孤島檢測方法

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併網發電系統未能及時檢測出停電狀態而不能迅速將自身切離市電網路，而形成的一個由光伏併網發電系統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象。

基本介紹

• 中文名：孤島檢測方法
• 依據：孤島效應
• 提出：美國桑迪亞國家實驗室
• 所屬：電力公司的供電系統

前言

根據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設備及用戶端的設備造成不利的影響，包括：

1)危害電力維修人員的生命安全；

2)影響配電系統上的保護開關動作程式；

3)孤島區域所發生的供電電壓與頻率的不穩定性質會對用電設備帶來破壞；

4)當供電恢復時造成的電壓相位不同步將會產生浪涌電流，可能會引起再次跳閘或對光伏系統、負載和供電系統帶來損壞；

5)光伏併網發電系統因單相供電而造成系統三相負載的欠相供電問題。

由此可見，作為一個安全可靠的併網逆變裝置，必須能及時檢測出孤島效應並避免所帶來的危害。

檢測方法

孤島現象的檢測方法根據技術特點，可以分為三大類：被動檢測方法、主動檢測方法和開關狀態監測方法(基於通訊的方法)。

被動檢測方法

被動式方法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。但當光伏系統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域(Non-Detection Zone，簡稱NDZ)。併網逆變器的被動式反孤島方案不需要增加硬體電路，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範圍時，停止逆變器併網運行的一種檢測方法。逆變器工作時，電壓、頻率的工作範圍要合理設定，允許電網電壓和頻率的正常波動，一般對220V/50Hz電網，電壓和頻率的工作範圍分別為194V≤V≤242V、49.5Hz≤f≤50.5Hz。如果電壓或頻率偏移達到孤島檢測設定閥值，則可檢測到孤島發生。然而當逆變器所帶的本地負荷與其輸出功率接近於匹配時，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。這種方法的經濟性較好，但由於非檢測區較大，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)通過檢測併網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象的發生，這種方法依據工作分支電網功率變壓器的非線性原理。如圖4-2，發電系統併網工作時，其輸出電流諧波將通過公共耦合點a點流入電網。由於電網的網路阻抗很小，因此a點電壓的總諧波畸變率通常較低，一般此時Va的THD總是低於閾值(一般要求併網逆變器的THD小於額定電流的5%)。當電網斷開時，由於負載阻抗通常要比電網阻抗大得多，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生。但是在實際套用中，由於非線性負載等因素的存在，電網電壓的諧波很大，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）是通過檢測光伏併網逆變器的輸出電壓與電流的相位差變化來檢測孤島現象的發生。光伏併網發電系統併網運行時通常工作在單位功率因數模式，即光伏併網發電系統輸出電流電壓(電網電壓)同頻同相。當電網斷開後，出現了光伏併網發電系統單獨給負載供電的孤島現象，此時，a點電壓由輸出電流Io和負載阻抗Z所決定。由於鎖相環的作用，Io與a點電壓僅僅在過零點發生同步，在過零點之間，Io跟隨系統內部的參考電流而不會發生突變，因此，對於非阻性負載，a點電壓的相位將會發生突變，如圖4-3所示，從而可以採用相位突變檢測方法來判斷孤島現象是否發生。

相位突變檢測算法簡單，易於實現。但當負載阻抗角接近零時，即負載近似呈阻性，由於所設閥值的限制，該方法失效。被動檢測法一般實現起來比較簡單，然而當併網逆變器的輸出功率與局部電網負載的功率基本接近，導致局部電網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。

主動檢測方法

主動式孤島檢測方法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。該方法檢測精度高，非檢測區小，但是控制較複雜，且降低了逆變器輸出電能的質量。目前併網逆變器的反孤島策略都採用被動式檢測方案加上一種主動式檢測方案相結合。

1）頻率偏移檢測法(AFD)

頻率偏移檢測法(Active Frequency Drift,AFD)是目前一種常見的主動擾動檢測方法。採用主動式頻移方案使其併網逆變器輸出頻率略微失真的電流，以形成一個連續改變頻率的趨勢，最終導致輸出電壓和電流超過頻率保護的界限值，從而達到反孤島效應的目的。

2）滑模頻漂檢測法(SMS)

滑模頻率漂移檢測法（Slip-Mode Frequency Shift，SMS）是一種主動式孤島檢測方法。它控制逆變器的輸出電流，使其與公共點電壓間存在一定的相位差，以期在電網失壓後公共點的頻率偏離正常範圍而判別孤島。正常情況下，逆變器相角回響曲線設計在系統頻率附近範圍內，單位功率因數時逆變器相角比RLC負載增加的快。當逆變器與配電網並聯運行時，配電網通過提供固定的參考相角和頻率，使逆變器工作點穩定在工頻。當孤島形成後，如果逆變器輸出電壓頻率有微小波動逆變器相位回響曲線會使相位誤差增加，到達一個新的穩定狀態點。新狀態點的頻率必會超出OFR/UFR動作閥值，逆變器因頻率誤差而關閉。此檢測方法實際是通過移相達到移頻，與主動頻率偏移法AFD一樣有實現簡單、無需額外硬體、孤島檢測可靠性高等優點，也有類似的弱點，即隨著負載品質因數增加，孤島檢測失敗的可能性變大。

3）周期電流干擾檢測法（ACD）

周期電流擾動法（Alternate CurrentDisturbances，ACD）是一種主動式孤島檢測法。對於電流源控制型的逆變器來說,每隔一定周期, 減小光伏併網逆變器輸出電流, 則改變其輸出有功功率。當逆變器併網運行時, 其輸出電壓恆定為電網電壓；當電網斷電時, 逆變器輸出電壓由負載決定。每每到達電流擾動時刻,輸出電流幅值改變,則負載上電壓隨之變化,當電壓達到欠電壓範圍即可檢測到孤島發生。

4）頻率突變檢測法(FJ)

頻率突變檢測法是對AFD的修改，與阻抗測量法相類似。FJ檢測在輸出電流波形(不是每個周期)中加入死區，頻率按照預先設定的模式振動。例如，在第四個周期加入死區，正常情況下，逆變器電流引起頻率突變，但是電網阻止其波動。孤島形成後，FJ通過對頻率加入偏差，檢測逆變器輸出電壓頻率的振動模式是否符合預先設定的振動模式來檢測孤島現象是否發生。這種檢測方法的優點是：如果振動模式足夠成熟，使用單台逆變器工作時，FJ防止孤島現象的發生是有效的，但是在多台逆變器運行的情況下，如果頻率偏移方向不相同，會降低孤島檢測的效率和有效性。

其他方法

孤島效應檢測除了上述普遍採用的被動法和主動法，還有一些逆變器外部的檢測方法。如“網側阻抗插值法”，該方法是指電網出現故障時在電網負載側自動插入一個大的阻抗，使得網側的阻抗突然發生顯著變化，從而破壞系統功率平衡，造成電壓、頻率及相位的變化。

還有運用電網系統的故障信號進行控制。一旦電網出現故障，電網側自身的監控系統就向光伏發電系統發出控制信號，以便能夠及時切斷分散式能源系統與電網的並聯運行。