分布式电源并网系统孤岛检测方法综合比较

要使所有逆变器扰动指令同步，就要使所有的 并网逆变器互相通信，这样就增加了控制的成 本和复杂性，因而是不可行的。
3 结语
以上提到的各种孤岛检测方法都有自身不 同的特点，但并不能证明哪个方法更好，一般 要根据不同的应用场合、并网标准、实现成本 等方面考虑选择一种或几种方法实现对孤岛状 态的检测。
电压（V）
0
-0.5
孤岛形成； 电压（实线） “跳跃”
0 0.005 0.01
系统，耦合电容的阻抗作为 Z1 ,将高频信号叠加
电流 （虚线）
0.015 0.02
到工频电压上如图5所示。高通滤波器的输出即 为 Vout ，它是随着系统阻抗的变化而变化的。图 6 为一个典型的分压器输出特性曲线。如图所示， 电感量在 0.9 ～ 1.1 mH 范围内有一个很小的变化 时，输出 Vout 的变化会很明显。孤岛形成后，检 测装置通过检测 Vout 的变化从而检测到孤岛的发 生。
[9]
输出电压扰动法是指逆变器在并网过程 中，控制系统通过程序使得逆变输出电压每隔 几个周期的正常电压之后，输出一个比正常电 压值高的电压波形，使输出电压按一定的规律 高低变化， 当并网正常时通过并网公共点 Va 检 测回来的电压为市电电压，此电压值是基本稳 定的。一旦出现孤岛状态，从 Va 点检测到电压 为逆变器输出电压，也按前述控制规律高低变 动，即可判断出孤岛状态，从而及时退出并网 工作。 图 6 即为孤岛发生时检测得到的 Va 点电 压发生规律性扰动波形图。 类似的,可以同样有 逆变输出频率扰动法，通过使输出电压的频率 在允许范围内采用规律扰动来帮助检测孤岛状 态。
1
相位突变检测是检测逆变电源终端电压和 其输出电流之间相位的差异。电网连接时，电 流源型逆变电源检测图 1 中电压 Va 的过零点， 使输出电流波形与系统电压同步(通常由锁相 环来完成)。电压源型逆变电源正好相反。 对于电流源型逆变电源，电网断开后，Va 不再被系统电压所固定，而逆变电源输出电流 i 是固定的，它一直跟随逆变电源内部的 PLL 提供的波形。i 和 Va 仅仅在 Va 的过零点发生同 步， 在过零点之间， 逆变电源工作在开环状态。
1
1.2.1 阻抗测量法
[7]
阻抗测量法是通过孤岛发生时逆变电源侧 测量到的电网的阻抗改变来实现孤岛检测的。 通常在孤岛发生时电网侧的阻抗是增大的。下 面介绍一种利用分压器特性检测孤岛的方法。 图 3 是分压器的原理图。由图 3 可得
Vout Vin
Z2 Z1 Z 2
相位误差
0.5
具体的试验电路如图4所示。将一小幅值的 高频信号作为分压器的 输入通过耦合电容接入
P＋jQ 逆变电源 Pload＋jQload PCC a △P＋j△Q
： 1.电网无法控制孤岛中的电压和频
率，如果电压和频率超出允许的范围，可能会 对用户的设备造成损坏； 2. 如果负载容量大于 逆变电源容量， 逆变电源过载运行， 易被烧毁； 3. 与逆变电源相连的线路仍然带电，对检修人 员造成危险，降低电网的安全性； 4. 对孤岛进 行重合闸操作会导致该线路再次跳闸，还有可 能损坏逆变电源和其它设备。可见，研究孤岛 检测方法及保护措施，将孤岛产生的危害降至 最低具有十分重要的现实意义。
因此，逆变电源输出电流突变为参考相。由于 频率没有发生变化，负载的相位与系统断开前 相同，因此 Va 必然要跳变到新的相位 ( 如图 2 所示 ) 。在 Va 的下一个过零点， “ 新” 电压和逆 变电源输出电流之间的相位差即可被用来检测 孤岛。如果相位差大于阈值，控制器可以断开 或关闭逆变电源。
0 引言
随着新能源的不断开发和利用，基于可再 生能源的分布式供电系统应用越来越广。分布 式供电系统的一个共同特点是，需要通过逆变 器将直流电变换成交流电再送到电网上。正常 情况下，这些逆变系统并联在电网上向电网输 送有功功率。 但是， 当电网处于失电状况(例如 大电网停电)， 这些独立的并网发电系统仍可能 持续工作，并与本地负载连接处于独立运行状 态，这种现象被称为孤岛 (islanding)效应 。 逆变电源处于孤岛运行状态时会产生严重 的后果
P PLoad P Q QLoad Q
如果逆变电源工作在单位功率因数，则有 Q 0 ， Q QLoad 。孤岛形成前瞬间，如果
P 0 ，OVP/UVP 检测 Va 幅值的变化来检测 孤岛；如果 Q 0 ，负载电压出现一个突然
的相位漂移，逆变电源控制系统能改变输出电 流的频率，即 Va 的频率，直到 Q 0 (达到负 载的谐振频率 ) 。
[1~2] [1]
所有并网的逆变电源都 应具备过 / 低压和 高 /低频保护 (OVP/UVP、OFP/UFP)，一旦公共 耦 合 点 (PCC) 的 频 率 和 电 压 幅 值 超 过 规 定 范 围，逆变电源受保护将停止运行。 图 1 为逆变电源并网运行示意图，断路器 合闸时，逆变电源向 a 点提供的功率为 P jQ ；负载得到功率为 PLoad jQLoad ，则 电网提供的功率为
2
Z1 V in
Z2
V out
图 3 分压器原理图
高频信 号发生 器 耦合电 容 Z1
断路器
系统阻 抗
Biblioteka Baidu
高通滤波器
Z2
分布式 电源
图 4 试验电路
检测方法称为“电压偏移法”。下面介绍一种滑 模 频 率 偏 移 法 （ SMS:Slip-mode frequency shift method） 。 滑模 频率 偏 移法 将 逆变 器输 出电 流 与电 压 之间的相位差视为系统频率的函数：
3
图7
电压规律扰动法
1.2.4 输出电能变动法
通过控制变流器的输出，施以系统周期性的 有功电能或无功电能扰动，当市电中断时，由于
系统失去稳定的参考电源，扰动将造成系统电压 或频率明显的变动，而检测出孤岛现象。
2 分析比较
一般 的并 网 逆变 器 都具 备了 过压 和 欠压 保 护功能。当电网脱离时，在并网逆变器输出恒定 交流电流的作用下，负载上的电压会高于或低于 正常值，逆变器检测到这一异常电压值就会马上 进行保护，从而使并网逆变器在大多数情况下具 备了较好的反孤岛效应功能。然而，当负载和并 网逆变器容量近似匹配时， 情况就会不同： 此时， 即使电网脱离，并网逆变器输出的电流作用于负 载上时，负载上的电压基本保持不变，这样逆变 器的负载过压和欠压保护功能就会失去作用，也 即是说，逆变器通过负载电压幅值异常保护这一 功能来实现系统的反孤岛效应就会变得不可靠。 通常过 / 低压和高 / 低频保护作为其它孤岛保护方 法的后备。被动检测法 中的电压相位突变检测 法、 谐波检测法也只能在源 -负载不匹配程度较大 时才能有效 , 在其他情况下 ( 例如逆变器输出负载 并联电容 )将失效。 频率 偏移 法 通过 在 控制 信号 中人 为 注入 扰 动成分 ,从而使得频率或者相位偏移， 这类方法也 存在检测盲区 , 即当电压幅值和频率变化范围小 于某一值时 ,系统无法检测到孤岛的存在。 另外主 动检测法人为的向逆变 器并网系统的控制中加 入一些电压、频率的扰动或偏移，虽然增加了孤 岛判断的可靠性，减小了孤岛判断的盲区范围， 但是加入的这些扰动会 在一定程度上给逆变并 网系统带来负面影响， 并对电网造成一定的干 扰，使系统供电不稳定以及输出功率因数降低。 阻抗测量法对单个和多个逆变器并网的孤 岛检测都有效， 但也会对系统造成一定的干扰。 网络通讯检测法，对单个和多个逆变器并 网的孤岛检测都有效，而且这种方法也不会给 电网的正常运行造成干扰。 输出电能变动法对单个逆变器并网是可行 和有效的，但对于多个逆变器并网这种检测方 法就可能失效，失效的原因是由于单个逆变器 功率占总输出功率的比例非常小，因此改变单 个逆变器输出功率对总的输出功率影响不大， 除非保证所有的并网逆变器扰动同步，而如果
图 6 分压器输出响应曲线 1.2.2 频率或相位偏移法
[8]
频率 偏移 法 主要 思 想是 逆变 器输 出 在每 周 期和市电的上升沿过零 锁相同时，实时调整频 率， f 由市电频率 f 0 加上一个小的偏置得到。在 正常并网工作时，图1公共连接点 Va 的电压波形 由电网电压决定，所以逆变输出的频率基本上保 持 f 0 加上一个偏置值不变，如果孤岛状态出现， 逆变器检测到的市电频率不再是稳定的 f 0 ， 而是 以逆变器上个周期发出 的逆变输出波形的频率 为参考，再加上一个偏置，这样几个周期之后的 逆变器输出波形的频率不断偏移，直至超出正常 频率范围而被检测出处于孤岛状态，这种方法称 为“频率偏移法”。类似的方法，如果工作频率 跟随市电频率不变，在一定的输出功率下，逆变 器输出电压的幅值每次 都在市电电压的基础上 叠加小的偏置值。正常并网工作时，市电电压稳 定，则 Va 点电压保持不变。当孤岛状态出现，逆 变器输出电压则每个周 期不断的朝一个方向变 化直至若干个周期后超出电压的正常范围。这种
-1
时间（s）
图2
相位突变
[6]
1.1.3 电压谐波检测
逆 变 电 源 监 视 电 压 Va 的 THD ， 如 果 其 THD 超过某个阈值，则关断逆变电源。正常情 况下，电网是一个稳定的电压源，为负载提供 低失真 (THD ≈0) 的正弦电压，线性负载得到一 个不失真的正弦电流。电网连接时，逆变电源 产生的电流谐波将通过图 1 的结点 a 流入低阻 网络。谐波电流小，系统阻抗低， Va 的 THD 通常低于可检测点。 电网断开后，逆变电源产生的谐波电流将 会流入负载，负载阻抗通常要比系统阻抗大得 多，谐波电流与负载阻抗相乘，Va 将产生更大 的谐波。逆变电源通过检测电压谐波或谐波的 变化来判断是否处于孤岛状态。 对于电流源型逆变电源，如果切断电网的 断路器，在变压器一次侧，逆变电源的输出电 流将对变压器二次侧绕组进行励磁。由于变压 器的磁滞特性和其它非线性特性，其电压响应 有很大失真 [5]，会增加 Va 的 THD。负载同样具 有非线性，如整流器，也会使 Va 产生失真。一 般来讲，这些非线性特性会产生巨大的三次谐 波。因此，这种方法在实际使用时，通常监测 三次谐波。 1.2 主动检测法 主动检测法的思想是在逆变器的控制信号 中加人很小的电压，频率或相位扰动信号，然 后检测逆变器的输出。当逆变器与电网相连则 扰动信号的作用很小，而当孤岛发生时扰动信 号的作用就会显现出来，当输出变化超过规定 的门限值就能预报孤岛的发生。
分布式电源并网系统孤岛检测方法综合比较
李进兵，荣雅君，董 杰，安刚虎
（燕山大学电气工程学院，河北 秦皇岛 066004）
[3~4]
摘
要：本文在介绍孤岛产生的原因及危害的基础上，
1.1.1 过/低电压和高/低频率检测
对当前分布式电源并网系统采用的孤岛检测方法进行了 分类和总结，并对各种方法的优点及缺陷进行了分析比 较，为实际应用提供了一定的借鉴。 关键词：孤岛检测；分布式电源；逆变电源；并网
为上一周期测量到的系统频率。由上式可知，当 系统形成孤岛状态，由一个小的扰动导致频率发 生变化，例如频率增加，将导致相位差的增加， 这将使电压下一次过零时间缩短，从而使得逆变 器输出电压频率进一步增加。如此形成正反馈， 将使电压频率快速增加，从而达到孤岛检测的目 的。
1.2.3 输出电压或频率规律扰动法
变压器
断路器
电网
R
L
C
图 1 逆变电源并网运行示意图 1.1.2 电压相位突变检测
[5]
1 孤岛检测方法
根据国内外目前的研究情况，孤岛检测方 法可分为两大类即被动检测法和主动检测法。 1.1 被动检测法 被动检测法是利用逆变器从并网到市电掉 电时，由于电网负载有大的变化而引起逆变器 输出电压的幅度或频率突然变化，或是由于局 部电网负载引起的电压电流谐波大幅度增加， 从而达到孤岛检测的目的。
图 5 高频信号与工频电压叠加波形图
U(V) 7 6 5 4 3 2 1 L（mH） 0 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3
f [k 1] 60 [k ] 10 sin( ) 2 3 [k ] 为逆变器输出电流与电压相位差， f [k 1]