并网逆变器孤岛检测技术研究

 毕 业 设 计（论 文）

毕业设计（论文）原创性声明

本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文），是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。

 论文作者签名：   

摘  要

随着新能源发电的迅速发展，越来越多的可再生能源被转化为电能通过并网逆变器输送到电网。当电网由于故障而断网时，容易产生孤岛现象。孤岛现象的发生可能会带来巨大危害,因此,研究孤岛效应及其检测方法具有重要的现实意义。本文首先对分布式发电系统的概念，分类及发展现状进行介绍，从而引出分布式发电系统的核心部分—逆变器。然后对逆变器的原理、拓扑结构、控制方法等进行了研究，并最终选择了双降压桥式逆变器作为设计的对象。在接下来的章节中，本人具体介绍了并网逆变器孤岛检测的多种方法及其优缺点，并对它们的盲区边界进行计算。

基于对各种孤岛检测方法的分析，本文研究了一种有功电流全扰动孤岛检测方法,详细介绍了该方法的原理和实现过程,并结合IEEE.Std.2000-929标准中的技术规范对仿真模型进行了分析,验证了此类方法的有效性和适用性。

关键词：并网逆变器；孤岛检测；主动孤岛检测技术；有功电流全扰动

ABSTRACT

With the rapid development of new energy power generation, more and more renewable energy is converted into electric energy through the grid-connected converters. Grid inverter with islanding detection function, the photovoltaic grid-connected inverter research mainly focused on the single, usually on the output must exert the disturbance to improve islanding detection ability. This paper bases on grid—connected system as research obj ect and focuses on single-phase grid—connected systems to conduct a comprehensive analysis，and then．does a detail analysis and simulation、from the main circuit topology of grid-connected system，control strategies，system parameters，anti—island effect as well as reliability analysis．.At the same time it gives some methods of inverter islanding detection design considerations and islanding algorithm parameter selection method, and their blind spot boundaries calculated.

In this paper, an active current full disturbance islanding detection method is accepted based on the analysis of all kinds of islanding detection methods.while detailly described the principle and process of the method. The result shows that the method iS feasible and up to the demand of IEEE Std.2000—929．

Keywords: Grid-connected inverter; islanding detection ;Active islanding detection technology;

          Active current full disturbance

摘  要………………………………………………………………………Ⅰ

ABSTRACT……………………………………………………………………Ⅱ

第一章  绪论………………………………………………………………1

1.1分布式发电系统……………………………………………………………………1

   1.1.1分布式发电系统的概念……………………………………………………1

   1.1.2分布式发电系统的分类……………………………………………………1

   1.1.3分布式发电系统的发展状态及前景………………………………………2

   1.1.4分布式发电系统的构成……………………………………………………3

1.2孤岛现象…………………………………………………………………………4

1.2.1孤岛的概念…………………………………………………………………5

1.2.2孤岛的危害…………………………………………………………………5

1.2.3孤岛的研究现状……………………………………………………………6

1.3本文研究的内容…………………………………………………………………6

第二章  逆变器并网运行分析………………………………………………… 7

  2.1并网逆变器拓扑结构……………………………………………………………7

  2.2逆变器工作…………………………………………………………………8

  2.3双降压桥式逆变器工作原理……………………………………………………8

  2.4控制方法分析……………………………………………………………………9

第三章  孤岛检测方法……………………………………………………………10

  3.1被动检测法………………………………………………………………………11

     3.1.1过/欠压和高/低频率检测法………………………………………………11

3.1.2电压相位突变检测……………………………………………………… 12

3.1.3电压谐波检测…………………………………………………………… 12

  3.2主动检测法………………………………………………………………………13

     3.2.1有源频率偏移法………………………………………………………… 13

     3.2.2滑模频率偏移法………………………………………………………… 14

     3.2.3Sandia频率漂移检测法………………………………………………… 16

     3.2.4有功干扰法……………………………………………………………… 16

     3.2.5无功功率补偿法………………………………………………………… 16

     3.2.6频率跳变检测法………………………………………………………… 17

  3.3电网侧反孤岛检测法……………………………………………………………17

     3.3.1阻抗插入检测法………………………………………………………… 17

     3.3.2远程通讯监控手段……………………………………………………… 18

  3.4检测盲区及有效性分析…………………………………………………………18

3.4.1基于x坐标系的有效性评估……………………………………… 19

3.4.2基于L×Cnorm坐标系的有效性评估…………………………………………20

第四章  有功电流扰动孤岛检测法的分析…………………………………… 22

  4.1有功电流扰动孤岛检测原理………………………………………………………22

  4.2有功电流全扰动孤岛检测方法……………………………………………………23

     4.2.1全扰动孤岛检测原理……………………………………………………… 23

     4.2.2断网后三种检测方法分析………………………………………………… 24

     4.2.3参数设计…………………………………………………………………… 25

     4.2.4仿真设计…………………………………………………………………… 26

结束语…………………………………………………………………………………… 29

致谢……………………………………………………………………………………… 30

参考文献………………………………………………………………………………… 31

第一章  绪论

随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，能源和环境成为二十一世纪人类所面临的重大基本问题。为了避免能源危机、保护环境，近年来，对新能源的开发和利用成为一个越来越热门的话题。由新能源所构成的分布式发电系统可作为中小发电系统用于电能应急备份、补充电网系统、局部或偏远地区发电等方面。因此，研究高性能分布式发电系统，开拓广阔的并网发电市场和掌握相关领域的先进技术，具有重大的理论和现实意义。

1.1 分布式发电系统

1.1.1 分布式发电系统的概念

分布式发电指的是在用户现场或靠近用电现场配置较小的发电机组(一般低于30MW)，以满足特定用户的需要，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。这些小的机组包括燃料电池，小型燃气轮机，或燃气轮机与燃料电池的混合装置。由于靠近用户提高了服务的可靠性和电力质量。技术的发展，公共环境和电力市场的扩大等因素的共同作用使得分布式发电成为新世纪重要的能源选择。 

通过分布式发电和集中供电系统的配合应用有以下优点： 

(1)分布式发电系统中各电站相互，用户由于可以自行控制，不会发生大规模停电事故，所以安全可靠性比较高； 

(2)分布式发电可以弥补大电网安全稳定性的不足，在意外灾害发生时继续供电，已成为集中供电方式不可缺少的重要补充； 

(3)可对区域电力的质量和性能进行实时监控，非常适合向农村、牧区、山区，发展中的中、小城市或商业区的居民供电，可大大减小环保压力； 

(4)分布式发电的输配电损耗很低，甚至没有，无需建配电站，可降低或避免附加的输配电成本，同时土建和安装成本低； 

(5)可以满足特殊场合的需求，如用于重要集会或庆典的(处于热备用状态的)移动分散式发电车； 

(6)调峰性能好，操作简单，由于参与运行的系统少，启停快速，便于实现全自动。 

1.1.2 分布式发电系统的分类

根据所使用一次能源的不同，分布式发电可分为基于化石能源的分布式发电技术、基于可再生能源的分布式发电技术以及混合的分布式发电技术。 

(1)基于化石能源的分布式发电技术主要由以下三种技术构成：①往复式发动机技术：用于分布式发电的往复式发动机采用四冲程的点火式或压燃式，以汽油或柴油为燃料，是目前应用最广的分布式发电方式。但是此种方式会造成对环境的影响，最近通过对其技术上的改进，已经大大减少了躁音和废气的排放污染。②微型燃气轮机技术：微型燃气轮机是指功率为数百千瓦以下的以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机。但是微型燃气轮机与现有的其它发电技术相比，效率较低。满负荷运行的效率只有30%，而在半负荷时，其效率更是只有10%～15%，所以目前多采用家庭热电联供的办法利用设备废弃的热能，提高其效率。目前国外已进入示范阶段，其技术关键主要是高速轴承、高温材料、部件加工等。③燃料电池技术：燃料电池是一种在等温状态下直接将化学能转变为直流电能的电化学装置。燃料电池工作时，不需要燃烧，同时不污染环境，其电能是通过电化学过程获得的。在其阳极上通过富氢燃料，阴极上面通过空气，并由电解液分离这两种物质。在获得电能的过程中，一些副产品仅为热、水和二氧化碳等。氢燃料可由各种碳氢源，在压力作用下通过蒸汽重整过程或由氧化反应生成。因此它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。 

(2)基于可再生能源的分布式发电技术主要由以下几种技术构成：①太阳能光伏发电技术：太阳能光伏发电技术是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换为电能。光伏发电具有不消耗燃料、不受地域、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单等优点。但是此种分布发电技术的成本非常高，所以现阶段太阳能发电技术还需要进行技术改进，以降低成本而适合于广泛应用。(2)风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术，可分为与并网运行两类，前者为微型或小型风力发电机组，容量为100W～10kW，后者的容量通常超过150kW。近年来，风力发电技术进步很快，单机容量在2MW以下的技术已很成熟。 

(3)混合的分布式发电技术通常是指两种或多种分布式发电技术及蓄能装置组合起来，形成复合式发电系统。目前已有多种形式的复合式发电系统被提出，其中一个重要的方向是热电冷三联产的多目标分布式供能系统，通常简称为分布式供能系统。其在生产电力的同时，也能提供热能或同时满足供热、制冷等方面的需求。与简单的供电系统相比，分布式供能系统可以大幅度提高能源利用率、降低环境污染、改善系统的热经济性。

1.1.3 分布式发电系统的发展状态及前景 

(1)在美国，容量为1kW到10MW分布式电源发电和储能单元正在成为未来分布式供能系统的有用单元。由于分布式电源的高可靠性、高质量、高效率以及灵活性，故可满足工业、商业、居住和交通应用的一系列要求。预计几年后，新一代的微汽轮机(10～250kW)可以完全商业化，为调峰和小公司余热发电提供了新机会。 

在美国国内到2020年，由于新的能源需求与老的电厂的退役，估计要增加1.7×1012kW·h的电，几乎是近20年增量的2倍。为满足市场需要，下一个10年之后，美国的分布式发电市场装机容量估计每年将达5×109～6×109W，为解决这个巨大的缺口，美国能源部提出了以下几个涉及分布式发电技术的计划，包括燃料电池、分布式发电涡轮技术、燃料电池和涡轮的混合装置等。可以预料，在不久以后，分布式发电技术将在美国得到相当的发展。 

(2)在我国，随着经济建设的飞速发展，我国集中式供电网的规模迅速膨胀。这种发展所带来的安全性问题不容忽视。由于各地经济发展很不平衡，对于广大经济欠发达的农村地区来说，特别是农牧地区和偏远山区，要形成一定规模的、强大的集中式供配电网需要巨额的投资和很长的时间周期，能源供应严重制约这些地区的经济发展。而分布式发电技术则刚好可以弥补集中式发电的这些局限性。在我国西北部广大农村地区风力资源十分丰富，像内蒙古已经形成了年发电量1亿kW·h的电量，除自用外，还可送往北京地区，这种无污染绿色能源可以减轻当地的环境污染。

在可再生能源分布式发电系统中的除风力发电外，还有太阳能光伏电池、中小水电等都是解决我国偏远地区缺电的良好办法。因此，应引起足够的重视。 

在我国城镇，分布式发电技术作为集中供电方式技术不可缺少的重要补充，将成为未来能源领域的一个重要发展方向。

1.1.4 分布式发电系统的构成

图1-1是分布式发电系统的基本组成结构图，分布式发电系统的组成主要包括新能源系统、控制器、并网逆变器、负载四部分。

图1-1  分布式发电系统的组成

在图1-1中，新能源包括太阳能、风能、燃料电池等。

控制器在输入侧起着核心的控制作用，它完成新能源输入端电压的转换和提升，并控制输出一稳定的直流母线电压，使之满足并网逆变器的输入电压要求；实现新能源最大功率点的跟踪和控制；完成对蓄电池过充电保护、过放电保护的作用，在温差较大的地方，控制器还具备温度补偿的功能，同时还完成对变换器的故障保护功能。

并网逆变器是分布式发电系统中输出侧最关键的组成部分，它完成对直流电能到交流电能的转换，它决定了输出电压和进网电流的质量；控制输出有功功率、无功功率的大小，同时，逆变器还必须具有相应的故障保护功能和抗孤岛能力。

辅助性设备包括买电电表和卖电电表，通过买电电表可以知道在分布式发电系统供电不足的情况下，负载从常规电网所获取的电能；通过卖电电表可以知道在分布式发电系统供电充足的情况下，注入常规电网的电能。

由图 1.1 可以看出，分布式电源与常规电网之间存在两种基本的工作模式：方式 1 为分布式电源运行向附近的负载供电；方式 2 是分布式电源与常规电网并网运行。不同的运行方式有不同的特点：

当分布式发电系统系统的发电容量满足该地区的负荷时，由分布式发电系立向负载供电，电网可退出运行，在必要的时候才投入运行。因为目前分布式发电中应用比较成熟的是风力发电和太阳能发电，而这两种发电方式受环境的影响较大，输出功率不稳定。同时，就目前的技术而言，储能系统的容量也是很有限的，不能长时间提供功率来应对分布式发电容量的不足。当发电容量不足该地区的负荷时，电网并入系统且正常运行，两者共同向负荷供电，但尽可能地利用分布式电源；当发电容量超过该地区的负荷时，电网也并入系统，分布式发电将多余的电能送向电网。分布式发电系统的类型应根据地区的具体情况选择，可能是一种分布式电源，也可能是多种分布式电源及其储能装置组合起来共同发电，即复合分布式发电。为提高能源的利用率，复合分布式发电技术已成为分布式发电技术发展的主要趋势之一。储能装置的容量及类型应根据分布式电源及其负荷的波动程度作相应的选择。

1.2 孤岛现象

1.2.1 孤岛的概念

随着新能源的不断开发和利用，越来越多的可再生能源（如太阳能、风能、生物质能和燃料电池）被转换为电能后通过并网逆变器输送到电网。这给电网的保护带来了一种新的现象，就是孤岛效应。

所谓孤岛效应 (Islanding)是指电网的一部分，其中包括分布式电源和负载，与电网的其他部分断开后，仍然保持运行的一种状态。根据IEEE标准IEEE Std 929-2000所给出的定义，可定义为：电路由于电气故障，人为或自然的原因中断供电时，并网系统未检测出断电状态从而脱离电网，使该系统和周围的负载组成一个不受电力公司掌控的自给供电的孤岛。

1.2.2 孤岛的危害

逆变电源处于孤岛运行状态时会产生严重的后果：

1.电网无法控制孤岛中的电压和频率，如果电压和频率超出允许的范围，可能会对用户的设备造成损坏；

2.如果负载容量大于逆变电源容量，逆变电源过载运行，易被烧毁；

3.与逆变电源相连的线路仍然带电，对检修人员造成危险，降低电网的安全性；

4.对孤岛进行重合闸操作会导致该线路再次跳闸，还有可能损坏逆变电源和其它设备。可见，研究孤岛检测方法及保护措施，将孤岛产生的危害降至最低具有十分重要的现实意义。

1.2.3 研究现状

   我国虽未对光伏并网系统立法，但从国外来看，孤岛检测是光伏并网发电系统必须具备的功能。国际上先后制定的并网技术标准如IEEE Std.929和IEEE Std.1547.1等都规定了并网发电装置必须具备孤岛检测功能，并设计了具体的孤岛检测电路和测试方法。然而由于并网技术要求与配电网的结构和运作制度有关，不同的国家对并网技术要求的规定不同，因此，国际上对反孤岛方案没有明确规定，一些国家如荷兰仅要求过/欠频保护来反孤岛，其它国家如德国和奥地利则要求采用阻抗测量方案或ENS装置。此外对孤岛效应检测时间的规定也有差别，例如美国的一些研究机构选择ls做为允许的检测时间，日本规定的检测时间为0.5s-1 s，德国规定检测时间不超过5s，而IEEE Std．929和IEEE Std．1547.1根据孤岛效应发生时的具体情况推荐了不同的孤岛效应检测时间。本文考虑的孤岛效应检测时间主要参考IEEE Std．1547.1，如表1.1所示。

表1.1  IEEE Std.1574.1允许的孤岛效应检测时间

②Vn指电网电压幅值的额定值。对于中国的单相市电，为交流220VAC。

③fn指电网电压频率的额定值。对于中国的单相市电，为50Hz。

1.3本文研究的内容

本文研究了一种能工作在和并网双模式下的逆变器。逆变器工作时，为本地负载提供电能；并网工作时，在给本地负载提供能量的同时，将多余的能量注入电网。同时，在孤岛检测方面，研究了一种有效的孤岛检测方法。其具体内容分别如下：

第一章：介绍了分布式发电系统的基本概念和优点，给出了分布式发电系统并网的相关标准。给出了孤岛效应的概念、危害及相关的研究现状，最后给出本文研究的内容。

第二章：介绍了逆变器并网运行的工作原理和拓扑结构，并选择双降压半桥式逆变器作为本文的研究对象，对其原理及控制方式进行分析。

第三章：在孤岛检测方面，介绍了常见的孤岛检测方法，包括被动检测法、主动检测法和电网侧检测法。具体分析了各检测法的原理及优缺点。

第四章：分析了有功电流孤岛检测法的原理、拓扑和控制方式，并在此基础上研究了一种全扰动控制的孤岛检测方法。最后给出了详细的设计过程及仿真结果。

第二章  逆变器并网运行分析

2.1 并网逆变器拓扑结构

在分布式发电系统的组成中，并网逆变器是核心的组成部分。它完成直流到交流的转换，并网逆变器的输出决定了进网电能的质量。并网逆变器分为电流型和电压型两大类，如图2-1所示：电流型的特征就是直流侧串联电感进行直流储能，从而使直流侧呈现高阻抗的电流源特性，使输入侧的电流脉动很小。电压型的特性是直流侧并联电容进行直流储能，从而使直流侧呈现低阻抗的电压源特征，从而使输入侧的电压脉动很小。

图2-1  并网逆变器基本拓扑类型

根据变换器的变换级数可以分为单级型逆变器和多级型逆变器。单级结构指直流电压的提升和产生正弦的输出电流或者输出电压在同一级电路中完成。它的主要缺点是：需要较高的直流输入，使得成本提高，可靠性降低；对于最大功率点的跟踪没有进行的控制，使得系统整体输出功率降低；结构不够灵活，无法扩展，不能满足风能和太阳能发电系统输入侧能量的多变性。

根据输入、输出的电气隔离性可以分为隔离型逆变器和非隔离型逆变器。电气隔离通常采用变压器隔离，一般使用工频变压器或者高频变压器。传统的逆变器采用工频变压器，具有成本高、体积大、逆变效率难以提高等缺点。因此，目前的拓扑结构研究中都不使用工频变压器或者采取高频变压器取代工频变压器。随着频率频率增加，变压器的体积、重量随之减小，同时输出滤波器也随之减小。

2.2 逆变器工作

本文所研究的逆变器能工作在和并网双模式下，情况下，逆变器对本地负载提供能量，采用电压控制模式，使逆变器的输出满足本地负载所需要的电压。在主电路拓扑的选择上，全桥具有直流电压利用率高，开关管的电压应力小等优点，适用于大功率场合。但是存在桥臂功率管直通现象。双降压式半桥逆变器(Dual Buck half-bridge Inverter-DBI)无传统桥式逆变器功率管直通问题，提高了逆变器可靠性，采用二极管续流，有利于功率管和二极管分别优化选取，但是直流电压利用率低，只是全桥逆变器的一半。为此，本文选用两台双降压式半桥逆变器输入并联输出串联的主电路拓扑结构。

2.3 双降压半桥式逆变器的工作原理

    两台双降压式半桥逆变器输入联输出串联的主电路拓扑类似于全桥电路，不存在输入电容电压均分问题，具有很高的可靠性，直流电压利用率比较高。因此本文实际主电路的选择中，选择双降压桥式逆变器结构。图2-2是系统所采用的主电路图。其中，为两台双 BUCK 半桥逆变器输出串联模式下的主电路拓扑，Q1~Q4是功率开关管，D1~D4是续流二极管，Lf1~Lf4是输出滤波电感，Cf1、Cf2是输出滤波电容，C1、C2是输入分压电容。ics是流过输出滤波电容的电流。

图2-2  双 BUCK桥式逆变器主电路

假设理想情况下：两逆变器输出滤波电感电流给定大小相同，相位相反，在参数完全一致的情况下，可认为Q1与Q4、Q2与Q3同时开关，D1与D2、D3与D4同时导通。当 iL>0 时，当Q1与Q4开通时，将由Q1、Lf1、RL//（Cf1//Cf2）、Lf4、Q4、形成一条回路；当Q1与Q4关断时，则由D1、Lf1、RL//（Cf1//Cf2）、Lf4、D4形成另一条回路。当iL<0时，当Q2与Q3开通时，将由Q3、Lf3、RL//（Cf1//Cf2）、Lf2、Q2、形成一条回路；当Q2与Q3关断时，则由D3、Lf3、RL//（Cf1//Cf2）、Lf2、D2形成另一条回路。

从上面分析可知，输入并联输出串联双 BUCK 逆变器的工作方式可等效为一全桥逆变器，提高了输入电压的利用率，即两输入分压电容电压脉动相等，同时充放电，每个输入分压电容的充放电周期与整个输入电压充放电周期相等，两串联的输入分压电容可等效为一个输入电容，容值为每个分压电容值的一半。输出滤波电感值变为两输出滤波电感值之和。不存在输入分压电容电压偏差问题。但与全桥逆变器相比，双降压桥式逆变器具有以下优点：不存在桥臂功率管直通问题，可靠性高，不需要设置死区，从而避免了桥式电路中因设置死区带来的输出电压畸变的问题；不需要通过功率管的体二极管续流，续流二极管可优化选取，从而在相同控制方式下，该拓扑的效率比全桥高。

2.4 控制方法分析

在逆变器的双环控制中，电流内环采用滞环控制。滞环控制是一种优越的非线性控制方法，电路实现简单、稳定性高、具有内在电流功能、动态响应快。两态电流滞环控制原理：设环宽为h，电流基准（电压误差调节输出信号）和电感电流反馈信号相比较得到电流误差信号ie，电流误差信号再过经滞环比较器得到控制信号来驱动功率管，控制电感电流在设定的环宽内（±h）变化。以图2-3为例，说明电流滞环工作过程：

图2-3  滞环比较器的原理示意图

当电流误差信号大于正环宽（+h）时，开关管 Q1、Q4开通，Q2、Q3关断，电感电流增加；当电流误差信号小于负环宽（-h）时，开关管Q1、Q4关断，Q2、Q3开通，电感电流减少；当电流误差信号在正负环宽内，开关状态维持前一状态保持不变。这样可以保证输出信号很好地跟随输入给定信号，并且电感电流误差在正负环宽内。从图2-3中可以看出，通过改变环宽大小，则可以改变开关频率，环宽越小，开关频率越大，电流跟踪效果越好。由于电流环的引入，使系统响应速度加快、动态性能好、系统稳定性加强。所以电流滞环控制方法得到了广泛的应用。

第三章  孤岛检测方法

在分布式发电系统中，一般可以通过检测输出端电压的幅值变化、频率漂移以及相位的跳变等信号来判断是否发生了孤岛效应。孤岛效应的检测方法一般可以分为被动法和主动法两类。被动法是通过监测市电状态，如电压、频率和相位是否偏离正常范围，以此作为孤岛检测依据。这种方法在本地负载功率和并网逆变器发出功率不平衡时具有有效性。在本地负载和并网逆变器输出功率达到平衡时，被动式检测方法就会失效。主动法的基本原理是：在并网逆变器的输出中加入较小的电流、频率或相位扰动信号，然后检测线路上检测点的电压、频率或相位。如果并网逆变器仍与主电网相连，不处于孤岛运行状态，在电网的等效无穷大电压源效应下，这些扰动是无法检测出来的；如果并网逆变器与主电网断开，处于孤岛运行状态，扰动信号的作用就会在线路上体现。通过同一方向的不断扰动，当输出变化超出规定的阈值时就能检测出孤岛运行状态。

为了便于分析，作如下假设：

(1)并网逆变器运行于单位功率因数正弦波的控制模式；

(2)并网逆变器近似为电流源；

(3)局部负载为并联 RLC 负载；

(4)电网维持稳定的电压和频率。

图3-1给出了分布式发电系统基本框图，由并网逆变器、电网、等效负载以及逆变器侧开关 S1和电网侧开关S组成。其中a为并网逆变器与电网的公共耦合点，Va为a处的电压即并网逆变器的输出端电压，Pinv和以Qinv分别为并网逆变器输出的有功功率和无功功率，ΔP和ΔQ分别为电网提供的有功功率和无功功率，负载需求的有功功率和无功功率分别为Pload 和Qload 。

图3-1  并网逆变器孤岛检测电路结构

3.1 被动式检测法

被动式方法利用电网断电时逆变器输出端电压、频率、相位或谐波的变化进行孤岛效应检测。但当光伏系统输出功率与局部负载功率平衡，则被动式检测方法将失去孤岛效应检测能力，存在较大的非检测区域(Non-DetectionZone，简称NDZ)。并网逆变器的被动式反孤岛方案不需要增加硬件电路，也不需要单独的保护继电器。

3.1.1 过/欠压和过/欠频检测法

所有的并网逆变器都要采用过/欠压、过/欠频保护方案。通常在异地开关由于故障或是检修而跳闸时，如果并网逆变器输出功率(有功功率、无功功率)与负载需求功率不匹配即△P≠0并且△Q≠0，电压或频率将产生偏移，一旦超出正常范围，此时可以利用系统软硬件所规定的电网电压的过(欠)电压保护设置点及过(欠)频率保护设置点来进行检测，将本地开关跳闸(也就是逆变器并网开关)，逆变器就将停止运行，从而防止孤岛的产生。但当负载和光伏系统输出功率匹配或者△P很小时，这时保护电路因为电压波动很小，未超出正常范围而检测不到孤岛的发生。逆变器工作时电压、频率的工作范围要合理设置，允许电网电压和频率的正常波动，一般对220V，50Hz电网，电压和频率的工作范围分别为194V3.1.2 电压相位突变检测

相位突变检测是检测逆变电源终端电压和其输出电流之间相位的差异。电网连接时，电流源型逆变电源检测电压Va的过零点，使输出电流波形与系统电压同步(通常由锁相环来完成)。电压源型逆变电源正好相反。对于电流源型逆变电源，电网断开后，Va不再被系统电压所固定，而逆变电源输出电流i是固定的，它一直跟随逆变电源内部的PLL提供的波形。i 和Va 仅仅在Va 的过零点发生同步，在过零点之间，逆变电源工作在开环状态。因此，逆变电源输出电流突变为参考相。由于频率没有发生变化，负载的相位与系统断开前相同，因此Va必然要跳变到新的相位。在Va 的下一个过零点，“新”电压和逆变电源输出电流之间的相位差即可被用来检测孤岛。如果相位差大于阈值，控制器可以断开或关闭逆变电源。

该方案的主要优点是算法简单、易于实现。由于并网逆变器本身就需要锁相环用于同步，执行该方案只需增加在并网逆变器输出电流iinv与Va间的相位差超出阈值th时使逆变器停止工作的功能就可以了。同时做为被动式反孤岛方案，相位跳变不会影响并网逆变器输出电能的质量，也不会干扰系统的暂态响应。此外和其它被动式方案一样，在系统连接有多台并网逆变器时，不会产生稀释效应。然而该方案很难选择不会导致误动作的阈值。如果闭值设置的太低，将导致并网逆变器的误跳闸，当负载阻抗角接近零，即负载近似呈阻性时，由于所设阀值的，该方法失效。

3.1.3 电压谐波检测

　电压谐波检测法(Harmonic Hetection)通过检测并网逆变器的输出电压的总谐波失真(totalharmonic distortion-THD)是否越限来防止孤岛现象的发生，这种方法依据工作分支电网功率变压器的非线性原理。如图3.1，发电系统并网工作时，其输出电流谐波将通过公共耦合点a点流入电网。由于电网的网络阻抗很小，因此a点电压的总谐波畸变率通常较低，一般此时Va的THD总是低于阈值(一般要求并网逆变器的THD小于额定电流的5％)。当电网断开时，由于负载阻抗通常要比电网阻抗大得多，因此a点电压(谐波电流与负载阻抗的乘积)将产生很大的谐波，通过检测电压谐波或谐波的变化就能有效地检测到孤岛效应的发生。但是在实际应用中，由于非线性负载等因素的存在，电网电压的谐波很大，谐波检测的动作阀值不容易确定，因此，该方法具有局限性。

3.2 主动式检测法

　主动式孤岛检测方法是指通过控制逆变器，使其输出功率、频率或相位存在一定的扰动。电网正常工作时，由于电网的平衡作用，检测不到这些扰动。一旦电网出现故障，逆变器输出的扰动将快速累积并超出允许范围，从而触发孤岛效应检测电路。该方法检测精度高，非检测区小，但是控制较复杂，且降低了逆变器输出电能的质量。目前并网逆变器的反孤岛策略都采用被动式检测方案加上一种主动式检测方案相结合。

3.2.1 有源频率偏移法（Active Frequency Drift）

AFD是目前一种常见的输出频率扰动孤岛效应检测方法。AFD法工作原理如图所示：

图3-2  AFD孤岛检测方法控制原理

    系统通过控制逆变器使其输出电压的频率，与电网电压的频率存在一定的误差(在并网标准允许范围内)；当电网正常工作时，由于锁相环电路的矫正作用，终在一个较小的范围内，逆变器正常工作；当电网出现故障时将发生变化，在逆变器下一个工频周期内，系统将以为基准，然后加上设定的频率误差去控制，从而导致进一步增加。该过程不断重复，直至超出并网标准的规定，从而进行孤岛保护动作，图3-2为其控制原理图。

实际应用中，主动式频移方案可以通过插入固定的死区tz来实现，也可通过强迫电流频率总比前一周期的电压频率快(也称为恒频率偏移)来实现。注意tz和的选取要满足电流总谐波失真THDi<5％的要求。图3-3为执行AFD的波形。

图3-3  AFD孤岛检测方法

频率偏移检测法虽然可以减小无源孤岛检测的盲区，但是该方法引入的电流谐波会降低系统输出电能的质量。另外，当存在多个逆变器时，所有逆变器必须统一频率偏移的方向。如果频率偏移方向不一致，其输出会相互抵消，降低孤岛检测效率。

3.2.2 滑模频移检测法(Slip Mode Frequency Shift)

滑模频移检测法是对并网逆变器输出电流一电压的相位运用正反馈使相位偏移进而使频率发生偏移的方案，电网频率不受反馈的影响。此方案中并网逆变器输出电流的相位定义为前一周期的频率与电网频率的偏差的函数即

 （3-1）

    其中是最大相位偏移发生时的频率。实际应用中，一般取=10， -=3Hz 。由于控制并网逆变器工作于单位功率因数正弦波控制模式，所以并网逆变器输出电流与端电压之间相位差被控制为零。而在滑模频移方案中并网逆变器的电流一电压相位被设计成关于电压Va的频率的函数，使得在电网频率的附近区域中并网逆变器的电流一电压相位响应曲线增加得比大多数单位功率因数负载的阻抗角的响应曲线快，如图3-4所示，这使得电网频率成为一个不稳定的工作点。当电网连接时，电网提供固定的相位和频率参考使工作点稳定在电网频率。而在电网跳闸后，负载与并网逆变器的相位一频率工作点成为负载阻抗角响应曲线与并网逆变器相位响应曲线的交点。

图3-4  SMS孤岛检测方法

当电网连接时，并网逆变器的相位一频率工作点位于B点(频率为50Hz，电流一电压相位差为0。)。假定电网分离，一旦Va的频率受到任何扰动使之偏离50Hz，并网逆变器的相位响应就将导致相位差增加，而不是下降，例如孤岛系统中的频率向上偏移时，由于滑模频移方案对相位的正反馈，并网逆变器反而加快了输出电流的频率。这就是正反馈的机理，将导致典型的不稳定。而并网逆变器在电网频率处的不稳定加强了扰动，驱使系统到达一个新的工作点，是A点还是C点由扰动的方向决定。如果并网逆变器电流一电压相位响应曲线对RLC负载来说，设计的很合适，那么A点或C点的频率将超出频率的正常工作范围，并网逆变器将停止运行。

3.2.3 Sandia频率漂移孤岛检测法(Sandia Frequency Shift)

SFS 是频率偏移方法的扩展，是对逆变器输出电压应用正反馈的孤岛检测方法。为实现正反馈，斩波系数定义为：

    （3-2）

式中为额定频率下的斩波率；k 为加速增益； 为逆变器输出端耦合点频率；为额定频率。正常情况下，电网的稳定性阻止频率的变化。孤岛形成后如果增加，频率误差也随之增加， 增加，逆变电源也增加其自身频率，当输出频率超出规定阈值时，保护动作。反之如果减小，根据正反馈，将变小，将会导致逆变系统输出频率逐渐变小，同样可以实现孤岛检测。引入正反馈后，当频率发生波动时，相当于增大了 AFD 的死区时间，使得正常工作时相同输出电流 THD 的情况下，NDZ 进一步减小，或者相同 NDZ 情况下，正常工作时输出电流THD 减小，从而缓解了检测效率与 THD 之间的矛盾。

3.2.4 有功干扰法

有功干扰法是对于电流源控制型的逆变器，每隔一定时间，减少输出电流给定值，则改变其输出有功。当市电存在时，逆变器输出电压恒定为电网电压；当市电断电，逆变器输出电压由负载决定。一旦到达扰动时刻，输出电流幅值改变，则负载上电压随之变化，即可检测到孤岛发生。该方法原理简单，实现方便，对进网电流的质量没任何影响，但是为了准确的检测出孤岛现象，周期性扰动量比较大，将给进网功率的稳定带来影响，同时对于孤岛中存在多个分布式发电系统的情况，由于存在平均效应，单个并网逆变器的干扰对总体线路的影响将不明显。

3.2.5 无功功率补偿法

无功功率补偿检测法也是一种输出功率扰动方案，是利用可调节的无功功率输出实现孤岛检测。系统并网运行时，负载端电压受电网电压钳制，而基本不受逆变器输出的无功功率多少的影响。当系统进入孤岛状态时，一旦逆变器输出的无功功率和负载需求不匹配，负载电压幅值或者频率将发生变化。由于逆变器输出的无功电流可调节，而负载无功需求在一定的电压幅值和频率条件下是不变的，因此将逆变器输出设定为对负载的部分无功补偿或波动补偿可避免系统在孤岛条件下的无功平衡，从而使得负载电压或者频率持续变化达到可检测阈值，最终确定孤岛的存在。

3.2.6 频率跳变检测法

频率跳变是主动式频移检测法的一个修正，在该方案中，死区按预先设定的模式被插入输出电流波形，但不是每个周期，而是每间隔几个周期插入一次死区。当电网连接时，频率跳变导致并网逆变器的输出电流，偶而失真，但是电网控制Va的电压波形。在电网跳闸后，频率跳变方案可以和主动式频移方案一样，通过驱动频率偏移来禁止孤岛效应，也可以通过检测与并网逆变器输出电流波形一致的电压Va的频率来检测孤岛效应。当单台并网逆变器系统采用频率跳变方案时，如果采用足够复杂的电流波形，该方案具有相对有效的孤岛检测性能。该方案与阻抗测量以及主动式频移方案一样，在连接有多台并网逆变器的系统中会产生稀释效应，除非电流波形的变化同步进行。

3.3 电网侧反孤岛检测法

3.3.1 阻抗插入检测法

   阻抗插入法通过在电网中可能发生的孤岛效应的区域内安装一个低阻抗元件(通常是电容器组)来实现。以图3-5为例，在电网侧的b点通过开关K连接了一个电容器组，K通常跳开。当电网侧开关Kl跳开时，经过短暂延迟，开关闭合，接入电容器组。如果电网跳闸前局部负载与逆变器输出功率匹配，附加的大电容将打破能量平衡状态，导致电流一电压相位的突变和频率的突降，触发了欠频保护。网侧开关Kl跳开与电容器组开关K闭合之间的短暂延迟是必须的，因为附加的大电容也可能补偿感性负载，从而导致了功率匹配状态，使孤岛效应检测失败，在这种情况下，感性负载很大，如果电网跳闸，在连上电容器组之前就会发生很大的频率偏移，短暂的延迟将允许充足的时间来检测到频率变化。

图3-5  阻抗插入方案示意图

只要在电网跳闸和插入电容器组之间允许适当的时间延迟以确保电容器组的插入不会导致并网逆变器与负载的功率平衡，该方案对孤岛效应的检测非常有效。此外需要的电容器组很容易获得，并且还可以进行无功补偿。

然而阻抗插入法也存在四个严重的缺点：

(1)电容器组增加了成本，使得采用该方案的并网逆变器经济上不可行，同时如果系统中多台并网逆变器的安装时间不同，无法确定谁来负责电容器组的费用；

(2)电网存在多个串联开关，它们都有导致孤岛效应发生的可能，也就是说可能形成不同结构和形式的孤岛系统，那么采用该方案时每个开关处都不得不配备一个电容器组；

(3)由于电容器组的投入需要延迟，响应的速度要比其它方案慢，可能不满足并网标准对检测时间的规定：

(4)该方案需要将电容器组安装在电网侧，使得安装过程复杂化，同时这种安排对电网也有不利影响。

3.3.2 远程通讯监控手段

利用电力载波通讯PLCC(power line carrier communication)、网络监控数据采集系统SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)等远程通讯手段监控线路、电网、分布电站上所有继电器状态，及时检测出孤岛区。

3.4 检测盲区及有效性分析

经过理论分析和相关实验，发现以上介绍的这些孤岛检测方法几乎都存在检测失败的情况，即检测盲区。但是我们可以用不匹配功率的大小和具体负载对检测盲区（non-detection zone）NDZ进行定量的描述，而反孤岛检测方案NDZ的大小反映了该方案检测孤岛效应的有效性，因此NDZ可以做为评估反孤岛方案有效性的一个性能指标。通常被动式反孤岛方案的有效性用功率不匹配坐标系×描述的不可检测区域(NDZ)来评估，为了评估主动式方案，主要有基于具体负载参数的坐标系L×Cnorm，和基于负载特征参数坐标系Qf×f0来评估反孤岛方案。

为方便本文分析，现假设：并网逆变器运行于单位功率因数正弦波的控制模式；在孤岛发生的短时间内并网逆变器近似为电流源；局部负载为并联RLC负载；电网维持稳定的电压和频率。

3.4.1 基于×坐标系的有效性评估

×坐标系是基于孤岛效应的原理定义的功率不匹配坐标系，、反映的只是电网跳闸前后系统中功率流的变化情况，因此×坐标系只能对被动式反孤岛方案的NDZ进行定量的描述。

由图3-1描述的孤岛系统的原理电路由光伏系统、电网、并联RLC负载以及电网侧断路器组成。

由前面的分析，如果功率不匹配较严重，即、比较大，则新的稳态工作点将超出电压、频率的正常工作范围，过/欠压、过/欠频保护将切除光伏并网系统，阻止了孤岛效应的持续发生。如果功率不匹配较轻，即、比较小，则孤岛系统中的电压和频率变化较小，不足以使反孤岛保护在规定的时间内检测到电网断电的情况，孤岛效应将持续发生。

以上情况用功率不匹配×坐标系来描述，就是指在×坐标系的原点即=0和=0的附近区域中，公共耦合处的电压或频率的变化不足以触发反孤岛保护，这种区域就定义为×坐标系中的NDZ，如图3-6所示，其中有功功率不匹配可由电压工作范围的上下限反映，无功功率不匹配可由频率工作范围的上下限反映。

图3-6  基于×坐标系的NDZ

基于×坐标系中的NDZ只能用来评估被动式反孤岛方案的有效性，对于三种常用的被动式反孤岛检测即过/欠压、过/欠频保护和相位跳变方案的NDZ边界问题，作如下讨论：

图3-1所示的电路中，RLC负载的幅值和相位可以用负载参数R，L和C或负载品质因数Qf，与谐振频率fo来表示，即：

                (3-3)

  （3-4）

，，为任意频率。

电网未断开前

  （3-5）

  （3-6）

为电网电压，为电网频率。

  （3-7）

  （3-8）

当电网跳闸时RLC负载由光伏系统单独提供能量，a处的电压和频率依靠局部负载的特性，负载需求的功率由并网逆变器的控制策略决定。

  （3-9）

负载电压和频率(即)的最终值将由上式确定。若且，过/欠压、过/欠频保护将检测失败。

3.4.2 基于L×Cnorm坐标系的有效性评估

功率不匹配坐标系×不能用来评估主动式反孤岛方案的有效性，因此为了准确的评估主动式反孤岛方案，需要一种基于具体负载参数的坐标系。以电感L为横坐标而电容Cnorm为纵坐标的负载参数坐标系L×Cnorm可以针对最坏情况的负载进行分析。

Cnorm定义为负载电容C与谐振电容Cres之比(Cres和负载电感L的谐振频率为电网频率Wg即：)，则：

  （3-10）

负载参数坐标系L×Cnorm与相位判据密切相关，相位判据是用来分析基于频率变化的反孤岛方案有效性的一项指标。由于触发过/欠压保护需要较大的有功功率不匹配，且系统中电压变动比频率变动相对难实现，所以许多主动式反孤岛方案都采用偏移频率来触发过/欠频保护的方法。

孤岛效应的发生必须满足相位平衡关系，即，可作为孤岛效应发生的一个判断标准，简称为相位判据。

在RLC负载的情况下，相位判据可用具体负载参数(R，L和C)和频率w的表达式来描述，即        

可化为：  （3-11）

式(3-11)可称为L×Cnorm坐标系的相位判据，相位判据只能预测基于频率的反孤岛方案NDZ的大小和位置，而不能预测孤岛效应持续发生的时间。

以下将主要分析AFD检测方案基于L×Cnorm坐标系的NDZ边界。

以向上频移方案为例，采用恒频率偏移(即不变)的并网逆变器的输出电流可由下式表示：

  （3-12）

采用恒频率偏移的并网逆变器输出电流的基波分量超前于电压的相位角，可近似表示为：

  （3-13）

由于 ，

于是式（3-13）可化为：

  （3-14）

则可得AFD方案的相位判据为：

   （3-15）

因此孤岛系统的稳态频率可以近似表示为：

  （3-16）

当孤岛系统到达上式确定的、比负载谐振频率略高的稳态频率时，系统的频率将不再升高。如果稳态频率位于过/欠频保护的范围内且RLC负载的电压幅值也在过/欠压保护的范围内，孤岛效应将持续进行。

通过分别计算和，可得基于L×Cnorm坐标系中主动式频率的NDZ边界为：

  （3-17）

第四章  有功电流扰动孤岛检测法的分析

4.1 有功电流扰动孤岛检测原理

有功电流扰动法是一种主动的孤岛检测方法。对于电流源控制型的逆变器，如图4-1所示，Lf、Cf为逆变器输出滤波电感和滤波电容，RLC为负载，S1为并网开关。ig为电流基准，igd为周期性的扰动信号。

图4-1  有功电流扰动控制框图

每隔一定时间，减少输出电流给定值，则改变其输出有功。当市电存在时，逆变器输出电压恒定为电网电压；当市电断电，逆变器输出电压由负载决定。一旦到达扰动时刻，输出电流幅值改变，则负载上电压随之变化，即可检测到孤岛发生。

有功电流扰动法的控制思想简单，易于实现，对电网也不会造成污染，但是当孤岛时刻负载有功需求恰好与扰动输出有功匹配，那么孤岛检测失败。在这里有两种可能情况：一是扰动信号为周期性的减小电流给定，如果断网后，逆变器输出功率大于负载所需功率，则输出电压本应该变大，可如果此时在扰动信号的共同作用下，使得输出电压正好抵消变化或者变化不是很明显，则孤岛检测失效；另一种是扰动信号为周期性的增加电流给定，如果断网后，逆变器输出功率小于负载所需功率，则输出电压本应该变小，可如果此时在扰动信号增加电流给定的共同作用下，使得输出电压正好抵消变化或者变化不是很明显，则孤岛检测同样失效。

同时，当孤岛中存在多个分布式并网发电系统并联供电时，由于多个并网系统难以做到有功干扰的同步，这种方法会受到平均效果的影响。若孤岛中存在N个分布式并网系统同时运行时，某一并网逆变器单独进行有功干扰，其输出电流幅值的干扰比例为S时，则平均后线路电压的波动为S/N，即使发生孤岛，逆变器输出端电压受平均效果的影响，电压变化不是很大，以此方法来判断孤岛是不准确的。

4.2 有功电流全扰动孤岛检测方法

4.2.1 全扰动孤岛检测原理

为了进一步减小扰动量对进网功率的的影响，同时也对同时存在多个分布式发电系统并联供电的情况，下面分析了一种有功电流全扰动孤岛检测方法。

全扰动控制算法是：在原电流的基准ig上，施加两个扰动信号，一个为周期性扰动信号Igd(每隔固定时间作用一次)，另一个为每个电网周期都发生作用的扰动信号Id。且在施加扰动之前，首先判断输出电压的变化情况，然后再分别施加相应的扰动。通过这两个扰动信号共同作用来检测孤岛。

对电流控制型逆变器，如果输出完全跟踪基准，则输出电流幅值Io可表示为：

  （4-1）

其中：Ig为电流给定幅值，Igd为周期性扰动信号的幅值，Id可为每个周期都发生作用的扰动幅值。其大小由以下方程决定：

            （4-2）

上式中，ID为周期性扰动信号的大小，Id为每个周期的扰动叠加量。Δx为扰动量大小。U0 (k) 表示本周期逆变器输出电压最大幅值，U0(k-1)表示上一周期逆变器输出最大幅值。两扰动信号的大小都跟输出电压的变化情况有关。

如图4-1所示，不加扰动情况下，输出电流跟随给定电流ig (与电网同频同相的正弦信号），则逆变器输出电流i0 =ig，添加扰动信号 Igd和 Id之后实际的输出电流为：

  （4-3）

其中ω为电网角频率。

并网时：输出端节点电压受电网电压钳制，其大小和电网电压一样，基本保持不变，则扰动信号Id始终为零，不进行累加，没到周期扰动时，逆变器进网电流是恒定值，当周期扰动到来时，此时进网电流幅值减小Igd，周期扰动结束后，进网电流又恢复原来值。因此，在并网过程中，扰动信号对电网和系统控制基本不带来影响，周期性的扰动信号仅改变进网功率的大小

断网后：逆变器输出端电压由输出电流和负载Z共同决定：

  （4-4）

通过观察逆变器输出端电压的变化情况就可以来检测孤岛是否发生。

4.2.2 断网后三种检测情况分析

(1)当逆变器输出功率大于负载所需功率，则逆变器输出电压将变大，即。则由式(4-2)知：Id=Id+x，则总的电流基准变大，输出电流变大，则由式(4-4)知输出电压变得更大，由于Id每个电网周期不断累加，结果使得输出电压持续变大，最终会超过规定的阀值，检测到孤岛的发生。如果在这过程中周期性扰动信号Igd也到来，则Igd也为一正值，两扰动信号同时发生作用，使输出电压进一步增加，将加速孤岛的检测。其变化趋势如图4-2 (a)所示。

(2)当逆变器输出功率小于载所需功率时，则逆变器输出电压将变小，即。则由式(4-2)知：Id=Id--x，则总的电流基准变小，使输出电流变小，则由式（4-4）知输出电压更小，由于Id每个周期不断累减，结果使得输出电压持续变小，最终会超过规定的阀值，检测到孤岛的发生。如果在这过程中，周期性扰动信号也到来，则Igd也为一负值，两扰动信号同时发生作用，使输出电压进一步变小，将加速孤岛的检测。其变化趋势如图4-2(b)所示。

图4-2  断网后的扰动情况

(3)当逆变器输出功率等于负载所需功率时，则逆变器输出电压不变，则Id＝0，如果周期性扰动没有到来之前，两扰动都不发生作用，输出电压一直保持不变，故不能检测出孤岛的发生。但当周期扰动到来时，由，则由式(4-1)可知：。这将使电流基准减小，则输出电压减小，后面的情形类似于逆变器输出功率小于负载所需功率的情况。同样会检测到孤岛的发生。

从以上的分析可以看出：在逆变器输出功率和负载所需功率不匹配的情况下，每个周期都发生作用的扰动信号Id会使输出电压连续的增大或减小，完全可以检测出孤岛的发生。而固定时间作用的周期扰动信号Igd的作用是在逆变器功率完全匹配，输出电压不会发生变化的情况下给一个负的扰动，使输出电压变小，打破功率平衡状态，从而使扰动信号Id发生作用。在输出功率不匹配的情况下，周期扰动信号Igd会加速输出电压的变化速度，从而快速的检测出孤岛的发生。这种控制方法不会存在孤岛检测失效的情况，而且对于多个分布式发电系统并联的情况，受平均效果的影响小，只要能够检测出输出电压的改变，都能够使输出电压向同一方向发生持续的变化，从而快速检测到孤岛的发生。

4.2.3 参数设计

在周期性扰动信号Igd的设计中考虑以下两问题：

(1)扰动信号Igd的周期不能太长，太长可能影响孤岛检测的速度，太短又使并网时进网功率变化频繁，影响系统稳定。

(2) Igd的作用量不能太大，太大当并网时，在带关键性负载的并网模式下，当周期性扰动发生作用时，逆变器输出功率可能小于负载所需功率，则存在电网向负载传输能量的情况。

设扰动信号扰动Igd比例为x1，扰动周期为t1。扰动信号Id的扰动比例为x2，检测周期数为n，电网周期为T，设检测阀值范围为(0.88Un~1.1Un)，Un为电网额定电压幅值。断网后，在功率不匹配的情况下，当输出电压变大时，只要满足：

  （4-5）

当输出电压变小时，只要满足：

  （4-6）

取其最大值nx2 > 0.12。则其检测时间为nT，这期间如果Igd发生作用，则检测时间更短。在功率不匹配的情况，最长检测时间为：t1+nT。当输出电压幅值小于0.5Un或者大于1.37Un时，完全可以通过被动法检测出来。为保证检测时间符合如表4.1所示的检测标准。其中 Ua和Un分别为端电压和市电的幅值，周期为市电周期。只需保证t1+nT<120T 即可。可得：t1<2.4-0.02n。再由nx2 >0.12可合理选取相应参数。

表4.1  IEEE 929-2000 孤岛保护的时间标准

图4-3为电流扰动的主要仿真模块。其中(a)是仿真总体模块图，其中包括主电路模块、控制模块、负载和电网，在逆变器输出侧和电网侧都有相应的开关控制通断。其中主电路模块是双降压桥式逆变器如(b)所示，控制模块包括扰动信号的发生、PI 调节和滞环控制，如图(c)所示。从控制模块中发出相应的驱动信号再送入主电路，以此来驱动开关管，从而实现输出功率的控制。

(a)  整体系统仿真模型

(b)  主电路图模块

(c)  控制仿真模块

图4-3  仿真电路图

仿真研究中，以双降压桥式逆变器为主电路，电网电压 220V/50Hz，额定功率1kVA。滤波电感Lf=520μH，Cf=9.4μF。扰动信号Igd周期为0.8s，即每0.8秒钟作用一次，每次作用2个电网周期即0.04秒，扰动比例为0.1，即使电流基准改变1/10。Id的扰动比例为0.03。为了让输出端电压变化趋势看上去明显，仿真中设定的过欠压阀值为0.8Un~1.2Un，Un为额定市电幅值。图4-4为有功电流全扰动仿真波形。

三种情况电网断电时间都是在1.5s时刻。从输出电压波形上可以看出，在电网断电之前，由于输出电压和电网电压一样，尽管输出电流在0.8s时发生一次扰动，输出电压还是保持不变。

仿真结果如图4-4所示：0~1.5s处于并网状态，1.5s 后断网。从仿真波形中可以看出，输出电流每隔1s发生一次扰动，但是在并网期间，输出电压和电网电压一样。当电网断电后，当扰动到来时，输出电压跟随了电流发生相应的变化。电压幅值减小到248V。

(a)输出电流波形

(b)输出电压波形

图4-4 电流扰动仿真波形

从仿真波形中可以看出：

(1)如果不加电压的方向的判断，只施加周期性的扰动信号，要检测出孤岛，扰动信号必须设置很大。尤其是扰动方向与输出端电压变化方向相反的情况下，扰动量必须抵消不匹配量，即扰动比例至少大于0.4。

(2)如果先判断电压变化再施加周期性扰动信号，则扰动量可以减小，扰动比例选0.2就可以实现无盲区的检测。

(3)如果按照本文介绍的全扰动控制方法，先判断电压变化方向，再施加两个不同作用的扰动信号，则周期扰动比例可以0.1或更小，即只要使输出端电压发生变化即可。

从以上的分析可以看出：这种有功电流全扰动控制的孤岛检测方法可以无盲区的检测出孤岛的发生。增大扰动信号Id的扰动比例可以加快检测的速度。其检测时间完全可以满足IEEE2000-929标准。

结束语

随着新能源发电的迅速发展，越来越多的并网系统同时向公共电网供电时发生孤岛效应的机率也随之增加，孤岛效应检测是逆变器并网不可缺少的保护检测之一，孤岛的检测是并网安全性需要考虑的重要因素，对孤岛效应的研究已经进行了二十余年，但是还有很多问题没有解决，目前国际上对于反孤岛方案的评估并没有统一的规定，本文对并网逆变器及孤岛检测技术的研究，主要完成了以下工作：

1．阅读了大量的国内外关于并网以及孤岛效应的文献，在此基础上，对并网系统的原理进行了分析，同时介绍了现有各种检测技术的工作原理和优缺点。

2．利用非检测区作为反孤岛放案的性能指标，利用相位判据，对几种频率扰动

方案在几种不同坐标系下的非检测区进行了定量分析。

3．选取有功电流全扰动孤岛检测方案作为系统反孤岛检测的主动方案，完成了其参数设计及仿真。

由于时间所限，本文的研究进展也有限，仍然有大量的工作需要做，本文使用有功电流全扰动孤岛检测方法，但可以采用其他检测方法，并用实验验证比较之。

致  谢

首先我要由衷地感谢我的导师王瑾，本论文是在她的精心指导和亲切关怀下完成的。在毕业设计期里，王老师一直在学习、科研各个方面都给予我极大的关怀。在论文的选题、研究方向和研究方案的确立以及撰写的过程中，始终凝聚着王老师的悉心指导和亲切教诲。在此，谨向王老师表示衷心的感谢和崇高的敬意!

在课题准备和研究过程中，得到了学长张天华、学姐李琴琴以及一起工作学习的同学们：史誉成、王大猛、包小虎等的帮助，对你们给予的无私帮助表示深深的谢意。和你们分享的不仅仅是学习的进步，同时还有生活中的快乐。

最后，特别感谢我的家人，在这么多年里他们在生活中始终给予了我无微不至的关心、鼓励我专心完成学业。他们一直是我精神上不竭的动力。感谢所有帮助过我的老师们、同学们和朋友们!

参考文献

[1] John Stevens，Russell Bonn，Jerry Ginn．Development and Testing of an Approach to Anti-islanding in Utility-Interconnected Photovoltaic Systems，Photovoltaic System Applications Department，Sandia National Laboratories，2000：2000~1939．

[2] 鹿婷，段善旭，康勇．逆变器并网的孤岛检测方法，通信电源技术，2006，23(3)：38~41．

[3]    Lopes L.A.C，Huili Sun．Performance assessment of active frequency drifting islanding detection methods，IEEE Trans. on Energy Conversion，2006，21(3)：171~180．

[4] 彭力，张宇，康勇等．高性能逆变器模拟控制器设计方法，中国电机工程学报，2006，26(6)：~94．

[5]    董密，罗安．光伏并网发电系统中逆变器的设计与控制方法，电力系统自动化，2006，30(20)：97~102．

[6]    李进兵，荣雅君，东杰，安刚虎.分布式电源并网系统孤岛检测方法综合比较，燕山大学电气工程学院，066004.

[7]    刘方锐，康勇，张宇，光伏并网逆变器的孤岛检测技术，电力科学和技术学报，2009，24(1)：8~11.

[8]    郭小强，赵清林，邬伟扬. 光伏并网发电系统孤岛检测技术，电工技术学报, 2007, (04) .

[9]    张纯江，郭忠南，孟慧英，刘炜. 主动电流扰动法在并网发电系统孤岛检测中的应用，工技术学报，2007， (07) .

[10]    Ropp M E B,Rohatgi M A. Determining the relative effectiveness of islanding detection methods using phase criteria and nondetection zones[J] .IEEE Transactions on Energy Conversion, 2000,15, 15 (2) :290-296 .

[11] 丁明，王敏．分布式发电技术，电力自动化设备，2004，24(7)：31~36．

[12] Peng F Z，Editonial Special Issue on Distributed power generation，IEEE Trans. on power

Electronics，2004，19 (5)：1157~1158．

[13] IEEE Standard for interconnecting Distributed Resources With Electronics Power Systems，IEEE1547-2003．

[14] 张娟．并网逆变器关键技术的研究，[硕士学位论文]，南京，南京航空航天大学，2007.

[15] 张纯江，郭忠南，孟慧英，刘炜．主动电流扰动法在并网发电系统孤岛检测中的应用．电工技术学报．2007，7．第22卷第7期.

[16] 郭小强，赵清林，邬伟扬．光伏并网发电系统孤岛检测技术．电工技术学报．2007，4．第22卷第4期，P157-161．

[17] 赵为，余世杰，沈玉梁，苏建徽．光伏并网发电系统的孤岛效应与防止策略．太阳能学报．2003，4．增刊，p94-97．

[18] Ward Bower，Michael Ropp，Evaluation of islanding detection methods for photovoltaicutility-interactive power systems，Report IEA-PVPS T5-09：2002，March 2002．

[19] 姚丹，分布式发电系统孤岛效应的研究，合肥工业大学硕士学位论文，2006，5．

[20] 奚淡基，逆变器并网孤岛检测技术的研究，浙江大学硕士学位论文，2006，3．

[21] John Stevens，Russell Bonn，Jerry Ginn．Development and Testing of an Approach to Anti-islanding in Utility-Interconnected Photovoltaic Systems，Photovoltaic System Applications Department，Sandia National Laboratories，2000：2000~1939．

[22] 张纯江，郭忠南，孟慧英等．主动电流扰动法在并网发电系统孤岛检测中的应用，电工技术学报，2007，22(7)：176-180．

附录