摘要：  光伏并网发电系统不允许运行在孤岛状态，因此孤岛检测是光伏并网逆变器的核心技术之一。本文介绍了光伏并网发电系统孤岛检测的原理和研究进展。对比分析了常用的孤岛检测方法的优缺点及其改进策略。

关键字：  分布式并网发电系统，  孤岛现象，  

1引言

“孤岛”是指公共电网停止供电后，各个用户端的分布式并网发电系统未能及时检测出停电状态，继续向周围的负载供电，从而形成一个公共电网无法控制的自给供电网络，如图1所示。

孤岛现象可能造成以下危害：威胁电力公司输电线路维修人员的人身安全;影响电能质量，造成孤岛区的电压与频率不稳定，并可能损坏用电设备;对于单相光伏并网的三相系统造成欠相供电问题等[2]。因此，孤岛检测是光伏并网发电系统中不可缺少的重要环节。

针对分布式发电系统的并网问题，美国电气及电子工程师协会制订的光伏系统并网标准IEEE Std. 929-2000 中规定：(1)PV逆变器输出有功功率与负载消耗功率的失配度大于50%;或：本地负载功率因数小于95%时，电网失压后必须在10个周波内停止向电网供电。(2)有功功率失配度在50%内且本地负载功率因数大于95%时，逆变器应能在电网失压后2s内停止对电网供电。上述指标针对的是负载品质因数小于2.5的并联谐振负载。中国国家标准请参看GB/T20046-2006“光伏(PV)系统电网接口特性”。

2　被动式孤岛检测方法

被动式(又称无源法)孤岛检测方法通过被动地监测公共耦合点(Point of Common Coupling， PCC)电压的参数(电压幅值、频率、谐波等)是否超过设定的阈值来控制逆

变器是否停止运行。其特点是：不需要添加扰动，因此检测速度快，输出电能质量高;在多台逆变器并联运行的情况下，检测效率也不会降低;但存在较大的检测盲区(Nondetection Zone， NDZ)，一般应与主动式检测方法结合使用。

2.1过/欠电压与过/欠频率检测方法(OVP/UVP， OFP/UFP)

孤岛检测的实质就是电网的断电检测，光伏并网系统的等效电路如图2所示。分析可知，负载有功和无功功率分别为

似乎通过检测公共点电压与频率就可以判断是否处于孤岛状态，但实际上，由于公共电网的电压与频率在正常情况下也会有微小波动，所以正常的电压与频率只能设定为一个范围。在这个前提下，仅当并网逆变器与负载功率不匹配程度足够大时，才能有效检测出孤岛状态，反之，孤岛检测会失败，即进入检测盲区。由以上分析可知，若正常范围的阈值设定过大则检测盲区也相应增大，若阈值设定过小则在电网正常波动时逆变器可能错误地检测出孤岛状态而脱离电网，即发生误判。

2.2 电压相位突跳检测方法(Phase Jump Detection， PJD)

电压相位突跳检测是通过监测逆变电流和公共点电压之间的相位差来检测孤岛状态的，如图3所示。由锁相环(PLL)控制逆变器输出电流与公共点电压在过零点同步，在两个过零点之间的波形则是确定的正弦波。当电网断开后，逆变器输出电压不能被电网电压锁定。在过零点之间，逆变器电流波形已经由上一次过零点确定，其频率不变，因为负载相位不会因电网断开而变化，因此在非纯阻性负载的情况下，断网后公共点电压必然跳到新的相位。在电网断开后的第一个过零点，就会检测到公共点电压和逆变器输出电流间的相位差超过设定阈值，即可判断正处于孤岛状态。

本方法的优点是易于实现，但也存在检测盲区问题，当某些负载起动(尤其是电动机)时，可能会产生较大的相位突跳。

2.3 电压谐波检测法(Harmonics Detection，HD)[6]

通过监测公共点电压总谐波失真(THD)来检测孤岛状态。在正常并网时，电网阻抗小，逆变器输出电流谐波主要注入电网，公共点电压被电网钳制，电压谐波很小。孤岛时，逆变器谐波电流流入负载产生电压谐波。其次，逆变器一般为电流控制模式，具有电流源特性，变压器原边(电网侧)断路后，逆变器电流对变压器副边绕组励磁，由于变压器的磁滞特性和非线性特性，电压波形含有较大THD。另外，某些非线性负载也会产生电压畸变。

此方法优点是即使在逆变器与负载功率匹配的情况下，也能很好的检测出孤岛。缺点是同样存在检测盲区，负载非线性严重时，阈值难以设定。

3主动式孤岛检测方法

主动式(也称有源法)孤岛检测方法通过在并网逆变器的输出电流上加入一定规律的幅值、频率、相位等扰动，当孤岛发生后，这种扰动会在输出端累加以致超出阈值并被检测出。该方法一般比被动式方法检测盲区小，检测速度可能稍慢，算法相对复杂。

3.1主动频率偏移法(Active Frequency Drift， AFD)

AFD法对逆变器输出电流注入一定的畸变，如图4所示。其中vPCC为公共耦合点电压，i为逆变器输出电流波形，i与vPCC的相位差总是固定不变的。在逆变器正常并网时，公共点电压频率由电网嵌制，孤岛时，畸变电流流过负载，迫使公共点电压频率改变，经过几个周期的累加作用，最终因公共点电压频率超出阈值而被检测出孤岛状态。

AFD容易实现，灵敏度较高;但由于引入电流畸变，对电能质量有一定影响。存在减小检测盲区和提高输出电能质量之间的矛盾。在AFD的基础上提出的带正反馈的主动频率偏移法(Active Frequency Drift with Positive Feedback， AFDPF)，其基本思想是在公共点电压波动时引入正反馈加大电压与电流的相位差从而加速波动。与AFD相比，在相同的相位差下能有效减小检测盲区，缓解了输出电能质量与检测效率的矛盾。

3.2滑模频率偏移法(Slip-Mode Frequency Shift， SMS)

本方法控制逆变器输出电流与公共点电压的相位差为公共点电压频率的函数，原理如图5所示(负载为容性时)。

其中，θm为滑动频率偏移算法的最大相移，fm为产生最大相移时对应的频率，fg为电网频率，f为公共点频率。

正常并网时，由于PLL的锁相作用，逆变器输出电流稳定在工频;当孤岛时，公共点电压受电流移相影响，过零时刻提前(或推后)，再由PLL锁相生成下周期电流，形成正反馈。最终将频率推出阈值从而判断出孤岛状态。

此方法只需要在原PLL基础上稍加改动，检测效率较高，盲区很小，但是由于改变输出电流的相位，对电能质量有一定影响。

3.3 输出功率扰动法(Output Power Perturbation， OPP)

在逆变器输出的有功和无功功率中周期性地加入扰动，当孤岛发生后，使公共点电压或频率改变，从而检测到孤岛状态。由于不能以恒定的PV板最大功率并网，此方法理论上会对并网效率产生负面影响。

(1)有功扰动法(Active Disturbance Detection， ADD)

本方法对逆变器输出电流幅值进行间歇性扰动，使输出有功功率发生变化。由过/欠压法原理知，当电网正常时，负载所需的有功由电网一起提供，孤岛时，输出电流幅值改变导致公共点电压也相应变化，即可检测出孤岛发生。

此法控制简单、方便，一般无盲区。问题是在多台逆变器并联运行时，扰动不同步会受平均效应的影响，可能造成电压闪变和电网不稳定。因此一般要进行多机通信，使多台逆变器同步扰动。

(2)无功补偿法(Reactive Power Compensation， RPC)

此法通过调节逆变器的无功功率输出，

改变逆变器输出无功与负载需要无功的匹配程度。由过/欠频法原理知，当孤岛时，若逆变器输出无功与负载需求不匹配，负载电压幅值或频率将会改变，从而检测出孤岛状态。

此方法一般无检测盲区，但控制策略比较复杂，也存在多台逆变器的同步问题。

3.4 2N周期电流扰动法

2N周期电流扰动法，不是单纯依靠检测公共耦合点电压频率是否超出规定频率范围来判断孤岛效应，而是根据公共耦合点相邻周期间的频率差是否正负连续交替变化来识别孤岛效应。工作过程为：在第2N个整数电压周期时，采用与AFD法相同的电流扰动，在第2N+1个整数电压周期时，逆变器输出电流与公共耦合点电压同频同相，不进行任何畸变，如图6所示。其中vPCC为公共耦合点电压，i为逆变器输出电流波形。

电网断电后，若负载固有频率小于电网频率，则公共点频率向减小方向移动。若负载固有频率大于电网频率，则公共点电压向增大方向移动。过渡过程结束后，相邻周期频率会稳定在两个频率上交替变化。其中2N周期电压频率较高，它是电流扰动的结果;2N+1周期频率较低，它是本地负载固有频率决定的。连续记录公共点相邻周期频率之差的正负交替变化次数，当超过设定次数时，进行孤岛保护。

本方法比AFD法检测盲区大大减小，对电能质量的影响也比AFD法小，但检测速度稍慢。特别是在多台逆变器并联运行时，要考虑同步问题。

4 总结

本文介绍了常用的本地孤岛检测的被动法与主动法，被动法对电能质量无影响，但盲区较大;主动法算法相对复杂，盲区小，一般对电能质量有一定影响。并网时，应根据具体指标，如电能质量、检测时间、并网效率等，选择几种优劣互补的方案，达到综合最优，实现孤岛防护的目的。