光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中孤島檢測新方法探討

王猛 李夢達

摘要：對目前光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中主流的本地孤島檢測法相關(guān)原理進行了介紹，總結(jié)了主動式和被動式檢測法的優(yōu)缺點，在此基礎(chǔ)上提出了混合式檢測法。在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)該基于實際的工況，合理選擇至少一種方法用于孤島檢測，其中將主、被動兩種或以上不同原理的方法按照一定方法組合使用，檢出率更高，對電網(wǎng)擾動更小。

Abstract： The relevant principles of local island detection in the current photovoltaic grid-connected system are introduced. The advantages and disadvantages of active and passive detection methods are summarized. On this basis， a hybrid detection method is proposed.In practical engineering applications， at least one method should be reasonably selected for island detection based on actual working conditions， in which two or more methods with different principles of active and passive should be combined in accordance with certain methods to achieve higher detection rate and less disturbance to power grid.

關(guān)鍵詞：孤島檢測;光伏并網(wǎng)系統(tǒng);逆變器;檢測盲區(qū)

Key words： island detection;photovoltaic grid-connected system;inverter;detection blind area

中圖分類號：TM712???????????????????????????????????? 文獻標(biāo)識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1006-4311（2020）28-0219-02

0? 引言

隨著分布式發(fā)電技術(shù)（Distributed Generation）的不斷發(fā)展，其在電網(wǎng)中所占比例也在不斷提高。孤島現(xiàn)象是指當(dāng)電網(wǎng)斷開時，DG系統(tǒng)繼續(xù)向負載供電形成了自給供電的孤島。非計劃孤島會給電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來一系列嚴(yán)重的問題，因此如何在DG系統(tǒng)中將孤島識別出來成為了關(guān)鍵。

孤島檢測的主流方法根據(jù)其是否向電網(wǎng)中注入擾動可以分為主動式檢測法和被動式檢測法兩大類。這兩種方法各有優(yōu)缺點，本文在分析其原理的基礎(chǔ)上，總結(jié)了該方法在近年來的一些新進展，以供參考。

1? 孤島檢測方法

目前本地孤島檢測方法主要有主動式、被動式和混合式三大類，其中混合式檢測法主要是由主動式和被動式至少各一種組合而成。

1.1 主動式檢測法

主動式檢測法主要通過向逆變器中注入電流、頻率、相位等擾動，當(dāng)電網(wǎng)斷開時，由于擾動持續(xù)注入，PCC點電壓、頻率持續(xù)偏移直至超出閾值被檢測出來。下面是當(dāng)前在工程中應(yīng)用最為廣泛的兩類主動檢測法：

1.1.1 阻抗測量法

它通過測量電流幅值變動后PCC點電壓與逆變器輸出電流變化量的比值（即dUa/dI）來判斷孤島發(fā)生：首先通過逆變器向電網(wǎng)中注入擾動電流，正常運行時，由于電網(wǎng)阻抗很小，由此產(chǎn)生的電壓改變也很小;一旦電網(wǎng)斷開，負載阻抗較大，則Ua會發(fā)生明顯的變化，在超出閾值后觸發(fā)過壓保護。

其優(yōu)點是檢測盲區(qū)（Non-detection Zone，NDZ）較小，檢測量在并網(wǎng)前后相差大。缺點是多逆變器并聯(lián)時，由于稀釋效應(yīng)，NDZ增大。

文獻[1]通過在分布式光伏并網(wǎng)點接入信號發(fā)生裝置來判斷系統(tǒng)阻抗的變化進行孤島檢測。引入的高頻小電壓信號來主動判斷系統(tǒng)阻抗變化，無檢測盲區(qū);并且在時頻上將此信號隔離，不對原有工頻網(wǎng)絡(luò)造成影響。文獻[2]在電流參考相位中加入一個幅值很小的二倍頻擾動信號來測量網(wǎng)側(cè)阻抗，可用于多臺逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的檢測。

這里值得一提的是近年來有學(xué)者將阻抗法進行改進，由于并網(wǎng)點的阻抗變化是在瞬間完成的，而PCC點電壓、頻率和逆變器輸出電流等電氣量的變化則需要一定時間，因此能夠通過并網(wǎng)點等值阻抗變化來快速準(zhǔn)確地推算出孤島。文獻[3]利用突變量求取并網(wǎng)點等值阻抗，并且針對電網(wǎng)與新能源系統(tǒng)單線連接時發(fā)生三相短路故障會與孤島下突變量相似的情況，采用測量并網(wǎng)點電流有效值的方式來對兩種工況進行區(qū)分。

1.1.2 頻率、相位偏移法

通過逆變器向PCC點注入頻率、相位擾動。當(dāng)電網(wǎng)正常時，在電網(wǎng)電壓鉗制下，PCC點頻率、電壓相位不發(fā)生變化;電網(wǎng)斷開后，由于逆變器不斷注入擾動，頻率、電壓相位會發(fā)生偏移，直到超出閾值觸發(fā)保護，逆變器斷開。

該方法的優(yōu)點是能夠快速檢測出孤島，對純阻性負載無NDZ，且方法易于實現(xiàn)，檢出率高。缺點是對電能質(zhì)量造成一定影響，對非純阻性負載會存在NDZ，多逆變器場合可能會由于負載性質(zhì)相反導(dǎo)致注入的擾動方向相反，相互抵消。

文獻[4]針對不同性質(zhì)的負載擾動建立了擾動方程來判斷負載性質(zhì)，并以PCC點頻率變化及頻率變化率為輸入量對正反饋系數(shù)k進行模糊優(yōu)化，使其能夠自適應(yīng)地變化。文獻[5]針對下垂控制策略提出一種基于p-f有功功率環(huán)相位簇擾動的孤島檢測方法，根據(jù)Goertzel算法提取各次諧波幅值進行孤島檢測。

1.2 被動式檢測法

被動式檢測法主要通過檢測孤島前后變化顯著的電氣量來判斷電網(wǎng)狀態(tài)。傳統(tǒng)的被動式檢測以過/欠壓、過/欠頻為主。雖然不需要對電網(wǎng)注入擾動，但由于這種方法的閾值難以確定：過大會導(dǎo)致漏檢，過小又會導(dǎo)致誤判。因此，近年來被動檢測法研究熱點聚焦到了數(shù)據(jù)挖掘分析和智能算法在該領(lǐng)域的應(yīng)用。

被動式檢測法不會對電能質(zhì)量產(chǎn)生干擾，但存在NDZ，且在某些工況下可能會由于要檢測的特征量發(fā)生變化產(chǎn)生誤判。

文獻[6]用PCC點電壓、頻率、電壓與電流相位差、電流諧波失真參數(shù)定義了4項指標(biāo)，使用決策樹分類器進行邏輯判斷分類，檢測盲區(qū)較小，能適應(yīng)復(fù)雜多系統(tǒng)需要。

文獻[7]采用S變換和SVD來對電網(wǎng)中的3-15奇數(shù)次諧波分解得到特征向量，將特征向量進行訓(xùn)練得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。考慮了功率匹配、電能質(zhì)量擾動、電容器投切等多種工況下的孤島和偽孤島。

文獻[8]通過對PCC點處電壓進行快速傅里葉變換提取出發(fā)生孤島時特定的諧波序分量信號。

文獻[9]提出由關(guān)鍵特征識別、基學(xué)習(xí)器和元學(xué)習(xí)器三個環(huán)節(jié)構(gòu)成數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)。利用RELIEF算法識別孤島檢測的關(guān)鍵特征。

1.3 混合式檢測法

混合式檢測法通常包含至少一種被動式檢測法和一種主動式檢測法。由于主動式檢測法會對電網(wǎng)造成擾動，被動式檢測法存在檢測盲區(qū)，因此混合式檢測法通常能夠根據(jù)不同工況對檢測方法進行選擇：在多數(shù)被動式檢測法能夠檢出孤島的工況下，僅使用被動式檢測法以防止逆變器注入擾動對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成影響;在少數(shù)特定情況下被動式檢測法可能會出現(xiàn)漏檢或者誤判，因此采用主動式檢測法對電網(wǎng)狀態(tài)進行檢測。

由于混合式檢測法對電網(wǎng)造成的擾動減小且不存在檢測盲區(qū)，根據(jù)GB/T 20046-2006相關(guān)規(guī)定，在光伏系統(tǒng)并網(wǎng)時至少應(yīng)采用一種主動式和被動式檢測法以保證供電的安全可靠性。由上述分析可知，混合式檢測法需要至少一種主動、被動式檢測法進行組合，采用何種方式將至少兩種孤島檢測方式進行有效地結(jié)合是該方法能夠成功應(yīng)用于工程中的關(guān)鍵。

文獻[10]分別采集電網(wǎng)側(cè)流向負載及逆變器側(cè)流向負載的幾個電參量結(jié)合判定公式進行計算和預(yù)評估。被動式檢測法采用過/欠頻檢測，并在（Qf，f）坐標(biāo)系下推導(dǎo)出了在Qf=2.5極端條件下的檢測盲區(qū)，在此檢測盲區(qū)內(nèi)使用主動頻移式檢測法。

文獻[11]針對負載消耗的有功功率和逆變器輸出的有功功率匹配度高時，過/欠頻法檢測盲區(qū)較大問題，通過計算逆變輸出的有功功率、負載消耗的有功功率和無功功率是否匹配來決定采用何種方法進行檢測。

文獻[12]將主動移相法進行改進，改進了鎖相環(huán)相位信號輸出公式，當(dāng)脫網(wǎng)時，如果負載消耗與逆變器輸出功率不匹配，此時相位會不斷加速偏移，頻率f也會隨之而改變。并提出了一種基于分頻器的三相鎖相環(huán)過/欠壓保護法，通過監(jiān)測鑒相器uq的跳變情況，即可檢測出孤島效應(yīng)的電壓相位跳變保護。

文獻[13]結(jié)合頻率檢測、電壓相位檢測和可控短路阻抗檢測三種主動檢測法和過/欠壓、過/欠頻檢測法兩種被動式檢測法各自特點，以頻率檢測和相位突變組合為主要檢測手段，對于內(nèi)部阻抗接近阻性且內(nèi)部功率基本平衡的情況，采用可控短路阻抗檢測作為輔助檢測。

2? 孤島檢測方法的趨勢

以上三類方法各有優(yōu)缺點，在實際的工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實際情況選擇合適方法進行孤島檢測，除了可靠性，還應(yīng)考慮經(jīng)濟性和實用性等。

由于當(dāng)前孤島檢測技術(shù)還不成熟，在未來的研究中在以下幾個方面是主要趨勢：①當(dāng)前大多數(shù)的方法理論都是建立在單機逆變器的基礎(chǔ)上，而實際工程中，可能會面臨多機組合并網(wǎng)，在多機并網(wǎng)時，考慮稀釋效應(yīng)，很多方法的NDZ都會增大，因此，要如何確保多機并網(wǎng)不受影響。②當(dāng)前主要研究對象是單相并網(wǎng)孤島檢測，三相并網(wǎng)孤島檢測的仿真建模及實驗分析在后續(xù)需要針對性研究。③如何將主、被動檢測法進行有效地組合來識別孤島也是未來研究的一個方向。④孤島檢測目前僅局限于理論研究階段，試驗場地和設(shè)備的匱乏也限制這項技術(shù)的應(yīng)用，接下來的研究可以將已有的理論用實驗進行驗證和分析。

3? 結(jié)論

本文地對當(dāng)前主流的檢測法進行綜述性分析，并說明了其基本原理和優(yōu)缺點，對近年來學(xué)者研究成果進行了探討，最后，對未來的趨勢和研究方向進行總結(jié)，對于今后孤島檢測方法的選擇判斷具有一定參考價值。

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基金項目：黑龍江省自然科學(xué)基金項目資助（59820485）。

作者簡介：王猛（1994-），男，山東棗莊人，碩士研究生，研究方向為光伏并網(wǎng)發(fā)電。