证。

关键词：孤岛效应；孤岛检测；仿真；

引言

当前，世界能源资源日趋紧张，环境污染问题日益加剧，特别是我国也面临着严重的电能紧缺问题。太阳能光伏发电作为一种理想、环保的发电方式，有着巨大的优势，其发展前景也非常广阔。太阳能发电所产生直流电能经过光伏逆变器逆变之后并入电网，在此过程中便产生了一些新问题，其中最为严重的问题就是孤岛效应。因此，在该过程中需采取的保护措施除针对电压、电流和频率检测的保护之外，还必须针对孤岛效应采取保护。本文对孤岛效应进行了相关介绍，提出一种分析频率与无功功率关系的孤岛效应的检测方法，并且通过仿真验证了该孤岛检测方法的有效性。

1 孤岛效应概述

1.1 孤岛效应

孤岛效应指在中断电网供电时，光伏并网系统没能够及时地检测到电网的断电状况并且从电网脱离，使得光伏发电系统同其周围的用电负载形成一个电力公司难于掌握的孤岛。

1.2 孤岛效应原理

光伏发电并网在系统正常工作，即闭合断路器时，光伏发电系统同电网同时给负载供电；当电网由于电气故障或误操作等原因停电，即断路器断开时，电网的断电情况未能被光伏并网系统及时检测到而使其继续向负载供电，光伏并网系统与负载便形成了孤岛，自给供电。

2 孤岛效应的检测方法

对孤岛进行检测的方法通常可分成两类：被动式（无源）检测法和主动式（有源）检测法。

2.1 被动式（无源）检测法

通常被动式（无源）检测方法有过/欠电压检测、高/低频检测、对相位突变和电压谐波进行检测等方法。

2.1.1 相位突变检测

相位突变检测，指光伏发电系统并网且运行正常，其输出的电流I同电网的电压U同相同频，也就是说功率因数是1。在电网断开以后，便产生孤岛现象，即光伏发电系统独自供电给负载。这时，a点的电压Ua取决于负载阻抗Z和输出电流I。电流的频率和相位在锁相环的作用下被系统内部锁定，使得电流在过零处与电压同步。在过零点以外，电流超前或者落后于电压，使电压相位突变。因此可利用相位突变检测的方法来判断孤岛是否产生。

2.1.2 电压谐波检测

电压谐波检测，此检测方法是依据光伏并网系统脱离电网时，由于电网的负载阻抗相较于电网网络阻抗大的多，电流流入负载时在a点处会产生很大的谐波，当发现a点电压的谐波含量骤增时，孤岛现象产生。但由于存在非线性负载等因素，电网电压具有很大的谐波含量，检测谐波含量的阈值也很难确定，因此，这种方法有较大的局限性。

2.1.3 以 为检测指标的被动式孤岛检测方法

以上三种被动式孤岛检测方法都是通过检测电量的变化来检测孤岛的发生。但当产生孤岛现象时，如果负载的功率与光伏发电系统输出的功率相吻合，逆变器输出的频率或电压的变化会很小，并保持在正常范围以内，此时保护电路便无法检测到孤岛的产生。

当发生孤岛现象时，如果电源或负载发生变化，功率、频率等都会较为敏感，使得系统变得极不稳定，同时它的变化率也会增大，因此提出了一种检测孤岛的新方法，此检测方法是由监测到的 变化来推断孤岛效应发生与否。即便是在频率或电压变化很小的情况下，该检测法也能够准确迅速地检测出孤岛。检测时间小于2s，并且不会影响电能质量，说明该方法具有快速性、正确性和有效性的优点。

2.2 常见的主动式（有源）检测法

常见的主动式检测方法主要有滑模频率偏移（Slip Mode Frequency Shift， SMS） 、有源频率偏移（Active Frequency Drift，AFD）、电流干扰法、输出功率扰动方法。主动式检测方法采用在并网逆变器的输出端施加频率、电流或者相位干扰信号，同时监测这些干扰信号对线路电压造成的影响。当系统处于孤岛运行时，干扰信号所产生的扰动会体现并累积到线路的电压上，因此可以通过检测电压的变化而检测到孤岛的产生。本文重点分析输出功率扰动法，当孤岛发生后，能迅速检测出孤岛，退出运行。并网逆变器的输出功率扰动检测，是控制光伏并网部分周期性地输出有功和无功功率扰动。当并网逆变器处于孤岛运行时，该扰动会导致系统的频率或电压发生明显的变化，并超出预先设置的阈值，而能够检测到孤岛的产生。

3 结语

综上所述，检测孤岛效应的方法通常可分成两类：被动式（无源）检测法和主动式（有源）检测法。本文介绍了部分孤岛检测法，简要论述了这些方法优缺点，并且将无功功率与频率关系的检测方法进行了仿真，证明该方法是有效的，可行的。在近几年的孤岛检测研究中，基于传统主动式和被动式方法复合而成的复合检测法及对传统AFD检测法的改进方法占了一定的分量，同时也出现了一些将新颖的智能检测方法运用于孤岛检测的探索，但各种方法都仍有一定的缺陷，特别是仍存在死区及影响电能质量的问题或者并不适用于分布式电源系统，这些问题也将作下一步的研究方向。

参考文献

[1] 王兆安.电力电子技术[M].机械工业出版社，2009（10）：6-8.

[2] 乔于轩，张代润.光伏并网系统的孤岛效应检测技术[J].电源技术应用，2010（11）：23-26.

[3] IEEE Std.1547-2003，IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power

Systems.

[4] IEEE Std.1547.1-2005，Standard for Conformance Test Procedures for Equipment Interconnecting

Distributed Resources with Electric Systems.

[5] 许颇，张崇巍，张兴.三相并网逆变器控制机器反孤岛效应[J].合肥工业大学学报，2006，9：1139-1143.