邓 广 杜之正

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0 引言

孤岛现象（islanding）也称孤岛效应，是光伏发电并网系统中较为常见的一种现象，由于电网故障或者其他原因发电系统向本地负载供电中断，但是发电系统依然正常工作，这样发电系统就与周围负载构成了自己自足的孤岛现象［1］。在电力系统中普遍存在着由于线路设备检修或者突发状况导致停止向负载供电的状况，因此在光伏并网发电系统中孤岛效应的产生和检测是我们必须要考虑的，也是要克服的技术难题［2］。

1 孤岛效应检测概述

如图1所示为并网发电系统孤岛检测结构框图［3］，图中标示了光伏系统在发生孤岛效应和正常工作时的功率流向。图中P为并网逆变器输出的有功功率；Q为光伏并网逆变器输出的无功功率；ΔP为逆变器向电网提供的有功功率；ΔQ为逆变器向电网提供的无功功率；Ui为逆变器输出电压；Ug为电网电压；Pload为负载上消耗有功功率；Qload为负载上消耗无功功率；PCC为电网端与客户端的公共耦合点。

图1 并网发电系统孤岛检测结构框图

根据并网发电系统孤岛检测结构框图来分析研究电网侧断路器打开和关闭的情况：

1）当断路器开关闭合时，光伏并网系统处于正常工作状态，本地负载和电网都与并网逆变器的输出相连［4］。此时逆变器输出的有功功率小于本地负载时，不足的部分由电网来补充；逆变器输出的有功功率大于本地负载所需的时候，超出的部分反馈送给电网。

2）当断路器开关S断开时，光伏发电系统与电网断开，这样使得光伏并网系统将工作于孤岛状态，逆变器输出功率将全部供给本地负载，因为断路器开关断开前和断开后光伏并网逆变器输出的有功功率和光伏并网逆变器输出的无功功率Q基本不变，由此可得［4-5］：

式中的ωi为逆变器输出电压的角频率。

由（1）和（2）式可得：

式中的Qc为谐振电容C的无功功率，其中Qc=我们知道负载L和C会发生谐振，就导致了并网逆变器将在谐振的状态下工作，其中谐振角频率满足

通过式（3）和式（4）可得：

可见当并网逆变器工作在孤岛状态时，逆变器输出有功和无功功率的大小会受到输出电压和频率的影响。因此，孤岛效应的检测可以通过检测逆变器输出电压和频率的变化来实现。但是在电网端与客户端的公共耦合点PCC处状态不变的情况下，无法检测到孤岛是否发生。因此，我们需要寻求更为高效和先进的的孤岛检测方法。

2 常用孤岛检测方法

目前常用的孤岛效应检测方法分为被动检测法和主动检测法两种。其中常用的被动检测方法包括相位检测法、电压频率检测法和谐波检测方法等，常用的主动检测方法包括功率扰动法、相位扰动法、频率偏移法［6］。光伏并网系统公共耦合点的相位、频率等信息通过锁相环获取，逆变系统输出电流的参考信号通过孤岛检测法获取，然后实时的对PCC点的频率、电压等信息进行检测，观察这些信息是否超出正常范围，据此来判断孤岛效应是否发生。

2.1 AFD法的原理分析

主动频率偏移法（AFD）是孤岛效应检测中较为常用的一种主动检测方式。如下图2所示为AFD检测方法的基本原理图［6］。

图2 AFD法原理图

图2中为公共耦合点电压波形周期，T1为逆变器输出电流参考波形的周期；加入扰动后的畸变时间由T2表示。

由AFD法原理图可知系统输出的电流量在T1／2时刻内保持正弦不变到零值，并且保持零值持续T2时刻，而且电网电压有着不同的频率值；后半周期，系统输出电流是前半周期正弦波形的后半部分，且系统电流达到过零点后，零值保持到电压波形达到零值［6-7］。由于在这样一个周期的过程中出现了T2的电流零值时刻，参考傅里叶分解，出现一个相移。反复如此，系统的频率会增加到一定的值。我们知道电网在正常工作状态下，并网电流在扰动下只会有微小的频率偏移，频率的改变不会持续的进行；若光伏并网发电系统中孤岛效应时，频率量将会持续偏移，这样频率保护电路就能检测到频率的偏移，从而判断产生了孤岛效应。

2.2 AFD仿真研究

在Matlab软件仿真工具Simlink建立孤岛检测系统的仿真模型，如图3所示。其中，断路器（Breaker）由Step来控制在某一时刻由初始值1，变为最终值0，以此来模拟光伏发电系统断开电网的情况；Islanding＿detection为孤岛检测算法模块，其内部模型如图4所示，逆变器输出电流和公共耦合点电压是模块的输入、模块的输出是H桥的驱动信号［7］。

图3 AFD仿真模型

图4 孤岛检测算法模块内部模型

图5 公共耦合点PCC电压、逆变器输出的并网电流仿真图

我们设置断路器Breaker在0.3s时刻与电网断开，可得到如图5所示的公共耦合点电压与逆变器输出的并网电流仿真图。

图5可知：在经过约0.65s时，点电压和逆变器输出的电流基本消失均变为零。对图5局部放大得到图6。

图6 对图5的局部放大

由图6可以明显地看出逆变器输出的并网电流比公共耦合点PCC电压提前达到零点，即存在截断时间tz，这一现象符合AFD算法的基本情况［8］。 仿真结果表明采用AFD方法检测孤岛效应，在响应时间方面基本满足孤岛效应检测的要求，在实际工程系统中AFD检测方法可以利用。

2.3 基于周期扰动法的AFDPF检测算法

检测孤岛效应时AFD检测方法在具体的实践操作中还需要考虑负载的性质对公共耦合点PCC电压频率的影响。AFD方法也存在着一定的缺陷，加入了主动扰动，AFD方法难以克服，使并网质量下降。为了最大程度地减少扰动所带来的检测误差，本文提出了AFDPF检测方法对逆变器输出电流施加周期性不间、正反两方向的频率扰动（即cf＞0、cf＜0），并且要设置中间过渡阶段（即cf=0）［9］。

基于周期扰动的AFDPF检测算法在检测过程中选取基准信号Δf较大的扰动信号cf，然后对cf进行正反馈操作，即cf=cf0+kΔf。假设在感性负载的情况下即｜Δf2｜＜｜Δf1｜， 观察PCC点电压频率是否在规定的正常范围内，此时的异常响应时间设定为3个周波，如果在正常范围之外，则说明发生了孤岛效应；若在3个周波判断后，仍然在正常范围内，未检测出孤岛效应，则认为发生误判断。此时，令扰动信号Δf1=0，以此判断此时是否为阻性负载，再进行是否超出正常范围的判断，若超出了正常范围，则可认为发生了孤岛效应，若在以上2个周波仍未检测出孤岛效应，则令扰动信号Δf2=-Δf2进行反方向的扰动，同时进行3个周波的检测，与正向检测情况类似，当｜Δf2｜＞｜Δf1｜时，即容性负载，再判断PCC点电压频率是否超出正常范围，若超出正常范围则可以判断为发生了孤岛效应［10］。

利用Matlab软件仿真工具Simlink对基于周期扰动的AFDPF检测算法进行仿真研究，得到如图7所示的基于周期扰动的AFDPF检测算法仿真结果图［11］。

由仿真结果图7可知，在0.3s时断路器与电网断开，约在0.38s时公共耦合点电压变为零，约在0.46s时逆变器输出电流变为零，检测出孤岛效应共花费了0.16s。相比于上一节提到的与AFD算法，基于周期扰动的AFDPF检测算法检测时间明显缩短，体现了该算法的优越性。

图7 基于周期扰动的AFDPF检测算法仿真结果图

对图7基于周期扰动的AFDPF检测算法仿真结果图进行局部放大可得到如下所示图8［11］。

图8 对图7中一个检测周期的局部放大

由图8中可知：

在0～0.06s时间段含3个检测周波，逆变器输出电流频率低于公共耦合点电压频率；

在0.06～0.1s时间段含2个检测周波，扰动量保持为零，即此时逆变器输出的电流的频率和相位与公共耦合点电压的频率和相位相等；

在0.1～0.16s时间含三个检测周波，段逆变器输出电流频率高于公共耦合点电压频率。

由仿真结果可看出AFDPF检测方法不管是在检测时间还是检测精度方面都比AFD检测方法有更好的效果。

3 结论

本文阐述了光伏并网发电系统孤岛效应概述和孤岛效应检测的基本原理，分别提出了AFD检测法和AFDPF检测方法，并对这两种方法的实现做了详尽的分析，基于Matlab仿真软件分别对这两种方法做了检测孤岛效应的仿真研究，研究结果表明这两种方法都可完成孤岛效应的检测，为今后的理论研究和工程实践提供的相应的借鉴。

［1］赵争鸣，刘建政，孙晓瑛.太阳能光伏发电及其应用［M］.北京：科学出版社，2005.

［2］奚淡基.逆变器并网孤岛检测技术的研究［D］.杭州：浙江大学，2006.

［3］薛明雨.光伏并网发电系统之孤岛检测技术研究［D］.武汉：华中科技大学，2008.

［4］郑文英，王国强.光伏并网发电系统中的孤岛检测［J］.变频器世界， 2010，（11）：61－64.

［5］薛明雨.光伏并网发电系统之孤岛检测技术研究［D］.武汉：华中科技大学大学，2008.

［6］廖红伟，林永君.光伏发电系统孤岛的检测［J］.电力科学与工程，2010，26（11）：1－4.

［7］廖红伟.5kW光伏并网发电系统的设计及其控制系统的研究［D］.保定：华北电力大学，2011.

［8］胡雪峰，王璐，龚春英等.并网逆变器的补偿控制技术［J］.高电压技术，2010，36（12）：3084－3089.

［9］ T.F.Wu，C.－H.Chang， Y.－K.Chen.A Fuzzy Logic Controlled Single－Stage Concerter for PV Powered Lighting System Applications ［J］.IEEE Transactions，2000，47 （2）： 287－296.

［10］ Almerida，T.M，Piedade，M.S..High performance analog and digital PLL design ［C］.Circuits and Systems，1999.ISCAS 99.Proceedings of the 1999 IEEE International Symposium on Volume 4， May 30 1999－June 2 1999.1999： 394－397.

［11］孙知松.光伏并网发电系统Matlab仿真研究［D］.南昌：南昌航空航天大学，2012.