无源检测方法详解

逆变系统并网发电运行时通常工作于单位功率因数，即有Q=0，ΔQ=Q_load。显然负载需要的无功功率是由电网提供的，同时电网还需要提供给负载部分有功功率ΔP。当电网跳闸而出现孤岛现象时，本地负载完全由逆变器单独供电。因此，负载电压的幅值、相位或频率会发生相应的变化，无源检测是通过检测负载电压的变化来判断孤岛的发生。

9.2.2.1 过电压、欠电压检测和过频、欠频检测

IEEE Std.929-2000标准规定，并网发电系统必须具有过电压保护（OVP）、欠电压保护（UVP）、过频保护（OFP）和欠频保护（UFP）功能，并且规定了相应的保护阈值范围。当公共连接点电压超出设定的阈值范围时，在规定的时间内，系统需要检测到孤岛的发生，并且采取相应的保护措施，使发电系统与电网断开或者控制逆变器停止运行。

并网逆变系统采用图9-23所示的RLC并联来模拟本地负载时，负载消耗的功率为

式（9-9）和式（9-10）中，U_a为公共连接点a的电压幅值；ω为电压u_a的频率。

逆变系统在并网运行时，电网提供负载部分功率ΔP和ΔQ。当电网由于故障而跳闸时，即等效于并网断路器QF断开，逆变系统独立给负载供电的情况，此时ΔP和ΔQ都变为零。所以独立供电系统的运行状况取决于断路器QF断开前的ΔP和ΔQ，并且存在OVP、UVP、OFP和UFP四种情况。

1）ΔP＜0时，逆变系统输出的功率大于负载消耗的有功功率，即P＞P_load。当断路器QF断开的瞬间，ΔP突降为零，因此P_load会增大为P。而R在短时间内不会发生明显的变化，由式（9-9）可知，U_a将增大。如果a点电压超出OVP设定的阈值，即可检测到孤岛现象的发生。

2）ΔP＞0时，逆变系统输出的功率小于负载消耗的有功功率，即P＜P_load。当断路器QF断开的瞬间，ΔP突降为零，因此P_load会减小为P。而R在短时间内不会发生明显的变化，由式（9-9）可知，U_a将减小。如果a点电压超出UVP设定的阈值，即可检测到孤岛现象的发生。

3）ΔQ＞0时，负载需要吸收无功功率，是滞后功率因数角，即负载在电网频率下呈感性。当断路器QF断开时，ΔQ=0，由于逆变器以单位功率因数供电，即Q=0。因此，负载无功功率Q_load会减小为零。根据式（9-10）可知，公共连接点电压U_a的频率会增加到负载固有谐振频率ω_s。如果U_a的频率超出了OFP设定的阈值，即可检测到孤岛现象的发生。

4）ΔQ＜0时，负载将产生无功功率，是超前功率因数角，即负载在电网频率下呈容性。当断路器QF断开时，ΔQ=0，由于逆变器以单位功率因数供电，即Q=0。因此，负载无功功率Q_load会变为零。根据式（9-10）可知，公共连接点电压U_a的频率会减小到负载固有谐振频率ω_s。如果U_a的频率超出了UFP设定的阈值，即可检测到孤岛现象的发生。

并网发电系统采用过电压保护（OVP）、欠电压保护（UVP）、过频保护（OFP）和欠频保护（UFP）时，在逆变器输出功率与负载需要的有功功率或者无功功率不匹配的情况下，一旦出现孤岛运行状态，公共连接点电压的幅值或者频率会发生变化。如果超出预设的阈值就可以判断出孤岛的发生，从而采取相应的保护措施。然而，当逆变器输出功率与负载需要的有功功率或者无功功率基本匹配时，公共连接点电压的幅值或者频率变化较小，此时该方法失效，将不能检测孤岛现象的发生。

9.2.2.2 相位突变检测

逆变系统并网运行时，公共连接点a的电压由电网电压所钳位，即有

式中，U_m为电网电压幅值；φ₀为电网电压初始相位。

逆变系统并网发电运行时，应使逆变系统输出电流与电网电压同相位，以实现单位功率因数并网发电，即(www.xing528.com)

式中，I_m为并网逆变系统额定输出电流幅值。

此时负载电流由a点电压决定，即由电网电压决定，因此有

可见，并网运行时负载电流与电网电压的相位差由负载阻抗角φ决定。当电网突然断开后，即等效于断路器QF断开，出现了逆变系统单独给负载供电的孤岛现象。在孤岛现象发生前，逆变系统输出电流I_o与电网电压U_g仅在过零点发生同步。在过零点之间，I_o要跟随系统内部的参考电流而不会发生突变。因此，孤岛现象发生后负载电流会突变为逆变系统的输出电流，即

这时，a点电压由逆变系统输出电流I_o和负载阻抗Z所决定，即有

将式（9-15）与式（9-11）对比可见，孤岛现象发生后，a点电压的相位将会发生变化。因此，可以采用电压相位突变检测（PJD）方法来判断孤岛现象是否发生。如果负载为非纯阻性负载，即负载阻抗角φ不为零，则在孤岛现象发生后，公共连接点a的电压U_a与逆变系统输出电流I_o之间会产生一定的相位差φ，使输出电压U_a发生相位突变，如图9-24所示。通过检测a点电压U_a与逆变系统输出电流I_o之间的相位差φ，如果φ大于系统所规定的阈值，说明孤岛现象发生，控制器将断开或关闭并网逆变系统。

图9-24 电压相位突变

相位突变检测算法简单、易于实现，属于无源检测方法，不会影响逆变系统输出电能的质量，也不会影响系统的暂态响应。相位突变检测与过频、欠频检测相类似，在电网频率下，当负载阻抗角φ接近零时，即负载近似呈阻性时，该方法失效。通常相位突变检测需要与过电压、欠电压检测结合应用，以减小检测盲区，提高孤岛效应检测的可靠性。

9.2.2.3 电压谐波检测

电压谐波检测法是通过监测公共连接点电压U_a的总谐波畸变率（THD），判断THD是否超出设定的阈值范围来检测孤岛现象的发生。在并网逆变系统中，公共连接点电压U_a中的谐波来源于两个方面：一是电网电压畸变引起的a点电压畸变；另一方面是高频开关逆变器产生的电流谐波引起的a点电压的畸变。通常电网电压的谐波畸变较小，并且基本保持不变。在逆变器并网运行时，如图9-23所示，逆变器输出电流的谐波分量将通过公共连接点a流入电网。由于电网的阻抗很小，因此a点电压的总谐波畸变率通常较低，基本等于电网电压的总谐波畸变率。当电网断开后，逆变系统输出的电流谐波流入负载，由于负载阻抗通常要比电网阻抗大得多，因此逆变器输出电流谐波在a点将产生较大的谐波电压（谐波电流与负载阻抗的乘积）。通过检测公共连接点电压谐波含量或者谐波的变化与设定的阈值相比较，如果超出阈值范围，说明逆变系统处于孤岛状态，从而进行相应的保护。

理论上，电压谐波检测方法在一定范围内提高了孤岛现象检测的可靠性。但是在实际应用中，由于非线性负载等因素的存在，电网电压本身具有较大的谐波，而并网逆变器输出电流的总谐波畸变率要满足小于5%的标准，因此，使谐波检测的动作阈值不易确定，并且在非线性负载投入或开关动作时，容易引起误动作。因此，该方法具有较大的局限性。