混合孤岛检测方法

根据前面对无源孤岛检测和有源孤岛检测方法的分析可知，无源检测方法具有检测速度快、对发电质量影响小的优点，但是其检测盲区较大，并且在电网中有大负载投切时，还容易引起虚假孤岛保护的现象。而有源孤岛检测盲区小，检测的可靠性高，但是引入的电流扰动会降低发电质量，造成电网谐波污染。实际应用中，可将两种方法结合在一起使用，即所谓混合孤岛检测方法。下面就介绍一种将相位突变和过电压、欠电压无源检测与电流扰动有源检测有机地结合在一起的混合孤岛检测方法，该方法还具有预防虚假孤岛保护的功能。

这里采用的混合孤岛检测方法是以相位突变检测和过电压、欠电压检测为主体，只有在判断出可能出现孤岛状态的情况下才引入辅助电流扰动，以进一步判断孤岛是否发生。

混合孤岛检测中，相位突变检测作为独立的检测模块，主要针对本地负载呈电抗性的情况。IEEE Std 929-2000标准规定，电压频率超出额定频率0.5Hz或低于额定频率0.7Hz时需要进行孤岛保护。按照0.5Hz折算的相位超前或滞后角度为3.6°，因此相位突变检测中设定的相位阈值为3.6°。逆变器输出电流指令信号I_ref只跟踪公共连接点电压的正向过零点，到下一个正向过零点之前，按照工频由控制器查表产生指令信号I_ref。因此，由式（9-15）可知，电抗性负载情况下发生孤岛现象时，公共连接点电压U_a的相位会发生突变，相位突变检测模块在下一个过零点处可以计算出电压U_a相位的变化量，如果负载阻抗角φ大于设定的阈值，可以判断出孤岛的发生。该模块发出控制信号，采取相应的孤岛保护措施。但是，当负载阻抗角较小或近似呈阻性时，相位突变检测失效。此时，可以利用过电压、欠电压检测来判断孤岛是否发生。

电压检测模块中，首先计算连接点电压的幅值U_a，判断是否满足U_a/U_nom＜50%或者U_a/U_nom＞137%，如果满足条件则说明系统处于孤岛运行状态，该模块输出控制信号，使逆变系统停止工作，实现孤岛保护；如果不满足条件，则继续判断是否满足88%＜U_a/U_nom＜110%，如果满足该条件系统可以正常工作。否则，说明系统可能出现了孤岛现象，需要进一步判断。此时可引入电流扰动，使逆变系统输出电流幅值降为0.3I_m，然后判断是否满足U_a/U_nom＜50%，如果满足说明属于存在孤岛，从而要进行保护；否则，说明是由于电网异常引起的电压波动，属于虚假孤岛现象，系统可以继续工作。

图9-27 混合孤岛检测流程图

根据混合孤岛检测原理分析，可以得到孤岛检测流程图如图9-27所示。由图9-27可见，在每个工频周期分别对公共连接点电压的幅值和相位检测一次，当电压U_a与逆变器输出电流I_o的相位差超出了规定的阈值±3.6°或者U_a的幅值小于电网额定电压幅值的50%或大于额定电压幅值的137%时，说明系统出现了孤岛现象，需要采取相应的保护措施。如果电压U_a的相位差没有超出设定的阈值，并且电压U_a的幅值在电网额定电压幅值的50%～88%之间或在110%～137%之间时，系统可能出现了孤岛现象，也可能是由于电网中大负载的投切引起的电压波动。因此，在这种情况下不能完全确定系统处于孤岛运行状态，需要进一步判断。此时，引入并网电流的有源扰动，即令逆变系统输出电流指令为I_ref=0.3I_m，并重新检测公共连接点电压U_a的幅值，如果小于电网额定电压幅值的50%，说明系统出现了孤岛现象；否则，是虚假孤岛现象，重新恢复输出电流指令为额定值，使系统正常工作。

图9-28 感性负载下孤岛检测波形图

该孤岛检测方法在系统正常工作时，不会引入并网电流的扰动，只有在判断出孤岛可能发生的情况下才引入有源电流扰动。因此，该检测方法有效地克服了采用周期电流扰动有源检测对并网系统的影响，并且有效地预防了由于电网电压波动引起的虚假孤岛保护现象。(www.xing528.com)

图9-28是感性负载下，混合孤岛检测方法的相关波形图。在图中在0.465s时孤岛发生，如图9-28a所示。此时逆变系统单独给负载供电，负载电流突变为逆变系统输出电流。由于负载呈感性，导致公共连接点电压在0.479s处提前正向过零，如图9-28b和9-28c所示。系统检测到相位突变18°，超出了预设的阈值，判断出孤岛的发生，逆变系统停止工作使输出电流变为零，实现了孤岛保护。容性负载的检测原理与感性负载的检测原理相同，不再赘述。

由图9-28可知，相位突变检测在负载呈电抗性时可以检测到孤岛的发生。但是，当负载近似呈电阻性（负载阻抗角φ＜3.6°）时，相位突变检测方法将无法检测到孤岛现象的发生。此时，采用具有电流扰动的过电压、欠电压检测可以在一定程度上解决这一问题，如图9-29所示。

图9-29 阻性负载下孤岛检测波形图

如图9-29所示，在0.185s时电网断电，发生孤岛现象，逆变系统单独向负载供电。由于负载呈电阻性，相位突变检测方法失效。但是，由于负载功率略大于逆变器输出功率，引起公共连接点电压有所下降，如图9-29a和图9-29b所示。在0.24s电压正向过零点处，检测到公共连接点电压峰值降至272V，低于0.88U_nom。为了避免大负载的投切引起的虚假孤岛保护的发生，此时不能确定孤岛现象是否发生。因此，将逆变系统输出电流调整至0.3I_m，然后重新检测公共连接点电压的变化情况，如图9-29c所示。在0.28s电压正向过零点处，检测到公共连接点电压峰值降至130V，超出预设的阈值，说明系统发生真实孤岛现象，使逆变系统停止工作，实现了快速有效的孤岛保护。孤岛检测跳闸时间为0.095s，约5个工频周期，远远低于IEEE Std 929-2000规定120个工频周期的标准。由于负载为RLC并联负载，因此，当光伏系统停止供电时，负载会发生衰减振荡，负载电压逐渐衰减至零。

该混合孤岛检测方法还具有预防虚假孤岛保护的功能，如图9-30所示。电网在0.445s发生电压跌落，如图9-30a所示，电网电压峰值降至223V，并持续两个工频周期后恢复正常。由于电网未断电，因此，公共连接点电压U_a即为电网电压，在0.48s时系统检测到U_a峰值降至0.88U_nom以下。根据流程图9-27所示，将逆变系统输出电流调整至0.3I_m，如图9-30b所示，然后重新检测公共连接点电压峰值的变化情况。由于电网未断电，公共连接点电压峰值不受光伏系统输出电流的影响，在0.5s时，系统检测到U_a峰值仍然为223V，大于0.5U_nom，说明是虚假孤岛现象。逆变系统在下一个周期恢复电流指令为I_m，使系统继续正常工作。仿真结果表明，该方法可以有效地避免由于电网中大负载的投切引起的虚假孤岛保护现象，提高了孤岛检测的准确性。

图9-30 预防虚假孤岛保护波形图