(国家电网无锡供电公司)
摘要：在分布式光伏发电并网系统中，孤岛检测是其必备的基本功能，既要能快速准确地检测出孤岛效应，又要能尽量减小对电能质量的影响。本文介绍了主动式孤岛检测方法的基本原理，将其划分为基于频率偏移原理检测法和基于相位偏移原理检测法两类，讨论了每种检测方法的优点和缺点，并对每类检测方法的可靠性、对电能质量的影响以及适用场合作了比较。主动式孤岛检测方法的未来研究方向是进一步提高其检测效率、减小或消除检测盲区以及降低对电网的污染度。在实际应用中，合理选用两种或多种不同原理的主动式孤岛检测法相互配合使用，将是主动式孤岛检测法发展的趋势。
关键词：光伏发电；微网；主动式孤岛检测；频率偏移；相位偏移
0 引 言
近年来，分布式发电（Distributed Generation，DG）技术在世界各国快速发展。分布式发电技术不仅清洁环保、经济高效，而且供电可靠，能提高整个电力系统的稳定性和灵活性。微电网是在分布式发电基础之上形成的一种新型供电方式，它通过电力电子装置和储能设备实现功率变换和灵活控制， 既可以单独为本地网络负载供电（即孤岛模式）又可以与配电网连接并网运行（即并网模式）的一种供电网络形式。
微电网灵活控制的关键问题之一是孤岛检测问题[1]。孤岛是指电网因故障事故或停电维修而跳闸后，用户端的DG系统未能即时检测出停电状态而将自身切离主系统，形成由DG系统和周围的负载组成的一个自给供电的孤岛。孤岛运行可分为非计划孤岛运行和计划孤岛运行。计划孤岛运行可以有效发挥DG的积极作用，减少因停电而带来的损失，提高供电质量和可靠性；非计划孤岛会给电力系统的安全稳定运行带来一些严重的问题。因此，DG系统应尽力避免非计划孤岛的出现，并由此制定了并网发电专用标准IEEE Std.2000-929和UL1741，这些标准规定了所有的并网逆变器都必须具有孤岛检测保护的功能，且检测时间越短效果越好。
目前孤岛检测的方法可分为三大类，分别是主动式检测、被动式检测和通信式检测。主动式检测法的检测精度和准确率高、检测盲区小甚至无检测盲区，但会影响电能质量；被动式检测法不会影响电能质量，但存在较大的检测盲区；通信式检测法实时性强，稳定性高，对电能无影响，但成本较高，操作复杂，经济利润低。
本文以主动式孤岛检测法为主要对象，将其分为两大类进行详细介绍，分析检测原理并比较每种检测方法的优点和缺点以及主要应用场合，最后对每类方法的有关性能作了总结。
1 孤岛效应发生机理分析
当电网正常工作，光伏逆变器并网运行时，由于电网的钳制作用，引入的扰动信号几乎不能使电网发生变化;当电网发生故障断开时，光伏逆变器孤岛运行时，引入的扰动量会不断累积，一旦超出允许范围，便可检测出孤岛效应。
光伏并网时的结构示意图如图1所示，图中P(Q)、△P(△Q)、Pload（Qload）分别是指逆变器、电网、负载输出或消耗的有功(无功)功率。并网运行时负载端电压受电网电压的钳制，故公共耦合点处电压即为电网电压Ug，则：
.png)
（1）
.png)
（2）
其中，ωg为电网电压角频率，电网断开后光伏系统发出的功率全部被负载消耗，则：
.png)
（3）
.png)
（4）
ωinv为逆变器输出电压角频率，分别联立式(1)、式(3)和式(2)、式(4)可得：
.png)
（5）
.png)
（6）
式中Qc=ωgCUg2是电容的无功功率，联立式（5）、式（6）：
.png)
（7）
当逆变器输出功率与负载功率匹配时,令△P=0、△Q=0，可得ωg= ωinv、Ug= Uinv，公共点电压、频率基本无变化，过/欠压、过/欠频保护失败即进入检测盲区NDZ (None Detection Zone)，形成孤岛。
.png)
图1光伏并网系统示意图
2 主动式孤岛检测方法分析比较
并网运行的光伏逆变器输出电流公式为：
.png)
（8）
可见，可以通过对幅值、频率和相位引入扰动信号，分别产生电压、频率和相位偏移，从而实现主动式孤岛检测。
本文将主动式检测分为两大类，分别是基于电压偏移原理、基于频率偏移原理和基于相位偏移原理，下面分别对每类检测方法进行介绍。
2.1 基于频率偏移原理的检测方法
2.1.1主动频率偏移法( Active Frequency Drift，AFD)
.png)
图2 AFD法原理示意图
主动频率偏移法（AFD）法通过向Iinv注入微小扰动，使得电网断开时upcc频率偏移从而检测孤岛。AFD方案如图2所示，通过给并网电流加入一个死区时间Tz；来改变波形。AFD斩波因数定义为：
.png)
（9）
式中Tz为死区时间；TU为电网电压周期。
稳态下逆变器输出电流和相位的参考值为：
.png)
（10）
并网时，逆变器电流与PCC处电压同频同向，孤岛产生后，PCC处电压频率将会波动，直到产生新的平衡，稳态频率使负载相角满足：
.png)
（11）
式（11）为相角判据，一旦满足，系统就不再调整Ｌ的频率，若在调整过程中，频率超过设定的阈值，则检测出孤岛。优点是易于实现，NDZ较小；缺点是引入畸变电流会造成谐波污染，影响电能质量。 通过注入周期性无功电流扰动迫使PCC电压频率出现周期性波动，釆用滑模离散傅里叶变换提取频率波动特征分量来进行孤岛判别，其基本原理为：负载有功电流iLd，无功电流iLq与PCC电压upcc关系式为：
.png)
（12）
因DG通常运行在单位功率因数，则iLq与fpcc的关系可近似线性化为：
.png)
（13）
.png)
（14）
将式（14）代入式（13），得：
.png)
（15）
由式（15）可知，当有功电流恒定时，PCC节点电压频率与无功电流成线性关系，周期性波动的无功电流会引起周期性频率变化。
结果表明此方法优点：只需对原逆变器的电流参考波形加入畸变，实现容易；效率较高且NDZ小；对纯阻性负载，无NDZ。
同时也存在明显的缺点：电流波形的畸变会造成系统供电的不稳定以及输出功率因数降低，降低电能质量。减小Δf可减小电流THD，但会增大NDZ；对非阻性负荷，存在NDZ；在多逆变器并网时，若频率偏移方向不一致，输出会相互抵消，降低检测效率。[2]
2.1.2正反馈主动频率偏移法（AFDPF）
正反馈主动频率偏移法（AFDPF）是对AFD法的改进，对并网逆变器的输出电压频率运用了正反馈，加速了频率偏离正常值。
该算法公式为
.png)
（16）
.png)
当电网断开时，由于正反馈的作用，频率偏差.png)
会进一步变化，cf也随之变化，最终导致逆变器的输出电压频率超出正常的范围，检测出孤岛。优点是在相同的频率偏移下，NDZ比AFD小；缺点是扰动信号均按一个方向，负载性质不同可能导致频率的变化方向与扰动方向相反，而制约孤岛的检测。图3为频率扰动法的实验结果，通过施加频率扰动，使upcc产生波动，使其超出频率正常值从而检测出孤岛。文献[3]提出在偶周期采用与AFDPF一样方法进行扰动，奇周期不进行扰动，这有利于减小频率对输出电能质量的影响。
.png)
图3 AFD实验电压电流波形图
此法优点：比AFD性能高很多，不仅能加速频率的偏移，而且在频率变化为负值时可减小频率偏移，在相同频率偏移下，NDZ更小；当多逆变器时，各逆变器间的影响较小，即使存在频率检测误差，也能准确检出孤岛。
此法缺点：输出电能质量的轻微下降，且与弱电网相连时会影响系统的暂态响应；没有完全消除NDZ，对于L小、C大的负载，存在较小的NDZ。
2.2基于相位偏移原理
2.2.1滑动频率偏移法
.png)
图4 滑动频率偏移法原理示意图
以光伏逆变器输出单位功率因数的情况为例，如图4所示：不加SMS算法时，逆变器输出电流与公共点电压upcc同频同相；加入SMS孤岛检测算法后，逆变器输出电流的频率不变，但相位发生偏移，偏移大小由SMS算法决定。逆变器的电流给定是这样确定的：由锁相环（PLL）检测电压upcc的过零上升沿间隔时间，得到公共点（PCC）频率，作为下一周期光伏逆变器输出电流给定i pv*的频率；下一周期i pv*的起始时刻由公共点电压的过零上升沿确定，起始相位θSMS由SMS算法计算得出，通常取式：
.png)
（17）
其中，θm为滑动频率偏移算法的最大相移；fm为产生最大相移时对应的频率；fg为电网频率；f为公共点频率。
逆变器电流控制的等效模型如图5所示，由图可知，电流 ipv与电压upcc的相位差受SMS算法和RLC负载相位角的影响，当θSMS+∠G(jω)＞0 时，PLL检测到的电压周期将变短，导致下一周期电流给定频率增大；当θSMS+∠G(jω)＜0 时，PLL检测到的电压周期将变长，会降低下一周期给定电流的频率。因此，要使电网断开后公共点频率持续单向变化，必须满足式：
.png)
（18）
如果上述关系成立，公共点电压相位就会始终超前（落后）于电流相位，使得频率被单向推高（或降低），最后超出正常范围，判别出孤岛。
.png)
图5 PV系统的等效模型
此法优点：只需在原逆变器的PLL基础上稍加改动，较易实现；检测效率很高，NDZ很小；检测效率不受多逆变器并联的影响。
此法缺点：由于修正逆变器输出电流的相位，会影响输出电能质量，在设计时要折中考虑检测效率和输出电能质量；此法建立在外部扰动的基础上，孤岛发生后DG系统所需的断开时间无法预测；对阻性负载以及大多数的负载均有效，但是若负荷曲线的倾斜幅度大于SMS曲线，则可能在OFR/UFR的动作区内有稳定运行点，导致孤岛漏检。
2.2.2自动相位偏移法
自动相位偏移法（APS）是对SMS法改进，它利用正反馈检测孤岛的发生，在电网故障时使逆变器频率变化而触发保护动作。APS引入的参考电压相移为：
.png)
（19）
式中：ａ为偏移因子；θ0(k)为附加相位偏移。
孤岛发生时，若稳态频率有一个微小的增加，则 会有一个相角增量 ，这将打破系统原本平衡从而检测出孤岛。其优点是设置了初始相位偏移角，使得能在断网瞬间触发频率偏移；缺点是很难确保每个稳定运行点都在OUF之外，使得APS响应较慢，在某些负载下可能会失效。图6为相位扰动法的实验结果，结果表明当分布式电源与负载功率不匹配时，相位扰动检测能很快检测出孤岛。自适应逻辑APS不适用于容性负载，故提出新算法，移相角公式为：.png)
。该算法较简单，只要反馈系数k取得合理，可最大限度减小一种扰动引起的电流畸变，但难点是反馈系数的选取。
.png)
图6 SMS法电压电流波形图
3 孤岛检测方法的研究进展和方向
随着分布式光伏发电越来越广泛的应用，对孤岛检测的研究也越来越受到电网方面的重视。目前，孤岛检测的研究主要集中在孤岛检测方法的研究、孤岛检测有效性评估以及孤岛效应的利用方面。近年来，欧美、德国和日本等国家针对逆变器分布式发电并网系统的孤岛检测方法做了大量的研究，提出的方案均有一定的成效，对后面研究孤岛检测提供了原理上的启示[4]。
在现有的孤岛检测方法中，考虑到孤岛检测系统的可靠性和经济性，主动式孤岛检测法占据了主流。主动式孤岛检测法是为了减小孤岛检测盲区的范围，控制逆变器向系统注入周期性的扰动，然后通过检测注入的扰动造成的影响来判断孤岛的产生，这些扰动一般都是以快速破坏孤岛运行条件为代价的。当系统孤岛运行时，盲区内的孤岛运行的电能质量和电能供应是满足用户和负载需求的。当微网概念提出后，要充分利用孤岛效应，鼓励分布式电源在主电网出现故障时，系统应该继续为用户供电，以减小停电面积，位于检测盲区内的孤岛运行条件是不应该被破坏的，否则会影响电能质量。而目前大多数的主动式检测方法对于微网的孤岛检测都会或多或少地影响电能质量，如何减小或消除孤岛检测中的检测盲区和扰动对电能质量的影响将是主动式孤岛检测研究的重点方向。对现有的孤岛检测方法进行改进，使扰动信号对电能质量的影响程度降到最低。文献[5]针对主动频率偏移法造成电网电能质量过低的问题，对原有算法进行改进，得到了一种对电能质量影响较小的算法，该算法的主要思想是尽可能地减小并网时孤岛检测算法中的截断系数。文献[6]提出了一种间歇性频率扰动正反馈孤岛检测的方法，该方法不仅消除了检测盲区，而且将扰动对电能质量的影响降到了最低，该方法的主要思想是每隔5个工频周期引入一个微小频率扰动，该频率扰动用以打破孤岛后的功率匹配状态。
4 结束语
孤岛效应检测是分布式发电系统并网时必须具备的功能。本文综述了分布式发电系统中主动式孤岛检测的常用主要方法，并根据孤岛效应的产生机理进行了分类。文中详细地分析了频率扰动、相位扰动法的基本原理，并比较了各种方法的优缺点。本文对孤岛效应方法的选择有一定参考指导价值。
参考文献:
[1]伍文城，吴安平，黎岚．特高压直流换流站接入系统设计[J]．继电器，2008，36(10)：65-73．
[2]袁玲，郑建勇，张先飞．光伏发电并网系统孤岛检测方法的分析与改进[J]．电力系统自动化，2007，31 (21)：72-75．
[3]周党生，谢磊，盛小军．具有谐波输出功能的大容量电网扰动发生装置[J]．电力电子技术，2014，48(5)：1-3．
[4]邓中原．分布式发电孤岛检测方法研究[D]．天津：天津大学硕士学位论文，2010.
[5]邓燕妮，桂卫华．一种低畸变的主动移频式孤岛检测算法[J]．电工技术学报，2009，24(4)：219-223．
[6]伞国成，赵清林，郭小强，等．光伏并网逆变器的间歇性频率扰动正反馈孤岛检测方法[J]．电网技术，2009，33(11) : 83-86．
论文作者:陈靓
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/9
标签：孤岛论文; 频率论文; 逆变器论文; 电网论文; 相位论文; 电压论文; 电能论文; 《电力设备》2019年第19期论文;