有源检测方法详解

有源孤岛现象检测方法通常需要给系统注入一定的扰动信号，使系统在孤岛现象发生时使公共连接点电压产生明显的变化。有源孤岛检测主要包括有源电流扰动、有源频率偏移（Active Frequency Drifting，AFD）和滑模频率偏移（Slide-Mode frequency Shifting，SMS）等方法。有源孤岛现象检测中，引入的扰动能够破坏并网系统和负载的功率平衡，从而检测到孤岛现象的发生，可以有效地减小检测盲区。

9.2.3.1 有源电流扰动法

有源电流扰动法是通过给并网逆变器施加周期性的电流扰动，以破坏逆变器与负载之间的功率平衡，达到检测孤岛现象的目的。在孤岛现象发生后，通过检测公共连接点的电压变化，从而判断出孤岛现象的发生。有源电流扰动法通常需要与过电压、欠电压检测结合使用。在单独采用过电压、欠电压检测时，如果逆变器额定输出功率与本地负载功率相匹配，在逆变器脱网运行时，公共连接点的电压不会发生明显的变化。此时，过电压、欠电压检测失效。此时，如果改变逆变器输出电流的幅值，那么公共连接点电压的幅值就会发生相应的变化。当超出设定的阈值时，可以判断出孤岛的发生。如果逆变器并网运行，公共连接点的电压由电网电压所钳位，即使引入电流扰动也不会改变连接点的电压。

在电网电压为220V/50Hz、逆变器额定输出功率为1kW以及本地负载为阻性1kW的情况下，有源电流扰动孤岛现象检测波形如图9-25所示。每隔20个工频周期将逆变器输出电流降为额定幅值的一半，并且持续两个工频周期后恢复为额定值，以保证系统具有足够的检测和判断时间，如图9-25a所示。图9-25b为电网电压波形，在0.5s处电网跳闸，即电网电压突降为零。图9-25c给出了公共连接点的电压波形，可见逆变器在正常并网运行时，公共连接点的电压完全等于电网电压，在0.36s处的电流扰动对公共连接点的电压没有任何影响。由于负载功率与逆变器输出功率相匹配，因此在电网跳脱后公共连接点的电压基本不变，难以判断出孤岛的发生，直到下一个电流扰动（0.76s）出现时。当公共连接点的电压减小为额定电压的一半时，可以检测出孤岛的发生。

图9-25 有源电流扰动法孤岛现象检测波形

有源电流扰动检测方法具有原理简单、容易实现、电流谐波小的特点。但是，并网电流周期性变化，对逆变系统输出功率影响较大，对系统的动态性能要求较高。而且在多台逆变系统并网运行时，单台逆变器的电流扰动对公共连接点电压的影响减弱，降低了孤岛现象检测的可靠性。

9.2.3.2 有源频率偏移法

有源频率偏移（AFD）法是通过使逆变器输出电流的频率发生一定的偏移，来检测孤岛现象的方法。并网运行时，每个周期逆变器输出电流的初始相位都跟踪电网电压的相位，因此，微小的电流偏移对系统的正常运行不会产生明显的影响。当孤岛现象发生时，公共连接点电压U_a的频率会由于电流的偏移而发生改变，并产生一定的正反馈，从而加大U_a的频率偏移。当频率超出预设的阈值时，可以检测到孤岛现象的发生。

图9-26给出了逆变器引入频率偏移的电流波形，图中实线为逆变器输出电流I_o，虚线为电网电压U_g，T_u是电网电压周期，T_i是逆变器输出电流周期，t_z是逆变器输出电流偏移时间。

t_z与T_u/2的比值定义为斩波系数c_f为

c_f=2t_z/T_u （9-16）

(www.xing528.com)

图9-26 有源频率偏移法孤岛检测波形

在正半周期，逆变器输出电流的频率大于电网电压的频率，当逆变器输出电流达到零时，使其保持为零并持续t_z时间直到负半周期开始。在负半周期时，逆变器输出电流是正半周期的相反值，当电流达到零时，保持为零直到电网电压下一个过零点。

应用AFD法检测孤岛现象时，在阻性负载情况下，当电网跳闸时，在正半周期公共连接点的电压波形会跟随逆变器输出电流波形，在T_uz/2-t_z后变为零，使连接点电压U_a比电网电压提前t_z达到零；到负半周期，逆变器电流又会提前t_z过零，从而使U_a的频率进一步增加，当超出预设的频率阈值时，可以检测到孤岛的发生。当AFD法应用于感性负载时，因为感性负载在断网后有使连接点电压的频率上升的趋势，使其更快地超出频率保护阈值，从而检测出孤岛的发生。但是该方法应用于容性负载时，因为容性负载在断网后有使连接点电压的频率下降的趋势，如果频率下降的趋势和逆变器输出电流产生频率上升的趋势相抵消，则这种检测方法会失效。

采用有源频率偏移法时，斩波系数c_f越大，孤岛检测的可靠性越高，检测盲区越小，但是过大的c_f会增加逆变器输出电流的谐波含量，造成电网的谐波污染。

9.2.3.3 滑模频率偏移法

滑模频率偏移法（SMS）与有源频率偏移法（AFD）类似，主要区别在于AFD是给逆变器输出电流引入t_z而产生频率偏移，而SMS是通过引入相角偏移θ_s。在应用SMS方法进行孤岛现象检测时，并网逆变器输出电流为

式中，f为公共连接点电压的频率；f_g为电网频率；θ_sm为最大相位角；f_m为当θ_s=θ_sm时对应的最大频率。

孤岛发生后，对于阻性负载的情况，由于引入了偏移角θ_s，会使f增大。由式（9-18）可知，f的增大又会使θ_s进一步增加，在正反馈的作用下频率f不断增加，当f超出预设的频率阈值时，系统将检测到孤岛的发生。但是，对于RLC并联负载，当f满足式（9-19）时，当电网跳脱后，公共连接点电压的频率f将稳定在频率保护阈值范围之内，使系统无法检测到孤岛的发生。

由上述分析可知，SMS可以减小孤岛检测的盲区，但是该方法会影响逆变器输出的电能质量。此外，在RLC负载的相位增加的速度快于逆变器相位变化的速度的时候，即dθ_load/df＞dθ_s/df时，SMS孤岛检测方法失效。