光伏并网发电系统的孤岛效应及检测措施

SMS
2 f fg m Sin( ) 360 2 fm f 位为°) ; fm ——产生该相角时的频率。 自动移相法是在滑动移相法的基础上进行了改进，加快了在电网断电后的相位 偏移量，但是算法稍复杂，系统参数较多。 依据AFDPF的工作原理，滑动移相法同样可以采用线性的频率正反馈加以简化 ( IM2SMS) 如式(6)，同时引入初始附加相角以出发频率正反馈的有效动作。 (6) M SMS n( f f g ) F ( f f g ) 0 式中 n ——反馈增益; 0 ——常数。 当 f f g 0 时, F ( f f g ) 为1；当 f f g 0 时, F ( f f g ) 为-1[4]。 此检测方法实际是通过移相达到移频， 与主动频率偏移法AFD一样有实现简单、 无需额外硬件、孤岛检测可靠性高等优点，也有类似的弱点，即随着负载品质因数 增加，孤岛检测失败的可能性变大。 3）周期电流干扰检测法（ACD） 周期电流扰动法（Alternate CurrentDisturbances，ACD）是一种主动式孤岛检测 法。对于电流源控制型的逆变器来说,每隔一定周期, 减小光伏并网逆变器输出电流, 则改变其输出有功功率。当逆变器并网运行时, 其输出电压恒定为电网电压；当电 网断电时, 逆变器输出电压由负载决定。每每到达电流扰动时刻,输出电流幅值改变, 则负载上电压随之变化,当电压达到欠电压范围即可检测到孤岛发生。 4）频率突变检测法(FJ) 频率突变检测法是对AFD的修改，与阻抗测量法相类似。FJ检测在输出电流波 形(不是每个周期)中加入死区，频率按照预先设置的模式振动。例如，在第四个周 期加入死区，正常情况下，逆变器电流引起频率突变，但是电网阻止其波动。孤岛 形成后，FJ通过对频率加入偏差，检测逆变器输出电压频率的振动模式是否符合预 先设定的振动模式来检测孤岛现象是否发生。这种检测方法的优点是：如果振动模 式足够成熟，使用单台逆变器工作时，FJ防止孤岛现象的发生是有效的，但是在多
注：(1)Vnorm 指电网电压幅值的额定值，对于我国单相市电为交流 220V(有效值)； (2)fnorm 指电网电压频率的额定值，对于我国的单相市电为 50Hz。
在我国的GB/T 19939-2005《光伏系统并网技术要求》中，对频率偏移、电压异 常、防孤岛效应也有明确的要求。光伏系统并网运行时应与电网同步运行，电网额 定频率为50Hz，光伏系统并网后的频率允许偏差应符合GB/T15945的规定，即偏差 值允许士O.5HZ，当超出频率范围时，应当在0.2S内动作，将光伏系统与电网断开。 具体的异常频率响应时间规定见下表：
iAFDPF I AFDPF Sin(t AFDPF )
(3)
AFDPF的扰动虽然直接作用于输出电流频率 ,其本质上是在电流与电压间施加 相位扰动来检测孤岛。由式(2)可知, AFDPF既可使系统向频率增加的方向偏移也可 向频率减小的方向偏移，主要取决于本地负载的谐振频率。当其与电网额定频率一 致时，电网断电时刻频率正反馈所产生的相位扰动为零。 cf 0 的作用正是产生初始相 位扰动以有效触发频率正反馈的动作，取一个较小值即可。 2）滑模频漂检测法(SMS) 滑模频率漂移检测法主要有滑动移相法 ( Slip-mode frequency shift, SMS)与自 SMS是对逆变器输出电流相位进行扰动,电流的相角 动移相法( auto phase shift,APS)。 被设置为上个周期公共点电压的频率与额定频率的函数. 逆变器输出参考电流可表 示为： (4) iSMS I SMS Sin(2 ft SMS ) 引入的电流相位扰动量为:
3.1 被动式检测措施
被动式包括电压相位跳动、3次电压谐波变动、频率变化率等，即在不改变输出 特性的基础上对输出状态的检测保护。 1)过/欠压和高/低频率检测法 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[3]。 2)电压谐波检测法
3.2 主动式检测措施
主动式孤岛检测方法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。 1）频率偏移检测法(AFD)
图3 公共点电压Vpcc与逆变器电流i ( i1 为基波)
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孤岛效应
2.1 概念
孤岛效应是指当电网失压时，光伏系统仍保持对失压电网中的某一部分线路继 续供电的状态[1]。具体地讲，就是当电力公司的供电，因故障或停电检修而跳闸时 （例如大电网停电），并网发电系统未能及时检测出停电状态而将自身切离供电网 络，形成由并网发电系统和当地负载组成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛 （见图1）。
1 概述
太阳能作为一种绿色可再生能源，正在逐渐影响传统能源系统格局。目前，世 界各国越来越注重发展和利用太阳能的光伏并网发电技术：2010年全球太阳能光伏 新增装机容量增加了大约 130% ，达到 17.5GW 。而且， 2011 年安装量预计会达到 20.5GW ，这样到2011年末全球太阳能光伏总装机容量会达到58GW。 由于光伏并网发电系统将逆变后的电能直接馈送给电网，一定程度上会影响到 传统电网安全性和稳定性，所以需要有各种完善的保护措施。例如：并网逆变器过 压、过流、欠压、防孤岛效应保护等。其中，由于孤岛效应的潜在危险性和对设备 的损坏性，所以，社会公共工程和发电设备业主长期以来一直关注光伏并网逆变器 的反孤岛控制。
频率偏移检测法亦称为移频法，其主要有主动移频法 ( active frequency drift, AFD) 和 带 正 反 馈 的 主 动 移 频 法 ( active frequency drift with positive feedback, AFDPF)。 AFD通过将公共点处电压的频率值进行偏移后作为逆变器输出电流的参考 频率来进行孤岛检测, 该偏移量为固定值。图3给出了采用AFD时并网逆变器输出参 考电流及公共点电压波形。当输出电流变为零时将保持一段时间tz 直至下半个周期 开始。将截断系数cf定义为电流过零点超前(或滞后)电压过零点的时间间隔tz 与电 压周期TV 一半的比值。该方法在实际应用中产生的谐波电流较大。通常cf 取值为 正，使系统仅向频率增加的方向偏移，因而检测盲区较大。 AFDPF在AFD的基础上引入频率正反馈加速公共点电压的频率偏离正常值, 使 检测盲区进一步减小。引入频率正反馈后的截断系数可表示为： cf = cf0 + k ( f - fg ) . (1) 式中 cf0——无频率误差下的截断系数(即初始截断系数)； k——反馈增益； f——公共点电压频率； fg——电网额定频率。 一旦电网断电后, 公共点的电压频率会因为电流中引入的频率偏移量而加速变 化,直至频率保护继电器动作。该方法在逆变器输出电流中引入的相角与逆变器电流 (忽略谐波分量)分别为： t cf cf 0 k ( f f g ) (2) AFDPF z 2 2 2
图1 孤岛效应发生时的供电状态
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。
光伏并网发电系统的孤岛效应及检测措施
摘要：随着光伏并网发电系统总装机容量的不断增大，传统电网对光伏并网逆变器检测防 止孤岛效应的功能要求也越来越高。本文主要介绍和分析了光伏并网发电系统可能发生的孤岛 效应现象，并且归纳总结了各种有效防止孤岛效应措施及其特点，为光伏并网逆变器的孤岛检 测设计提供参考。 关键词：光伏并网发电系统 孤岛效应 检测
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。
图2 光伏并网运行示意图
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。如图2，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
表 2 国内标准对孤岛效应最大检测时间的限制
频率范围/Hz <49.5 >50.5 <47.0 <(47.0~49.3) >50.5 响应时间/s 0.16 0.16 0.16 0.16 到 300 可变 0.16
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孤岛效应检测措施
孤岛效应检测措施主要分为被动式和主动式两种。被动式检测技术一般是利用 检测市电状态，如电压、频率作为判断市电是否故障的依据。而主动检测法，则是 由电力转换器产生一干扰讯号，观察市电的状态是否受到影响以作为判定依据[2]。
2.2 孤岛效应的相关标准
根据国际标准IEEE Std．2000．929和ULl74规定，所有的并网逆变器必须具有 反孤岛效应的功能，同时这两个标准给出了并网逆变器在电网断电后检测到孤岛现 象并将逆变器与电网断开的时间限制，如下表：
表 1 国际标准对孤岛效应最大检测时间的限制 Voltage V <50％Vnorm 50％Vnorm <V <88％Vnorm 88％Vnorm <V <11O％Vnor m 110％Vnorm <V <l37％Vnor m V >l37％Vnlorm Frequency fnorm+0.5 <f f<fnorm-0.7 2 cycles Time to operate 6 cycles 6 cycles 2 seconds Time to operate 6 cycles 2 seconds Normal operation