并網(wǎng)系統(tǒng)的孤島檢測方法

孤島效應是由越來越多的新能源發(fā)電系統(tǒng)并接到電網(wǎng)上帶來的新現(xiàn)象。當逆變器和大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，而由于某種故障大電網(wǎng)側(cè)短路器跳閘時，就會發(fā)生并網(wǎng)逆變系統(tǒng)獨立向周圍負載供電，形成電力公司無法掌控的自給供電孤島。孤島現(xiàn)象可能造成逆變系統(tǒng)和用電設(shè)備損壞，并對電力檢修人員的生命安全造成威脅。在微網(wǎng)系統(tǒng)中，孤島現(xiàn)象分為計劃性孤島現(xiàn)象(islanding)和非計劃性孤島現(xiàn)象(unintentional islanding)。計劃性孤島現(xiàn)象是預配置的控制策略，有計劃的發(fā)生孤島;非計劃孤島現(xiàn)象為非計劃不受控制的發(fā)生孤島現(xiàn)象，微電網(wǎng)中要禁止非計劃孤島現(xiàn)象的發(fā)生。

并網(wǎng)系統(tǒng)在發(fā)生非計劃孤島現(xiàn)象時會產(chǎn)生如下嚴重的危害：

(1)電力系統(tǒng)因故停電后，由于分布式電源的存在，使得本來不帶電的線路和設(shè)備帶電，可能對電力維修人員的人身安全造成威脅;

(2)大電網(wǎng)掉電以后，其鉗位作用消失，現(xiàn)行系統(tǒng)的電壓、頻率會發(fā)生明顯變化，致使系統(tǒng)中一些精密儀器和設(shè)備損壞;

(3)設(shè)備損壞以后責任不好分攤，大電網(wǎng)和微電網(wǎng)都應該對因電能質(zhì)量造成的損失進行負責，單方面的承擔既不科學也不合理;

(4)影響配電網(wǎng)常規(guī)繼電保護裝置，導致其誤動作，甚至損壞，造成不必要的損失;

(5)孤島過程中，系統(tǒng)可能會控制已掉電的分布式電源重新接入大電網(wǎng)，這時如果孤島運行系統(tǒng)與大電網(wǎng)存在不同步的情況，它可能致使斷路器損壞，產(chǎn)生高沖擊電流，導致公共電網(wǎng)重新跳閘。

IEEE Std.929-2000和IEEE Std.1547 標準要求，分布式電源并網(wǎng)時，逆變器應具有反孤島檢測裝置。我國制定的并網(wǎng)技術(shù)標準 GB/T19939-2005《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求》規(guī)定系統(tǒng)并網(wǎng)后頻率的波動范圍不能超過 50±0.5Hz;系統(tǒng)一旦發(fā)生孤島現(xiàn)象導致頻率越線，過/欠頻率保護應在 0.2s 內(nèi)做出動作，使系統(tǒng)與大電網(wǎng)斷開且越快動作越好;至少應該設(shè)置一種主動和被動法相結(jié)合的防孤島效應保護。

孤島效應就是指因故障事故或停電維修等原因停止工作時，安裝在各個用戶端的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能及時檢測出停電狀態(tài)而不能迅速將自身切離市電網(wǎng)絡(luò)，而形成的一個由光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向周圍負載供電的一種電力公司無法掌控的自給供電孤島現(xiàn)象。根據(jù)Sandia National Laboratories提供的報告指出一般來說，孤島效應可能對整個配電系統(tǒng)設(shè)備及用戶端的設(shè)備造成不利的影響，包括：(1)危害電力維修人員的生命安全;(2)影響配電系統(tǒng)上的保護開關(guān)動作程序;(3)孤島區(qū)域所發(fā)生的供電電壓與頻率的不穩(wěn)定性質(zhì)會對用電設(shè)備帶來破壞;(4)當供電恢復時造成的電壓相位不同步將會產(chǎn)生浪涌電流，可能會引起再次跳閘或?qū)夥到y(tǒng)、負載和供電系統(tǒng)帶來損壞;(5)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)因單相供電而造成系統(tǒng)三相負載的欠相供電問題。由此可見，作為一個安全可靠的并網(wǎng)逆變裝置，必須能及時檢測出孤島效應并避免所帶來的危害。

被動式方法利用電網(wǎng)斷電時逆變器輸出端電壓、頻率、相位或諧波的變化進行孤島效應檢測。但當光伏系統(tǒng)輸出功率與局部負載功率平衡，則被動式檢測方法將失去孤島效應檢測能力，存在較大的非檢測區(qū)域(Non-Detection Zone，簡稱NDZ)。并網(wǎng)逆變器的被動式反孤島方案不需要增加硬件電路，也不需要單獨的保護繼電器。

(1)過/欠壓和過/欠頻檢測法過/欠電壓和高/低頻率檢測法是在公共耦合點的電壓幅值和頻率超過正常范圍時，停止逆變器并網(wǎng)運行的一種檢測方法。逆變器工作時，電壓、頻率的工作范圍要合理設(shè)置，允許電網(wǎng)電壓和頻率的正常波動，一般對220V/50Hz電網(wǎng)，電壓和頻率的工作范圍分別為194V≤V≤242V、49.5Hz≤f≤50.5Hz。如果電壓或頻率偏移達到孤島檢測設(shè)定閥值，則可檢測到孤島發(fā)生。然而當逆變器所帶的本地負荷與其輸出功率接近于匹配時，則電壓和頻率的偏移將非常小甚至為零，因此該方法存在非檢測區(qū)。這種方法的經(jīng)濟性較好，但由于非檢測區(qū)較大，所以單獨使用OVR/UVR和OFR/UFR孤島檢測是不夠的。

(2)電壓諧波檢測法電壓諧波檢測法(Harmonic Hetection)通過檢測并網(wǎng)逆變器的輸出電壓的總諧波失真(totalharmonic distortion-THD)是否越限來防止孤島現(xiàn)象的發(fā)生，這種方法依據(jù)工作分支電網(wǎng)功率變壓器的非線性原理。發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)工作時，其輸出電流諧波將通過公共耦合點a點流入電網(wǎng)。由于電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)阻抗很小，因此a點電壓的總諧波畸變率通常較低，一般此時Va的THD總是低于閾值(一般要求并網(wǎng)逆變器的THD小于額定電流的5%)。當電網(wǎng)斷開時，由于負載阻抗通常要比電網(wǎng)阻抗大得多，因此a點電壓(諧波電流與負載阻抗的乘積)將產(chǎn)生很大的諧波，通過檢測電壓諧波或諧波的變化就能有效地檢測到孤島效應的發(fā)生。但是在實際應用中，由于非線性負載等因素的存在，電網(wǎng)電壓的諧波很大，諧波檢測的動作閥值不容易確定，因此，該方法具有局限性。

(3)電壓相位突變檢測法(PJD)電壓相位突變檢測法(Phase Jump Detection，PJD)是通過檢測光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓與電流的相位差變化來檢測孤島現(xiàn)象的發(fā)生。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行時通常工作在單位功率因數(shù)模式，即光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出電流電壓(電網(wǎng)電壓)同頻同相。當電網(wǎng)斷開后，出現(xiàn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)單獨給負載供電的孤島現(xiàn)象，此時，a點電壓由輸出電流Io和負載阻抗Z所決定。由于鎖相環(huán)的作用，Io與a點電壓僅僅在過零點發(fā)生同步，在過零點之間，Io跟隨系統(tǒng)內(nèi)部的參考電流而不會發(fā)生突變，因此，對于非阻性負載，a點電壓的相位將會發(fā)生突變，從而可以采用相位突變檢測方法來判斷孤島現(xiàn)象是否發(fā)生。

相位突變檢測算法簡單，易于實現(xiàn)。但當負載阻抗角接近零時，即負載近似呈阻性，由于所設(shè)閥值的限制，該方法失效。被動檢測法一般實現(xiàn)起來比較簡單，然而當并網(wǎng)逆變器的輸出功率與局部電網(wǎng)負載的功率基本接近，導致局部電網(wǎng)的電壓和頻率變化很小時，被動檢測法就會失效，此方法存在較大的非檢測區(qū)。

傳統(tǒng)主動頻率偏移法(AFD)的檢測效果主要由注入的擾動信號量cf值(或者頻率擾動量Δf)決定，cf越大，孤島檢測時間就越短，但不能對cf任意取值，過大的cf值必定會影響系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量。如何權(quán)衡好孤島效應檢測的效果及速度和并網(wǎng)逆變器輸出電能的質(zhì)量之間的關(guān)系，成為研究正反饋主動頻率偏移法(AFDPF)的重要課題。

研究發(fā)現(xiàn)，主動頻率偏移法對并網(wǎng)系統(tǒng)是否發(fā)生孤島效應的檢測效果最好的情況，是當注入的擾動信號量cf在±5%內(nèi)時。正反饋主動頻率偏移法(AFDPF)是基于傳統(tǒng)AFD法改進的比較成熟的方法，它克服了傳統(tǒng)AFD法選取cf值困難的缺點，下圖展示了AFDPF的檢測方案。

正反饋主動頻率偏移檢測方案

在進行正反饋主動頻率偏移法孤島檢測時，斬波系數(shù)cf按照計算。

式中cfk表示當前周期給并網(wǎng)逆變器施加的擾動信號量，cfk-1表示當前周期的上一周期給并網(wǎng)逆變器施加的擾動信號量，F(xiàn)( Δωk ) 為當前周期電壓采樣頻率ωk和電網(wǎng)頻率ωg之間偏差(Δωk=ωk?ωg)的函數(shù)。此式的含義是，正反饋信號擾動量受系統(tǒng)當前周期上一周期的擾動信號量和并網(wǎng)逆變器輸出電壓頻率的變化量共同作用產(chǎn)生。

AFDPF算法按照如下步驟執(zhí)行：

(1)正常并網(wǎng)運行時，大電網(wǎng)的包容性使得逆變器輸出的電能指標在規(guī)定范圍以內(nèi)，頻率基本保持不變，由上述公式可知，斬波系數(shù)cf也不變;

(2)大電網(wǎng)因某些原因脫離并網(wǎng)系統(tǒng)，大電網(wǎng)包容性消失，而cf繼續(xù)存在，逆變器輸出電壓頻率PCC點的電壓頻率會產(chǎn)生頻偏差;

(3)F( Δωk ) 函數(shù)發(fā)揮作用使正反饋不斷累加，并網(wǎng)逆變器后一個周期輸出的擾動信號不斷增強，頻率偏差快速積累;

(4)在沒有達到預設(shè)限值以前，重復步驟(3)，直至累積的頻率偏移量超出預先設(shè)定限值，進行下一步;

(5)繼電保護動作，微電網(wǎng)不在為負載供電。