主動移頻式孤島檢測法

主動移頻式孤島檢測法是一種主動式孤島檢測方法。由於分散式發電系統的孤島效應會造成多種有害影響，基於併網逆變器的分散式發電系統要求具備孤島檢測功能主動移頻式孤島檢測法是常用的檢測孤島的方法。該方法檢測精度主動移頻式孤島檢測法主要包括主動頻率偏移法(Active Frequency Drift AFD), Sandia頻率偏移法(Sandia Frequency Shift SFS)和滑模頻率偏移法(Slip-mode Frequency Shift SMS)等。

基本介紹

• 中文名：主動移頻式孤島檢測法
• 外文名：Active move frequency island detection method
• 類型：電網控制技術
• 優點：無檢測盲區
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

由於孤島效應會對分散式發電系統造成多種有害影響，所以孤島檢測是併網逆變器必須具備的功能。分散式發電系統孤島檢測方法主要分為被動式與主動式兩類。被動式閾值難確定，且有較大檢測盲區(Non-Detection Zone NDZ)。主動法彌補了被動法的缺點，尤其是基於頻率或相位擾動的主動移頻式孤島檢測法因操作簡單、檢測言區小而得到廣泛套用。在單逆變器組成的分散式發電系統中，該法能可靠檢測出孤島，但在多逆變器並聯分散式系統中，各逆變器產生的擾動相互抵消，即所謂的稀釋效應，使孤島檢測失敗。關於主動移頻式孤島檢測法在多逆變器並聯繫統中的檢測效果，已有相關文獻進行了研究。分析了多逆變器並聯繫統中主動移頻式孤島檢測法的性能，但並沒有涉及稀釋效應的問題。雖然指出系統中各逆變器產生的擾動相互抵消，有可能使孤島檢測失效，但並未就稀釋效應問題展開研究。

主動移頻式孤島檢測法分類

孤島效應是指當電網由於電氣故障、誤操作等原因導致供電中斷時，併網發電系統未能檢測出停電狀態並脫離電網，持續向電網供電，使併網發電系統和周圍的負載組成了一個無法掌握的自給供電孤島。由於孤島效應會威脅到設備及人身安全，因此準確、及時地檢測出孤島效應是光伏併網發電系統設計中的一個關鍵性問題。

孤島效應檢測方法有被動式和主動式兩種。被動式利用電網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。該方法在光伏系統輸出功率與局部負載功率平衡時將失去孤島效應檢測能力;主動式是指通過控制逆變器，使其輸出功率、頻率或相位存在一定的擾動。電網正常工作時，由於電網的平衡作用，檢測不到這些擾動，一旦電網出現故障，逆變器輸出的擾動將快速累積並超出允許範圍，從而觸發孤島效應檢測電路。有源頻率偏移在主動檢測法中套用較多。該方法檢測精度主動移頻式孤島檢測法主要包括主動頻率偏移法(Active Frequency Drift AFD), Sandia頻率偏移法(Sandia Frequency Shift SFS)和滑模頻率偏移法(Slip-mode Frequency Shift SMS)等。

主動頻率偏移法(AFD法)

AFD法的原理是通過併網逆變器向電網注入波形不變、頻率略微變化的電流，使電網斷開後，公共耦合點電壓的頻率被強迫向上或向下偏移直至超過設定值而檢測出孤島。以向上頻移為例，控制逆變器輸出電流為畸變的斬波波形，如圖1所示。

孤島發生後，光伏逆變器輸出電流可以看作源電流，PCC點的電壓回響將跟隨失真的電流波形，以比純正弦激勵的回響更短的時問到達上升過零點，這也就意味著後一個周期電壓回響的頻率總是比前一個周期電壓回響的頻率有所提高。這種過程一直持續到頻率偏移足夠大從而觸發過頻保護，實現了孤島檢測功能。

圖1

與被動式反孤島策略相比，AFD法具有更小的NDZ，但畸變的電流降低了併網逆變器輸出電能的質量，並且不連續的電流波形還可能導致射頻干擾。在多逆變器並聯的光伏系統中，若採用AFD法進行孤島檢測，必須統一不同併網逆變器的頻率偏移方向，否則會因稀釋效應導致孤島檢測失效。另外，光伏系統所接本地負載是阻性或感性負載時，檢測言區較小;當本地負載呈容性時，因負載電壓滯後於負載電流，對PCC點電壓的頻率具有向下偏移的作用，與AFD法向上偏移電壓頻率的作用相互抵消，有可能因此檢測不出孤島，所以檢測言區較大。

Sandia頻率偏移法(SFS法)

針對AFD法NDZ仍較大的缺點，美國Sandia實驗室首先提出帶正反饋AFD法，即Sandia頻率偏移法[7]。促使頻率偏移的正反饋項，頻率偏差越大，正反饋越強。在併網運行的情況下，電網的穩定性能夠阻止頻率的變化;當孤島發生時，由於引入正反饋機制，加速了頻率偏移，從而提高了孤島檢測速度，減小了檢測言區。SFS法的關鍵是選擇合適的正反饋增益K,使在維持系統穩定的前提下，頻率偏移的速度加快。

SFS法優點是比AFD法的孤島檢測性能高很多，不僅頻率的偏移的速度加快，而且在頻率變化為負值時可使頻率偏移減小，所以在相同頻率偏移下，NDZ更小。另外，在多逆變器並聯運行條件下，各逆變器問的影響比AFD法小。

SFS法缺點與AFD法一樣，負載的性質對頻率的偏移有影響，可能會減緩甚至抵消頻率的變化，從而降低了SFS法孤島檢測的性能。

滑模頻率偏移法(SMS法)

SMS法與SFS法都通過引入正反饋來提高孤島檢測效率並減小檢測言區，SMS法與SFS法的區別是對逆變器輸出電流的相位而不是頻率進行擾動，控制逆變器的輸出電流相位為頻率偏差函式式中:/m是對應於最大相移角Vm的工作頻率;f與左分別為PCC點電壓頻率與電網電壓額定頻率。

併網運行時，系統的頻率被鎖定為電網電壓頻率;當斷網時，如果負載相位的變化小於逆變器輸出電流相位的變化。

圖2

則圖2中負載相位曲線的斜率小於逆變器輸出電流相位角VSM、曲線的斜率，這將使PCC點電壓的頻率從g處發生偏移(上移還是下移取決於本地負載的性質)。頻率偏差越大，VSMS就越大，這種正反饋機制會使相位進一步發生變化，使電壓頻率到達新的穩定工作點。只要新的穩定工作點頻率超出OFR/UFR保護的闌值範圍，就可檢測出孤島。

SMS法優點是檢測效率很高，NDZ很小;檢測效率不受多逆變器並聯的影響。SMS法缺點是由於需要修正逆變器輸出電流的相位，會影響輸出電能質量;當負荷曲線的傾斜幅度大於SMS曲線，則可能在過/欠頻的動作區內有穩定運行點，導致孤島檢測失敗。

總結

由於分散式發電系統的孤島效應會造成多種有害影響，基於併網逆變器的分散式發電系統要求具備孤島檢測功能主動移頻式孤島檢測法是常用的檢測孤島的方法介紹了幾種主動移頻式孤島檢測法的工作原理及其在多逆變器並聯運行條件下的孤島檢測性能分析了主動移頻式孤島檢測法產生稀釋效應的機理並進行了仿真驗證仿真的結果表明，Sandia頻率偏移法在多逆變器並聯運行時可能會因為稀釋效應導致孤島檢測失敗，而滑模頻率偏移法受稀釋效應的影響不大。