并网光伏发电孤岛效应检测电路设计

姜牧林 韩丽英

摘 要：本文针对并网型光伏逆变器孤岛检测，提出了一种基于植入能够产生微小不平衡的正弦波形扰动电路的自适应主动频率偏移孤岛检测方法，设计了孤岛效应主动检测电路，实现了孤岛状态下接入点电压频率的正反馈，进而检测出孤岛事件，可有效防止伪孤岛并减小对电网的干扰，避免孤岛保护误动作。

关键词：孤岛效应；扰动电路；算法

并网光伏发电系统中，当分散的光伏电源系统如光伏发电系统从原有的电网中断开后，虽然输电线路已经断开，但是光伏发电系统中的逆变器仍然在运行，此时逆变器失去了并网赖以参考的公共电网电压，此时将产生孤岛效应[ 1 ]。对于并网型光伏发电系统，系统运行时，为确保人身和设备安全稳定，要求在公网电网出现意外故障停电时，光伏发电设备应该能够及时检测此故障情况，并迅速与公网电网解列，停止向电网送电。

1 孤岛检测算法及电路设计

光伏发电系统中一旦發生孤岛效应，最致命的后果一是将导致光伏发电系统与公网电网的重新连接变得复杂，二是将对电网中的电力元件产生严重危害。根据孤岛效应发生概率不同，目前一般分为两种情况[ 2 ]：第一种，孤岛效应明显的场合；第二种，孤岛效应不明显的场合。

对于第一种，针对明显程度一般设计有专门的孤岛效应保护电路。而对于第二种，孤岛效应不是很明显，由于孤岛效应出现概率小，从概率论与信息的关系可知，事件出现概率越小，其所含信息越大，但是事件的捕获难度越大，事件出现对系统影响越大，这就会对光伏发电站与负载之间功率的适配造成威胁，所以研究孤岛效应检测算法、设计克服孤岛效应电路是并网光伏发电系统亟需解决的问题。

1.1 孤岛效应检测

被动检测方法和主动检测方法是目前技术比较成熟，研究成果较多的应对孤岛效应检测的两种方法。

当公网电网因故障造成失电时，电网电压信号的幅度、频率、相位等要素和谐波分量等参数将产生畸变，光伏发电设备孤岛效应检测系统可以通过检测这些畸变信号判断公网电网失电事件，进而采取反孤岛运行控制技术，这种检测孤岛效应的方法是通过被动检测的方式进行的，故而成为被动检测方法。

而主动检测方法也即注入参量法指的是，在光伏发电系统中通过在光伏并网点处由孤岛效应检测系统主动向公网电网注入很小的干扰信号，再通过检测反馈信号来判断电网失电事件发生与否。根据注入信号种类不同，这种主动检测方法又分为两种，其中的一种就是通过在公网并网电流信号中注入一个很小的失真电流，这个失真电流是检测系统产生的，并且电流的参量尤其是失真度是可控的，孤岛效应检测系统通过检测光伏发电侧逆变器输出的电流的参量，如相位和频率，根据失真电流信号的失真度，采用正反馈电路，使得这个失真信号被放大后注入到电网中，在电网失电时，这个被放大的失真信号会产生与设定不同的异常值，孤岛检测系统通过检测出这个参量异常值，即可迅速检测到孤岛效应事件。

1.2 孤岛效应事件检测算法

完成光伏并网保护功能的电路是功率调节器。在光伏逆变系统发生异常时，功率调节器可实现自动功率控制，减少对公网电网产生的影响，不至于对光伏发电系统造成不良影响[ 3 ]。

为了确保电网稳定，并网光伏发电系统功率调节器一般设计完成两种自动调节功能：无功功率控制和输出功率控制。

孤岛事件检测算法流程：首先采样输入每个支路的输入电压和电流信号值之后，计算采样信号频率的改变值；其次把计算所得信号频率值与设定频率值进行比较，当频率变化小于设定值时，才进行进一步的判断。算法核心是：将频率变化量符号的变化次数与频率变化次数与整定值进行比较，当符号的变化次数大于整定值时，则得出发生孤岛效应的结论，并使控制器发出指令使光伏阵列逆变系统与公共电网分离。

1.3 孤岛效应主动检测电路设计

主动检测孤岛效应事件检测可采取主动信号探测法：在光伏发电逆变控制器中主动植入探测电路。这个探测电路能够产生微小失真度可控的扰动信号。根据公网信号特点，这个扰动电路产生的探测信号一般是不平衡的正弦波形。因为公网信号是对称的，如果控制器的参考正弦波中存在不对称，在逆变器的电流输出中将产生同样大小的不对称畸变。

系统正常运行时，这个扰动信号产生的畸变微弱，对电网影响较小，可以忽略；一旦孤岛效应发生，这种畸变效应将凸显，通过检测这个畸变信号即可检测出孤岛事件发生。这种主动探测法亦即采用合适的畸变作为有效辨识孤岛效应的检测器，以便对其进行反孤岛运行控制，确保电网系统稳定运行。

图1为三节阻抗依次降低的RC移相网络构成的扰动电路，振荡频率为1KHz，出幅度可由CTL_PWR调节。调节电阻串接在T1发射级的电位器RP1，RP1还具有调节扰动波形失真度的功能。振荡信号由T2组成的射级跟随器组成，同时具有负载阻抗匹配功能。

2 结论

本文提出的针对并网型光伏逆变器控制器，采取主动信号探测法，植入能够产生微小不平衡的畸变正弦波形扰动电路，检测出孤岛事件，可有效防止伪孤岛并减小对电网的干扰，避免孤岛保护误动作。

参考文献：

[1] 沈辉.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2] 惠晶.新能源发电与控制技术[M].北京：机械工业出版社，2014.

[3] 丁海洋等.光伏发电系统充电控制策略研究[J].电气传动，2006，36（12）：3-6.

作者简介：

姜牧林，男，本科，正高级工程师，主要研究领域：电子、通信、自动化及信息处理；

韩丽英，女，本科，主要研究领域：电子、通信、自动化及信息处理。