基于功率扰动的反孤岛策略优化方案

众所周知，孤岛发生时最不容易检测到的情况就是负载完全匹配，即P=P_Load，Q=Q_Load，这种情况下，当孤岛发生时，显然逆变器的端电压及其频率是不发生变化的，通常的方法很难检测到电网断电，逆变器继续工作从而形成孤岛。如果当功率近似匹配时，逆变器的端电压及其频率的变化将非常小，从而进入不可检测区，导致逆变器的孤岛运行。显然，可以采用一些其他的检测方法来加强孤岛的检测能力，如频移法，但各类频移法的共同不足就是会向电网注入谐波而影响并网系统的电能质量。为了可靠检测孤岛并且不向电网注入谐波，其中一种简单思路就是采用基于有功或无功扰动的反孤岛策略，这种基于功率扰动的反孤岛策略亦属于主动式反孤岛策略^[31]。

7.3.2.1 基于有功功率扰动的反孤岛策略

1.工作原理

前面关于孤岛时功率匹配的理论分析表明：系统与电网断开瞬间，系统孤岛运行的系统的电压可表示为，显然，当PV提供的功率P＞P_Load时，逆变器的端电压U_i不断线性增加；而当P＜P_Load时，逆变器的端电压U_i不断地线性减小。

根据以上原理，一种简单的加强孤岛检测的反孤岛策略就是周期性地改变PV逆变器的输出有功功率^[31，32]。并网逆变器通常工作在电流控制模式，因此可以采用逆变器输出电流扰动来实现有功的扰动，即主动电流干扰法。

采用主动电流干扰法检测孤岛时，逆变器控制器将周期性地改变逆变器输出电流的幅值，亦即改变了逆变器输出的有功功率P，从而在电网断电时打破逆变器输出有功功率与负载消耗的有功功率平衡以影响公共节点的电压，使其超出过/欠电压保护阈值，从而检测出孤岛。

在不添加电流扰动的情况下，控制逆变器的输出电流使其跟随给定信号i_g（i_g一般为电网信号或者与电网同频同相的正弦信号），此时

i_L=i_g （7-37）

而在添加干扰信号后，电流的参考信号为正弦信号i_g和干扰信号i_gi的差，则

i_L′=i_g-i_gi （7-38）

电网断电时，PCC点的电压取决于逆变器输出电流和本地负载。如果逆变器输出与负载消耗的功率相匹配，那么在不添加扰动情况下电网断电时，PCC点的电压不发生变化，会导致孤岛的发生。而在添加电流扰动情况下的PCC点的电压U_i变为

U_i=i′_LZ=（i_g-i_gi）Z （7-39）

式中 Z——负载阻抗。

可以看出，U′_i在原来i_gZ的基础上添加了电压降i_giZ，当电压降i_giZ导致U_i超出欠电压保护阈值时，即使原先在功率相匹配的情况下，孤岛也可以被检测出来。

2.优缺点

当采用有功功率扰动方案，单台并网逆变器运行时即使在负载完全匹配的情况下也不存在不可检测区；并网运行时，逆变器输出电压电流严格同相位，仅影响逆变器输出功率的大小，而不会像频率偏移等方法给电网引入谐波。

有功功率扰动法存在的最大缺陷就是多台并网逆变器运行时，所进行的有功功率扰动必须同步进行，否则各个扰动量可能会相互抵消而产生稀释效应，从而进入不可检测区；并且并网光伏系统实际上受到光照强度等影响，其光伏电池输出功率随时在波动，人为对逆变器加入有功功率扰动将对并网光伏系统的输出效率产生影响；另外，孤岛检测的动作阈值选取困难。如果动作阈值选取过大，显然会增加孤岛不可检测区；而动作阈值选取过小，可能引起孤岛检测与保护系统误动作，如当电网不稳定或大负载的突然投切时，电网电压会出现较大的波动，从而可能引起系统误动作，即出现虚假孤岛保护现象。

7.3.2.2 基于无功功率扰动的反孤岛策略

与传统的AFD等方法相比较，基于有功功率扰动的反孤岛策略，虽然其输出波形谐波含量较小，但该方案最大的问题在于并网运行时会因有功的扰动而降低发电量，这在追求发电量的并网光伏系统是不可行的，因此可以考虑基于无功功率扰动的反孤岛策略。

1.工作原理

无功补偿方法基于瞬时无功功率理论，利用可调节的无功功率输出改变孤岛状态下的源—负载之间的无功匹配度，通过负载频率的持续变化达到孤岛检测的目的^[31，32]。

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。根据前面的讨论，当光伏系统提供的无功功率和负载所需的无功功率不匹配时，将导致检测点处频率的变化，因此可以考虑对逆变器输出的无功进行扰动，破坏光伏系统和负载之间的无功功率平衡，使频率持续变化，达到孤岛检测的目的。

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，在实际应用中，可以将逆变器输出设定为对负载的部分无功补偿或波动补偿，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。

基于无功功率扰动的反孤岛策略又可分为基于单向无功扰动的反孤岛策略、基于双向无功扰动的反孤岛策略^[33]和基于无功检测的无功扰动反孤岛策略，在此不再赘述。

2.优缺点

与传统的AFD等方法相比较，基于无功功率扰动的反孤岛策略，其输出波形谐波含量小，而且并网时只有极小的无功变化；而与基于有功功率扰动的反孤岛策略相比，并网运行时又不会因扰动而降低发电量。(www.xing528.com)

但无功功率扰动方法要求多台光伏系统同步扰动，需要光伏系统之间进行通信才能实现，这增加了成本，而且若无法保证同步扰动，则该方法很可能会失效。

前面关于孤岛时功率匹配的理论分析表明：系统与电网断开瞬间，系统孤岛运行的系统的电压可表示为，显然，当PV提供的功率P＞P_Load时，逆变器的端电压U_i不断线性增加；而当P＜P_Load时，逆变器的端电压U_i不断地线性减小。

根据以上原理，一种简单的加强孤岛检测的反孤岛策略就是周期性地改变PV逆变器的输出有功功率^[31，32]。并网逆变器通常工作在电流控制模式，因此可以采用逆变器输出电流扰动来实现有功的扰动，即主动电流干扰法。

采用主动电流干扰法检测孤岛时，逆变器控制器将周期性地改变逆变器输出电流的幅值，亦即改变了逆变器输出的有功功率P，从而在电网断电时打破逆变器输出有功功率与负载消耗的有功功率平衡以影响公共节点的电压，使其超出过/欠电压保护阈值，从而检测出孤岛。

在不添加电流扰动的情况下，控制逆变器的输出电流使其跟随给定信号i_g（i_g一般为电网信号或者与电网同频同相的正弦信号），此时

i_L=i_g （7-37）

而在添加干扰信号后，电流的参考信号为正弦信号i_g和干扰信号i_gi的差，则

i_L′=i_g-i_gi （7-38）

电网断电时，PCC点的电压取决于逆变器输出电流和本地负载。如果逆变器输出与负载消耗的功率相匹配，那么在不添加扰动情况下电网断电时，PCC点的电压不发生变化，会导致孤岛的发生。而在添加电流扰动情况下的PCC点的电压U_i变为

U_i=i′_LZ=（i_g-i_gi）Z （7-39）

式中 Z——负载阻抗。

可以看出，U′_i在原来i_gZ的基础上添加了电压降i_giZ，当电压降i_giZ导致U_i超出欠电压保护阈值时，即使原先在功率相匹配的情况下，孤岛也可以被检测出来。

2.优缺点

当采用有功功率扰动方案，单台并网逆变器运行时即使在负载完全匹配的情况下也不存在不可检测区；并网运行时，逆变器输出电压电流严格同相位，仅影响逆变器输出功率的大小，而不会像频率偏移等方法给电网引入谐波。

有功功率扰动法存在的最大缺陷就是多台并网逆变器运行时，所进行的有功功率扰动必须同步进行，否则各个扰动量可能会相互抵消而产生稀释效应，从而进入不可检测区；并且并网光伏系统实际上受到光照强度等影响，其光伏电池输出功率随时在波动，人为对逆变器加入有功功率扰动将对并网光伏系统的输出效率产生影响；另外，孤岛检测的动作阈值选取困难。如果动作阈值选取过大，显然会增加孤岛不可检测区；而动作阈值选取过小，可能引起孤岛检测与保护系统误动作，如当电网不稳定或大负载的突然投切时，电网电压会出现较大的波动，从而可能引起系统误动作，即出现虚假孤岛保护现象。

7.3.2.2 基于无功功率扰动的反孤岛策略

与传统的AFD等方法相比较，基于有功功率扰动的反孤岛策略，虽然其输出波形谐波含量较小，但该方案最大的问题在于并网运行时会因有功的扰动而降低发电量，这在追求发电量的并网光伏系统是不可行的，因此可以考虑基于无功功率扰动的反孤岛策略。

1.工作原理

无功补偿方法基于瞬时无功功率理论，利用可调节的无功功率输出改变孤岛状态下的源—负载之间的无功匹配度，通过负载频率的持续变化达到孤岛检测的目的^[31，32]。

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。根据前面的讨论，当光伏系统提供的无功功率和负载所需的无功功率不匹配时，将导致检测点处频率的变化，因此可以考虑对逆变器输出的无功进行扰动，破坏光伏系统和负载之间的无功功率平衡，使频率持续变化，达到孤岛检测的目的。

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，在实际应用中，可以将逆变器输出设定为对负载的部分无功补偿或波动补偿，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。

基于无功功率扰动的反孤岛策略又可分为基于单向无功扰动的反孤岛策略、基于双向无功扰动的反孤岛策略^[33]和基于无功检测的无功扰动反孤岛策略，在此不再赘述。

2.优缺点

与传统的AFD等方法相比较，基于无功功率扰动的反孤岛策略，其输出波形谐波含量小，而且并网时只有极小的无功变化；而与基于有功功率扰动的反孤岛策略相比，并网运行时又不会因扰动而降低发电量。

但无功功率扰动方法要求多台光伏系统同步扰动，需要光伏系统之间进行通信才能实现，这增加了成本，而且若无法保证同步扰动，则该方法很可能会失效。