PAGE …….……………….…光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測研究裝訂線……………….…….………….………….………PAGEII目錄摘要 IAbstract II引言 11.緒論 21.1太陽能利用現狀 21.2太陽能光伏發(fā)電 31.3太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成器件 32.孤島檢測 42.1孤島效應的定義 42.2孤島效應特性分析 42.3現有的孤島檢測方法 63.主動移頻式孤島檢測法 83.1主動移頻式孤島檢測的原理 93.2主動移頻式孤島檢測的參數設計 93.3仿真實驗 104.結論 17參考文獻 18致謝………….…..19ContentsAbstract IIForeword 11.Introduction 21.1SolarEnergyUtilization 21.2SolarPV 31.3ComponentsofSolarPhotovoltaicPowerGenerationSystem 32.IslandDetection 42.1DefinitionofIslandEffect 42.2AnalysisofIslandEffectCharacteristics 42.3ExistingIslandDetectionMethods63.ActiveFrequencyShiftIslandDetectionMethod 83.1PrincipleofActiveFrequencyShiftIslandDetection 93.2ParameterDesignofActiveFrequencyShiftIslandDetection 93.3SimulationExperiment 104.Conclusions 17Reference 18Acknowledgement………..……………………...19光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測研究摘要當今社會的經濟發(fā)展越來越迅速，對于電能的需求量極為龐大，火力發(fā)電在目前仍然占據這主要的地位。而隨著能源危機的加劇以及環(huán)境污染的日益嚴重，新能源發(fā)電收到了越來越多的重視。太陽能作為一種綠色的、無污染的能源，主要的發(fā)電形式就是光伏發(fā)電。在將來，以太陽能作為能源的光伏發(fā)電將會成為重要的發(fā)電形式。然而，光伏發(fā)電并網系統(tǒng)中存在著孤島效應，會對電網、設備和人體造成傷害，需要對其進行專門的檢測和防護。在光伏發(fā)電并網系統(tǒng)中，孤島效應是指在電網突然失壓時，系統(tǒng)仍保持對鄰近線路供電狀態(tài)的一種效應。本文主要分析研究了孤島效應發(fā)生的原理，介紹幾種孤島檢測的方法，主要是主動式和被動式孤島檢測方法。并選取一種檢測方法通過MATLAB/Simulink進行仿真實驗。關鍵詞：光伏發(fā)電并網系統(tǒng)孤島檢測MATLAB/SimulinkResearchonIslandingDetection

ofGridConnectedPhotovoltaicPowerGenerationSystem(ShandongAgricultureUniversityTaian271018China)AbstractTheeconomicdevelopmentismoreandmorerapidlyintoday'ssociety,forthedemandofelectricpowerisverylarge,thermalpowerstilloccupythemainpositionincurrent.Withtheaggravationoftheenergycrisis

and

theincreasinglyseriousenvironmentalpollution,

newenergypowergeneration

hasreceived

moreandmoreattention.

Solarenergy

isakindofgreen,

nonpollutingenergy,

photovoltaicpowergeneration

is

themainformof

powergeneration.Inthefuture,thesolarphotovoltaicpowergeneration

willbecome

as

importantformsof

energy

generation.

However,thereexistislanding

ofgridconnectedphotovoltaicsystem,willcausedamagetothe

powergrid

equipment,

andthehumanbody,

theneedfordetectionandprotection

ofthe

special.

Inthe

photovoltaicpowergenerationsystem,theislandeffectreferstothesuddenpowerlossofpressure,thesystemremains

an

effectonthe

powerstate

ofadjacentcircuit.Thispapermainlyanalysestheprincipleofislandingeffect,introducesseveralmethodsforislandingdetection,mainlyactiveandpassiveislandingdetectionmethod.AndselecttheonedetectionmethodsbyMATLAB/Simulinksimulation.Keywords:Photovoltaicpowergeneration；Gridconnectedsystem；Islanddetection；MATLAB/SimulinkPAGE17引言因為孤島效應會對電力系統(tǒng)以及人身安全造成威脅，由美國桑迪亞國家實驗室提出了孤島檢測方法。根據SandiaNationalLaboratories提供的報告指出，孤島效應就是，因故障事故或因為需要停電進行線路維修等原因而停止工作時，停電狀態(tài)未及時的被安裝在各用戶端的光伏并網發(fā)電系統(tǒng)及時檢測出來，而不能迅速的與市電網絡進行切離，而形成的一種從光伏并網發(fā)電系統(tǒng)向其周圍的負載供電的一種供電公司無法掌控的孤島現象[1]田亮.微電網中的光伏發(fā)電系統(tǒng)研究及孤島檢測技術分析[D].太原理工大學,2013.[1]田亮.微電網中的光伏發(fā)電系統(tǒng)研究及孤島檢測技術分析[D].太原理工大學,2013.一般來說，孤島效應有可能會對一整個配電系統(tǒng)的設備以及用戶端之設備產生不利的影響，包括[2]尹靜.光伏并網逆變器的研究及可靠性分析[D].山東大學,2009[2]尹靜.光伏并網逆變器的研究及可靠性分析[D].山東大學,2009.(1)危害進行電力檢修的工作人員的生命安全；(2)影響該配電系統(tǒng)上所有保護開關的動作程序；(3)孤島區(qū)域所發(fā)生的供電電壓與頻率的不穩(wěn)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使得浪涌電流出現，可能會造成再次跳閘或者對光伏系統(tǒng)、負載、供電系統(tǒng)產生損壞；(5)并網光伏發(fā)電系統(tǒng)因單相供電而造成系統(tǒng)三相負載的欠相供電問題。由此可見，作為一個安全可靠的并網逆變裝置，必須能及時檢測出孤島效應并避免所帶來的危害。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(tài)監(jiān)測方法(基于通訊的方法)。被動式方法就是通過電網斷電的時候逆變器的輸出端的電壓、頻率、相位或者諧波的變動進行檢測。但是，當光伏系統(tǒng)的輸出功率同局部負載的功率平衡，則該方法將失去其檢測能力，存在著較大的非檢測區(qū)域(Non-DetectionZone，簡稱NDZ)。并網逆變器之被動反孤島方法不必增添硬件電路，也不需單獨的保護繼電器。被動檢測方法主要包括：過/欠壓和過/欠頻檢測法，電壓諧波檢測法，電壓相位突變檢測法(PJD)。主動檢測指的是通過對逆變器進行控制，使相位、輸出功率或者頻率有一定擾動。電網處于正常工作狀態(tài)時，由于電力網絡擁有平衡作用，檢測不出這些擾動。一旦電力網絡發(fā)生故障，逆變器其所輸出之擾動會快速積累并且超出所能允許的范圍，從而開始檢測電路，因為此時已經觸發(fā)了孤島效應。該方法準確度高，非檢測區(qū)比較小，但控制難，且使得逆變器所輸出的電能質量降低。目前反孤島策略基本都采用主動式檢測方案與一個被動式檢測方案結合。主動孤島檢測方法主要包括：頻率偏移檢測法(AFD)，滑模頻漂檢測法(SMS)，周期電流干擾檢測法（ACD），頻率突變檢測法(FJ)。孤島檢測除了上述普遍采用的被動法和主動法，還有一些外部逆變器的檢測方式。如“網側阻抗插值法”，是指電力網絡發(fā)生故障的時候自動插入一大阻抗，在電力網絡負載側，使得阻抗突發(fā)明顯的變化，從而使得系統(tǒng)的功率平衡被破壞，造成相位、電壓、頻率的改變。還有運用電力網絡系統(tǒng)所產生的故障信號來進行控制。一旦有故障在電力網絡中產生，電力網絡側其自身的監(jiān)控系統(tǒng)就向光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出控制信號，以便能夠及時切斷分布式能源系統(tǒng)與電網的并聯(lián)運行。1.緒論1.1太陽能利用現狀全球經濟發(fā)展迅速，人口急劇增加，對于能源的需求越來越大，傳統(tǒng)的化石能源的消耗極其嚴重，能源危機成為世界各國所面臨的嚴重問題。同時化石能源對環(huán)境造成的污染和對生態(tài)造成的破壞也成為制約發(fā)展的障礙。新能源的利用成為了一個熱點課題。太陽能是一種清潔的可以再生的能源，分布十分廣泛，是一種理想的替代能源。近幾年，國際上的光伏發(fā)電研究與建設發(fā)展的十分迅猛。1973年，美國聯(lián)邦政府制定了一個政府級的陽光發(fā)電計劃；1980年美國聯(lián)邦政府正式將進行光伏發(fā)電列入公共電力規(guī)劃中，累計投資超過8億美元，在1994年度的財政預算中，投入光伏發(fā)電行業(yè)的預算高達7800多萬美元，比1993年增加了23．4％；1997年美國和歐洲相繼宣布"百萬屋頂光伏計劃"，美國計劃到2010年安裝1000～3000MW左右的太陽電池。日本不甘落后，1997年補貼"屋頂光伏計劃"的經費高達9200萬美元左右，安裝目標是大約7600Mw。印度計劃于1998－2002年太陽電池總產量為150MW左右，其中2002一年大約為50MW。國際光伏發(fā)電正在由邊遠農村和特殊應用向并網發(fā)電和與建筑結合供電的方向發(fā)展，光伏發(fā)電已經由作為一種補充能源向作為一種替代能源進行過渡。截止到目前，全世界的太陽能電池一年的銷售量己經超過了60兆瓦，電池的轉換效率也已經提高到了15％以上，與此同時，系統(tǒng)的造價和發(fā)電的成本已經分別降到了4美元/峰瓦和25美分/度電；在太陽能的熱利用方面，由于技術的日漸成熟，被利用的地方越來越多，應用規(guī)模也越來越大，單單美國太陽能熱水器每年的銷售額就已經超過了10億美元。太陽能熱發(fā)電也在現有的技術上有一定的突破，目前已有20余座大型太陽能熱發(fā)電站正在運行或建設。在我國國內，太陽能光伏發(fā)電的應用最早始于70年代，真正步入快速發(fā)展的軌道是在80年代。在1983年到1987年這短短四年間，我國先后從美國、加拿大等國家引進了七條太陽能電池生產線，使我國太陽電池的生產能力從1984年以前的年產200千瓦躍到1988年的4．5兆瓦，實現了躍進式的發(fā)展。目前太陽電池主要應用于通信系統(tǒng)和邊遠無電縣、無電鄉(xiāng)村、無電島嶼等邊遠偏辟無電地區(qū)，年銷售約1.1兆瓦左右，成效顯著。具體表現為：(1）建成了超過40座的縣、鄉(xiāng)級小型光伏電站，光伏電池總裝機容量大約600kw左右，其中以西藏自治區(qū)最多，超過了450kw；1998年10月建成我國最大的西藏那曲安多縣光伏電站的光伏電池裝機容量高達100kw。（2）家用光伏電源在青海、內蒙古、新疆、甘肅、寧夏、西藏以及遼寧、吉林、河北、海南、四川等地廣泛應用。根據不完全的統(tǒng)計，至今全國已累計推廣家用光伏電源大約15萬臺，光伏電池總功率約達2.9MW。（3）光伏電站在22所農村學校建立，光伏電池組件的總裝機容量為57kw。（4）1998年中國通信史上建成難度最大的蘭一西一拉光纜干線工程，有26個光纜通信站采用光伏電池作電源，其海拔高度大多數都處于4500m以上，光伏電池組件的總功率約達100kw。（5）1996年建成了塔中4--輪南輸油輸氣管道陰極保護先伏電源系統(tǒng)，總功率大約為40kw。該系統(tǒng)橫貫環(huán)境惡劣復雜的塔克拉瑪干大沙漠，總長達300Km左右[3]杜恩社.西藏太陽能利用現狀及對策[C].//中美清潔能源技術論壇論文集.2001:Ⅰ-119-[3]杜恩社.西藏太陽能利用現狀及對策[C].//中美清潔能源技術論壇論文集.2001:Ⅰ-119-Ⅰ-1241.2太陽能光伏發(fā)電太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽電池半導體材料的光伏效應,將太陽光輻射能直接轉換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。太陽能電池其發(fā)電原理簡單來說是光生伏打效應。當日光（或其他光）射到該種電池上時，光能被電池吸收，光生電子產生－空穴對。在電池所產生的內建電場作用下，空穴以及光生電子被分離開來，異號電荷在電池兩端出現并進行的積累，即“光生電壓”產生，即為“光生伏打效應”。若內建電場兩側有電極引出并在電極兩端接上負載，則“光生電流”就會通過負載流出，從而獲得輸出功率。這樣，日能就成為了可以直接被利用的電能。太陽能電池把光能轉換為電能，其工作原理可以概括成為以下的3個主要的過程：a.一定數量的光子被電池所吸收之后，電子－空穴對在半導體內將產生，即為“光生載流子”，兩者之間的電性是相反的，電子—負電，空穴—正電；b.半導體p-n結所產生的靜電場會將帶有相反電性的光生載流子分離開；c.太陽能電池的負、正極分別收集空穴、光生載流子電子，電流將會在外電路中所產生，進而會獲得電能[4]MikeMeinhardt,GunterCramer.Past.PresentandFutureofgridconnectedPhotovoltaic-andHybrid-PowerSystems.IEEE,2000:1283-12884][4]MikeMeinhardt,GunterCramer.Past.PresentandFutureofgridconnectedPhotovoltaic-andHybrid-PowerSystems.IEEE,2000:1283-12881.3太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成器件逆變器、蓄電池、太陽能電池板和充電控制器構成了一套最近本的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，下面對各部分的功能做一個簡單的介紹：（1）逆變器逆變器的作用就是進行逆變，220伏交流電就是通過逆變器對蓄電池、太陽能電池方陣所提供的低壓直流電所逆變而得來的，是的交流負載可以得到應用。（2）蓄電池組蓄電池組就是儲存直流電，該直流電是由太陽能方陣儲存起來的,來供負載使用。在這種光伏發(fā)電的系統(tǒng)中間,蓄電池將會處于一種浮充放電的狀態(tài),夏日太陽光照量大，光照強度強,在供給負載的用電之外,同時還會對蓄電池進行充電;在冬日太陽光照量少,光照強度低，這一部分儲存的電能將會漸漸的釋放出來。白天中蓄電池由太陽能電池方陣進行充電,(同時方陣還要給負載用電),晚上蓄電池釋放儲存的電能，供給負載用電，負載用電將全部由蓄電池釋放。所以,蓄電池的充電效率要高,而且其自放電要小,與此同時還要考慮其使用是否方便以及價格等各種因素。常用的蓄電池有硅膠蓄電池、鉛酸蓄電池,價格比較昂貴的鎳鎘蓄電池在要求比較高的場合也有使用。（3）太陽電池板供負載使用的直流電是由太陽輻射能通過太陽能電池板轉換而成的，同時也可以將直流電存儲在蓄電池內當做備用。一般來說，根據用戶的需求，可以使用太陽能方陣，其就是按照一定的方式，將若干太陽電池板連接，組成太陽能電池方陣，再配上適當的支架及接線盒組成。（4）充電控制器充電控制器在各種不同的類型的光伏發(fā)電系統(tǒng)之中是不盡相同的，其復雜程度、功能多少的差別也是很大的，這就需根據重要的程度以及系統(tǒng)的要求來進行確定。繼電器、開關、電子元器件、儀表等構成了充電控制器的主要組成部分。在光伏發(fā)電系統(tǒng)之中，為蓄電池提供最佳的電壓和充電電流，平穩(wěn)、高效、快速的為蓄電池充電是充電控制器的基本作用，并減少在充電過程中的損耗、盡量的使蓄電池的使用壽命得到延長；同時使得蓄電池得到有效的保護，避免會發(fā)生過放電、過充電現象[5]朱弋,阮興云,徐志榮等.高速公路急救綠色通道GPS衛(wèi)星通訊系統(tǒng)及車載醫(yī)用電源研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2007,28(1):60-61.5]。在戶使用直流負載的情況下，穩(wěn)定的直流電將會通過充電控制器來為負載提供（由太陽電池方陣所發(fā)出的直流電，其電流和電壓不是很穩(wěn)定，這是因為天氣的變化使得系統(tǒng)出現不穩(wěn)定[5]朱弋,阮興云,徐志榮等.高速公路急救綠色通道GPS衛(wèi)星通訊系統(tǒng)及車載醫(yī)用電源研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2007,28(1):60-61.2.孤島檢測目前在國際上制定了幾種光伏系統(tǒng)并網標準的國標，主要是UL1741和IEEEStd.929/1547等，這些標準對于并網系統(tǒng)發(fā)電裝置的孤島檢測的保護功能做出了十分具體的要求，同時也對電力網絡斷電后所檢測到的孤島現象發(fā)生的時間也做了十分明確、詳細的規(guī)定。在孤島效應所規(guī)定的時間檢測方面，不同的國家是不盡相同的，例如，德國所規(guī)定的判別時間是限制在5秒之內的，美國所規(guī)定的標準判別時間是限制在2秒之內的，而日本的判別時間則是規(guī)定必須在0.5到1秒之間。我國的光伏并網發(fā)電起步的比較晚，但是我國也相應的制定了符合我國國情的標準。我國的規(guī)定是：在光伏系統(tǒng)中除了設置過欠壓以及過欠頻保護作為后備的必須保護以外，還應該各采用至少一種主動和被動檢測方法。在孤島效應已經發(fā)生的時候，系統(tǒng)檢測裝置必須能在0.5到1秒之內檢測出來孤島效應并同時切斷故障點與電力網絡之間的連接。2.1孤島效應的定義一般情況下所說的孤島效應(Islanding)指的是在分布式的能源并網發(fā)電系統(tǒng)之中，由于人為的切斷了市電或者市電出現了故障從而向負載供電終止，在這種情況下分布式能源還在繼續(xù)并網進行工作，從而使得電力網絡局部負載仍然處在供電狀態(tài)之下。由于電力網絡和光伏發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)工作之時，電力網絡會停止工作，因為會發(fā)生設備檢修、操作失誤或者故障等原因。換句話說就是光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中普遍存在孤島效應。因此，在該系統(tǒng)設計中一個關鍵性的問題就是及時、準確的檢測出孤島效應。2.2孤島效應特性分析如圖所示，該圖描述了電力網絡和逆變器相連接時的功率流動情況，其中的符號以及變量名稱如下所示，和R都是等效負載—基于該逆變器。--逆變器所輸出的有功功率；--正常情況下電力網絡的逆變器輸送到該電力網絡的有功功率；Q--逆變器所輸出的無功功率；--正常情況下電力網絡的逆變器輸送到該電力網絡的無功功率；--電力網絡電壓；--逆變器的輸出端的電壓。圖2-1逆變器輸出功率流動示意圖a）電力網絡的正常工作狀態(tài)如圖所示，在電力網絡的正常工作狀態(tài)下，相當于閉合開關S。系統(tǒng)所輸出的P、Q其中的一部分提供給了等效負載，而另外的一部分、將會傳遞給電力網絡。根據逆變器負載功率和輸出功率相平衡的關系可以得到式（2.1）、（2.2）的存在，其中為電力網絡電壓的角頻率。（2.1）（2.2）b）電力網絡停止工作狀態(tài)如圖所示，電力網絡在突然斷電的情況下，相當于斷開開關S。因為開關S關斷前后，電力網絡中的逆變器所輸出的P、Q近似于保持一致，根據功率的平衡關系可以得到式（2.3）、（2.4）：（2.3）（2.4）其中是逆變器所輸出電壓的角頻率。由電力網絡的逆變器輸出P的平衡關系，根據式（2.1）、（2.3）可推出：（2.5）由電力網絡的逆變器輸出Q平衡的原理，根據公式（2.2）、（2.4）可得到：（2.6）式中是諧振電路中諧振電容的無功功率，其大小為。結合公式（2.5）、（2.6）可以得到： （2.7）式（2.5）、（2.7）表明在發(fā)生孤島效應之時，逆變器所輸出的P、Q會影響該逆變器將會輸出的電壓幅值與頻率。 c）特性分析如圖所示：當圖示的逆變器參與并網工作之時，若局部的負載R之上接受全部逆變器所輸出的P(當逆變器并網工作之時)，此時=0。當發(fā)生了孤島效應之時，從公式（2.5）可以看出，逆變器保持了輸出電壓的不變。如果正常情況下電力網絡的逆變器輸送到該電力網絡的有功功率以及正常情況下電力網絡的逆變器輸送到該電力網絡的無功功率均為零，那么公式（2.7）可變換為公式（2.8）： （2.8）由公式（2.8）可得。以上的分析說明：電力網絡在停止了工作狀態(tài)時，若局部負載接受了逆變器并網運行時的全部能量，由逆變器所輸出的頻率以及電壓均不產生變化；相反的，由逆變器所輸出的頻率或者電壓將會在電力網絡斷電的前后發(fā)生相應的變化。由頻率以及電壓的改變就可以判斷出系統(tǒng)是否有孤島效應發(fā)生[6]朱銘煉.500W光伏并網逆變器的設計[D].南京航空航天大學,2010.6][6]朱銘煉.500W光伏并網逆變器的設計[D].南京航空航天大學,2010.2.3現有的孤島檢測方法現在常用的孤島檢測法主要分為被動式孤島檢測和主動式孤島檢測[7]張歡.LCL濾波的光伏并網系統(tǒng)控制及孤島檢測[D].華中科技大學,2011.。[7]張歡.LCL濾波的光伏并網系統(tǒng)控制及孤島檢測[D].華中科技大學,2011.1.被動式孤島檢測被動式方法是運用電力網絡斷電時，根據逆變器所輸出的相位、諧波、端電壓或頻率的改變來運行孤島檢測。但是當局部負載和光伏系統(tǒng)輸出處于一種功率平衡，那么該方法將失去檢測能力，存在較大的非檢測區(qū)域(Non-DetectionZone，簡稱NDZ)。并網逆變器之被動反孤島方法不必增添硬件電路，也不需單獨的保護繼電器。(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范圍時，停止逆變器并網運行的一種檢測方法。逆變器工作時，電壓、頻率的工作范圍要合理設置，允許電網頻率還有電壓的正常波動，一般對220V/50Hz電網，頻率還有電壓的工作范圍分別為49.5Hz≤f≤50.5Hz、194V≤V≤242V。若頻率或者電壓的偏移達到了一個孤島檢測所設定的閥值，那么就可以檢測出孤島效應的發(fā)生。然而，在逆變器自身輸出功率與其自身所帶負荷近似于匹配時，那么頻率還有電壓的偏移將會非常的小甚至等于零，所以這種方法是存在著非檢測區(qū)的。該方案經濟性好，但因為非檢測區(qū)比較大，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(HarmonicHetection)通過檢測并網逆變器的輸出電壓的總諧波失真(totalharmonicdistortion-THD)是否越限來預防孤島效應現象發(fā)生，該種檢測方法的依據是工作分支電網功率變壓器的非線性原理。發(fā)電系統(tǒng)在進行并網工作的時候，公共耦合點中將會通過其輸出電流諧波，并且流入電網。由于電力網絡的網絡阻抗值很小，所以公共耦合點的電壓的總諧波畸變率在通常情況下較低，一般此時公共耦合點的電壓的THD值總是會低于閾值得(一般情況下，要求其THD值應該小于5%的額定電流)。當電網斷開時，由于電力網絡阻抗通常情況下要比負載阻抗小得多，因此公共耦合點電壓(諧波電流與負載阻抗的乘積)將產生很大的諧波，通過對諧波的變化或電壓的諧波的檢測就可以有效地檢測到是否發(fā)生了孤島效應。但是在現實情況中，由于會存在負載的非線性等因素，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，這種方案具有一定的局限性[8]林東棟,余曉東,楊益金等.基于電壓正反饋的逆變器并網孤島檢測技術[C].//第十屆中國太陽能光伏會議論文集.2008:863-868.8][8]林東棟,余曉東,楊益金等.基于電壓正反饋的逆變器并網孤島檢測技術[C].//第十屆中國太陽能光伏會議論文集.2008:863-868.(3)電壓相位突變檢測法(PJD)電壓相位突變檢測法（PhaseJumpDetection，PJD），顧名思義，就是通過相位差變化來檢測出孤島現象是否發(fā)生的[9]尹靜.光伏并網逆變器的研究及可靠性分析[D].山東大學,2009.9]。該方法就是檢測光伏并網發(fā)電中逆變器所輸出的電壓與電流的相位差來進行判斷。凡是由光伏并網的發(fā)電系統(tǒng)所輸出得電流電壓(以及電網電壓)都是同頻同相的。當電力網絡斷開后，就會出現負載供電是由系統(tǒng)單獨供給的孤島效應現象，在這種情況下，公共耦合點電壓由輸出電流和負載的阻抗共同決定，在鎖相環(huán)所產生的作用下，輸出電流將會僅僅只在過零點才與公共耦合點的電壓發(fā)生同步現象，在發(fā)生過零點現象之間，輸出電流是跟隨著我們所規(guī)定的系統(tǒng)內部的參考電流的，這一過程中是不會發(fā)生突變的，因此，對于這些非阻性的負載，公共耦合點的電壓相位是會發(fā)生突變現象的，從而根據這種現象就可以采用該檢測方法來進行孤島現象是否會發(fā)生的判斷[10]尹靜.光伏并網逆變器的研究及可靠性分析[D].山東大學,2009[9]尹靜.光伏并網逆變器的研究及可靠性分析[D].山東大學,2009.[10]尹靜.光伏并網逆變器的研究及可靠性分析[D].山東大學,2009.相位突變檢測易于實現，算法簡單。但是當負載近似呈阻性的時候，由于被限制在所設閥值的范圍內，該方案將會失效。2.主動式孤島檢測主動檢測指的是通過對逆變器進行控制，使相位、輸出功率或者頻率有一定擾動。電網處于正常工作狀態(tài)時，由于電力網絡擁有平衡作用，檢測不出這些擾動。一旦電力網絡發(fā)生故障，逆變器其所輸出之擾動會快速積累并且超出所能允許的范圍，從而開始檢測電路，因為此時已經觸發(fā)了孤島效應。該方法準確度高，非檢測區(qū)比較小，但控制難，且使得逆變器所輸出的電能質量降低。目前反孤島策略基本都采用主動式檢測方案與一個被動式檢測方案結合。(1)頻率偏移檢測法(AFD)主動頻率偏移法AFD(activefrequencydrift)就是一種較常用的主動檢測方法。此法通過在逆變器輸出電流的參考值上每周期加入一個微小的畸變,當系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)時,促使電壓、頻率發(fā)生偏移,再通過OFP用FP來檢測孤島狀態(tài)(2)滑模頻漂檢測法(SMS)滑模頻率漂移檢測法（Slip-ModeFrequencyShift，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，以期在電網失壓后公共點的頻率偏離正常范圍而判別孤島[11]JMCarrasco,JTBialasiewicz,RCPGuisado,etal.Power-ElectronicSystemsfortheGridIntegrationofRenewableEnergySources:asurvey.IEEETransIndustrialElectronics,2006,53(8):1009-101211]。在正常的情況之下，逆變器所產生的相角的響應曲線應該設計一個范圍，我們通常將這個范圍設計在系統(tǒng)頻率附近，在僅僅單位功率因數這種情況下，逆變器所產生的相角是比RLC負載要更快的增加，當配電網絡與逆變器并聯(lián)起來并運行時，配電網絡將會通過提供一個固定的參考相角和固定的參考頻率，從而使得逆變器的工作點會穩(wěn)定在工頻附近。在孤島效應產生之后，如果逆變器所輸出的電壓頻率有微小波動，將會使得逆變器產生的相位響應曲線相應的產生相位誤差增加現象，從而到達一個新的狀態(tài)穩(wěn)定點。新的狀態(tài)穩(wěn)定點的頻率必然會超過OFR/UFR所規(guī)定的動作閥值，因為頻率所產生的誤差，逆變器將會關閉。）滑模頻漂檢測法[11]JMCarrasco,JTBialasiewicz,RCPGuisado,etal.Power-ElectronicSystemsfortheGridIntegrationofRenewableEnergySources:asurvey.IEEETransIndustrialElectronics,2006,53(8):1009-1012(3)周期電流干擾檢測法（ACD）周期電流擾動法（AlternateCurrentDisturbances，ACD），每隔上一定的周期,對于受到電流源所控制的逆變器,減小光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器所輸出的電流,則其所輸出的有功功率必然會發(fā)生改變。在逆變器并網運行的條件下,其所輸出的電壓是恒定為電力網絡電壓的；當電力網絡發(fā)生斷電時,該逆變器所輸出的電壓的大小將會由負載所決定[12]

劉傳洋.單相數控光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].南京航空航天大學,2010.12]。每每到達電流擾動產生的時刻,輸出的電流幅值會發(fā)生改變,同時負載上的電壓將會隨之發(fā)生變化[12]

劉傳洋.單相數控光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].南京航空航天大學,2010.(4)頻率突變檢測法(FJ)頻率突變檢測法是對AFD方法進行的一種修改，該方法是類似于阻抗測量法的。FJ檢測中，在輸出的電流波形(并不是每個周期中都要加入)中加入一個死區(qū)，頻率將會按照預先已經設置號的模式進行振動[13]尹靜.光伏并網逆變器的研究及可靠性分析[D].山東大學,2009.13]。頻率突變檢測方法的優(yōu)點是：如果擁有足夠成熟的振動模式，當使用單臺逆變器工作時，用頻率突變檢測法來防止孤島現象的發(fā)生將會是有效的，但是，如果是在多臺逆變器運行的情況下，假設頻率的偏移方向是不同的，那么就會使得孤島檢測的效率和有效性[13]尹靜.光伏并網逆變器的研究及可靠性分析[D].山東大學,2009.3.主動移頻式孤島檢測法通過對公共節(jié)點處的頻率進行采樣來進行主動頻率偏移法檢測，輸出的逆變器電流頻率由該偏移作為，以此造成一種擾動，擾動負載端的電壓頻率，如下圖所示。為使輸出的電流的頻率略高于其電壓頻率，我們需要對其進行一定量的調整。如果此時的電壓并未過零，而電流半波卻已經完成，那么我們就要進行電流給定為零，這是一個強制的過程，這個過程會持續(xù)到電壓的過零點的到來，過程結束，下一個電流的半波過程開始。當市電斷電后，公共點電壓的頻率受電流頻率的影響而偏離原值，超過正常范圍即可檢測出孤島[14]薛明雨.光伏并網發(fā)電系統(tǒng)之孤島檢測技術研究[D].華中科技大學,2008.[14]薛明雨.光伏并網發(fā)電系統(tǒng)之孤島檢測技術研究[D].華中科技大學,2008.圖3-1主動頻率偏移法的電流波形3.1主動移頻式孤島檢測的原理通過對公共節(jié)點處的頻率進行采樣來進行主動頻率偏移法檢測，輸出的逆變器電流頻率由該偏移作為，以此造成一種擾動，擾動負載端的電壓頻率，為使輸出的電流的頻率略高于其電壓頻率，我們需要對其進行一定量的調整。如果此時的電壓并未過零，而電流半波卻已經完成，那么我們就要進行電流給定為零，這是一個強制的過程，這個過程會持續(xù)到電壓的過零點的到來，過程結束，下一個電流的半波過程開始。當市電斷電后，公共點電壓的頻率受電流頻率的影響而偏離原值，超過正常范圍即可檢測出孤島。3.2主動移頻式孤島檢測的參數設計檢測中，在越限保護發(fā)生之前是需要避免頻率達到一個穩(wěn)態(tài)的，因此需要設置一個較大的截斷系數(choppingfraction)來得到一個較大的主動移頻角，且越大的負載品質因數，其所需要設置越大的截斷系數(choppingfraction)。然而在這種情況下，電流的波形畸變將會變得十分嚴重，截斷系數(choppingfraction)在這種情況下有著不可忽略的影響對電能質量而言。如圖所示，為使電流THD達到規(guī)定的并網標準（IEEEStd1547-2003），截斷系數(choppingfraction)的絕對值需要小于等于0.05。另外，由于AFD法的盲區(qū)較大，因此該方法只適用于品質因數較小的非容性負載孤島檢測。圖3-2cf與并網電流THD的關系因此，為適應并網運行時對電能質量影響小，脫網時能快速檢測出孤島，且檢測盲區(qū)小或在特定負載下無盲區(qū)的要求，AFD法引入頻率正反饋，此即為帶正反饋的主動頻率偏移法(ActiveFrequencywithPositiveFeedback,AFDPF或SandiaFrequencyShift,SFS)[15][15]薛明雨.光伏并網發(fā)電系統(tǒng)之孤島檢測技術研究[D].華中科技大學,2008.致謝（3.1）式中，為初始截斷系數，k為頻率正反饋系數，f為公共點電壓頻率，為電網額定頻率。經變換，上式可變換為：（3.2）由上式可見，一般情況下負載品質因數越大，所需的正反饋系數也越大。但k取太大容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。當=2.5時，可得到k0.064，可取。電網存在時的固有頻率擾動用所代表，其作用是使得頻率偏移在脫網瞬間得以觸發(fā)，逆變器所輸出電流諧波的大小將會直接受到其值的影響，該數值一般取0.02。3.3仿真實驗采用Matlab/Simulink對3kW單相光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測性能進行仿真，原理圖如圖3-3所示。取電網電壓220V/50Hz，頻率保護的動作閥值設置為50±0.5Hz，整定有功負載為3kW，品質因數為2.5，諧振頻率=50HZ。圖3-3并網系統(tǒng)仿真結構圖圖3-3中的detection是一個封裝的孤島檢測算法模塊，其內部模型如圖3-4所示。圖3-4孤島檢測算法內部模型圖3-4中AFDPF為孤島檢測算法，算法如下：function[sys,x0,str,ts]=afd(t,x,u,flag)switchflag,case0,[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;case1,sys=[];case2,sys=[];case3,sys=mdlOutputs(t,x,u);case4,sys=[];case9,sys=[];otherwiseerror(['Unhandledflag=',num2str(flag)]);end%=============================================================================%mdlInitializeSizesfunction[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes%初始化globalf_votheta_itheta_voisIslandingcf%2并網電流電壓及其相位和孤島標志f_vo=50;theta_i=0;theta_vo=0;isIslanding=0;cf=0;sizes=simsizes;sizes.NumContStates=0;sizes.NumDiscStates=0;sizes.NumOutputs=3;sizes.NumInputs=3;sizes.DirFeedthrough=1;sizes.NumSampleTimes=1;%atleastonesampletimeisneededsys=simsizes(sizes);x0=[];str=[];ts=[1e-40];%=============================================================================%mdlOutputsfunctionsys=mdlOutputs(t,x,u)globalf_votheta_itheta_voisIslandingcftheta_vo=u(2);%數字鎖相環(huán)輸出的電壓頻率ifabs(theta_vo)<0.04%電壓相位為0時更新頻率f_vo=u(1);cf=u(2)+0.2*(f_vo-50);if(f_vo>50.5||f_vo<49.5)%判斷頻率是否越界sys=[00cf];isIslanding=1;%頻率越界則輸出為0，置孤島標志endendif(isIslanding==0)%判斷是否孤島效應ifcf>=0if(theta_vo>=0)&&(theta_vo<=0.5*pi*cf)theta_i=0;elseif(abs(pi-theta_vo))<=0.5*pi*cftheta_i=pi;elseif(theta_vo>=pi*(2-0.5*cf))&&(theta_vo<=2*pi)theta_i=2*pi;elseif(theta_vo>0.5*pi*cf)&&(theta_vo<(pi-0.5*pi*cf))theta_i=(theta_vo-0.5*pi*cf)/(1-cf);elseif(theta_vo>=pi+0.5*pi*cf)&&(theta_vo<=pi*(2-0.5*cf))