[科普中国]-主动移频式孤岛检测法

简介

由于孤岛效应会对分布式发电系统造成多种有害影响，所以孤岛检测是并网逆变器必须具备的功能。分布式发电系统孤岛检测方法主要分为被动式与主动式两类。被动式阈值难确定，且有较大检测盲区(Non-Detection Zone NDZ)。主动法弥补了被动法的缺点，尤其是基于频率或相位扰动的主动移频式孤岛检测法因操作简单、检测言区小而得到广泛应用。在单逆变器组成的分布式发电系统中，该法能可靠检测出孤岛，但在多逆变器并联分布式系统中，各逆变器产生的扰动相互抵消，即所谓的稀释效应，使孤岛检测失败。关于主动移频式孤岛检测法在多逆变器并联系统中的检测效果，已有相关文献进行了研究。分析了多逆变器并联系统中主动移频式孤岛检测法的性能，但并没有涉及稀释效应的问题。虽然指出系统中各逆变器产生的扰动相互抵消，有可能使孤岛检测失效，但并未就稀释效应问题展开研究2。

主动移频式孤岛检测法分类孤岛效应是指当电网由于电气故障、误操作等原因导致供电中断时，并网发电系统未能检测出停电状态并脱离电网，持续向电网供电，使并网发电系统和周围的负载组成了一个无法掌握的自给供电孤岛。由于孤岛效应会威胁到设备及人身安全，因此准确、及时地检测出孤岛效应是光伏并网发电系统设计中的一个关键性问题。

孤岛效应检测方法有被动式和主动式两种。被动式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。该方法在光伏系统输出功率与局部负载功率平衡时将失去孤岛效应检测能力;主动式是指通过控制逆变器，使其输出功率、频率或相位存在一定的扰动。电网正常工作时，由于电网的平衡作用，检测不到这些扰动，一旦电网出现故障，逆变器输出的扰动将快速累积并超出允许范围，从而触发孤岛效应检测电路。有源频率偏移在主动检测法中应用较多。该方法检测精度主动移频式孤岛检测法主要包括主动频率偏移法(Active Frequency Drift AFD), Sandia频率偏移法(Sandia Frequency Shift SFS)和滑模频率偏移法(Slip-mode Frequency Shift SMS)等。

主动频率偏移法(AFD法)AFD法的原理是通过并网逆变器向电网注入波形不变、频率略微变化的电流，使电网断开后，公共耦合点电压的频率被强迫向上或向下偏移直至超过设定值而检测出孤岛。以向上频移为例，控制逆变器输出电流为畸变的斩波波形，如图1所示3。

孤岛发生后，光伏逆变器输出电流可以看作源电流，PCC点的电压响应将跟随失真的电流波形，以比纯正弦激励的响应更短的时问到达上升过零点，这也就意味着后一个周期电压响应的频率总是比前一个周期电压响应的频率有所提高。这种过程一直持续到频率偏移足够大从而触发过频保护，实现了孤岛检测功能。

与被动式反孤岛策略相比，AFD法具有更小的NDZ，但畸变的电流降低了并网逆变器输出电能的质量，并且不连续的电流波形还可能导致射频干扰。在多逆变器并联的光伏系统中，若采用AFD法进行孤岛检测，必须统一不同并网逆变器的频率偏移方向，否则会因稀释效应导致孤岛检测失效。另外，光伏系统所接本地负载是阻性或感性负载时，检测言区较小;当本地负载呈容性时，因负载电压滞后于负载电流，对PCC点电压的频率具有向下偏移的作用，与AFD法向上偏移电压频率的作用相互抵消，有可能因此检测不出孤岛，所以检测言区较大。

Sandia频率偏移法(SFS法)针对AFD法NDZ仍较大的缺点，美国Sandia实验室首先提出带正反馈AFD法，即Sandia频率偏移法[7]。促使频率偏移的正反馈项，频率偏差越大，正反馈越强。在并网运行的情况下，电网的稳定性能够阻止频率的变化;当孤岛发生时，由于引入正反馈机制，加速了频率偏移，从而提高了孤岛检测速度，减小了检测言区。SFS法的关键是选择合适的正反馈增益K,使在维持系统稳定的前提下，频率偏移的速度加快4。

SFS法优点是比AFD法的孤岛检测性能高很多，不仅频率的偏移的速度加快，而且在频率变化为负值时可使频率偏移减小，所以在相同频率偏移下，NDZ更小。另外，在多逆变器并联运行条件下，各逆变器问的影响比AFD法小。

SFS法缺点与AFD法一样，负载的性质对频率的偏移有影响，可能会减缓甚至抵消频率的变化，从而降低了SFS法孤岛检测的性能。

滑模频率偏移法(SMS法)SMS法与SFS法都通过引入正反馈来提高孤岛检测效率并减小检测言区，SMS法与SFS法的区别是对逆变器输出电流的相位而不是频率进行扰动，控制逆变器的输出电流相位为频率偏差函数式中:/m是对应于最大相移角Vm的工作频率;f与左分别为PCC点电压频率与电网电压额定频率5。

并网运行时，系统的频率被锁定为电网电压频率;当断网时，如果负载相位的变化小于逆变器输出电流相位的变化。

则图2中负载相位曲线的斜率小于逆变器输出电流相位角VSM、曲线的斜率，这将使PCC点电压的频率从g处发生偏移(上移还是下移取决于本地负载的性质)。频率偏差越大，VSMS就越大，这种正反馈机制会使相位进一步发生变化，使电压频率到达新的稳定工作点。只要新的稳定工作点频率超出OFR/UFR保护的阑值范围，就可检测出孤岛。

SMS法优点是检测效率很高，NDZ很小;检测效率不受多逆变器并联的影响。SMS法缺点是由于需要修正逆变器输出电流的相位，会影响输出电能质量;当负荷曲线的倾斜幅度大于SMS曲线，则可能在过/欠频的动作区内有稳定运行点，导致孤岛检测失败。

总结由于分布式发电系统的孤岛效应会造成多种有害影响，基于并网逆变器的分布式发电系统要求具备孤岛检测功能主动移频式孤岛检测法是常用的检测孤岛的方法介绍了几种主动移频式孤岛检测法的工作原理及其在多逆变器并联运行条件下的孤岛检测性能分析了主动移频式孤岛检测法产生稀释效应的机理并进行了仿真验证仿真的结果表明，Sandia频率偏移法在多逆变器并联运行时可能会因为稀释效应导致孤岛检测失败，而滑模频率偏移法受稀释效应的影响不大。