防孤岛保护方案分析

防孤岛保护说明1孤岛效应的检测方法 1.1变流器侧检测 1.1.1主动式主动式孤岛检测方法是指通过控制逆变器，使其输出功率、频率、相位存在一定扰动，电网正常时，由于电网的平衡作用，检测不到这些扰动，一旦电网出现故障，变流器输出的扰动将快速累积并超出允许范围，进而检测到孤岛效应。

主动式检测精度高，非检测区小，但控制较复杂，且降低了逆变器输出电能的质量。

所以采用主动+被动的方式。

被动可以一直检测，主动则可以一定周期进行一次。

电流扰动：变流器对其输出电流施加扰动（让跟踪电流减去一定的扰动信号），因为变流器的并网端电压在电网正常时固定，其输出功率就会变化，当电网不正常时，并网端电压会变化，从而导致欠压保护。

优缺点：对于局部负载阻抗大于电网阻抗的单台变流器来说，其不可检测区域小，并且不会给电网注入谐波，只是会影响逆变器的输出功率，还会产生稀释效应。

因此，这种方法只适用于单台变流器。

无功功率补偿检测：系统并网运行时，负载端电压受电网电压钳制，基本不受变流器输出的无功功率影响，当进入孤岛状态时，一旦变流器输出的无功和负载需求不匹配，负载电压幅值或频率会发生变化，这种方法是通过调节无功电流来实现检测。

滑膜频移检测：对变流器输出电流——电压的相位进行正反馈使相位偏移，进而使频率发生偏移的方法（输出电流的相位定义为前一周期的频率与电网频率的偏差的函数）。

sin 2gm m g f f f f πθθ⎛⎫-=⎪ ⎪-⎝⎭——m f 为最大相位偏移m θ发生时的频率，实际中，一般取10m θ=，3m g f f Hz -=。

这样，当并网端脱网后，网侧工频g f 将由谐振产生，一旦发生扰动，电流和电压的相位差就会增加，电压频率也会发生变化，进而出现过/欠频保护。

优缺点：容易实现，与其它主动式方案相比，其对孤岛效应检测有效，不可检测区域相对小，无稀释效应，并且兼顾了检测的可靠性、输出电能质量、对整个系统暂态响应的影响。

相对于被动方案，其略降低了输出电能质量，并且在变流器发电量高、反馈环的增益大时，会带来整体供电质量下降以及暂态响应问题（这些问题在使用正反馈的反孤岛方案中普遍存在）。

Sandia 频移检测：检测变流器输出电压的频率，将其正反馈回系统，定义：()()()inv inv grid f k C k K k ωωω⎡⎤=+-⎣⎦——()inv k ω为变流器输出电压的频率；grid ω为电网电压的频率其主要作用是强化频率偏差。

脱网后，频率偏差随逐渐增加，这样输出电流的频率也会逐渐增加，导致过频保护。

优缺点：容易实现，不可检测区域相对小，无稀释效应，并且兼顾了检测的可靠性、输出电能质量、对整个系统暂态响应的影响，因为采用正反馈，变流器输出电能质量降低。

当连接到弱电网时，变流器输出功率的不稳定会导致系统不理想的暂态响应，并且当电网中变流器数量增多，发电量升高时，问题会更严重，虽然可以通过减小增益K 来缓解，但这将增加不可检测区。

主动频率漂移检测_AFD ：AFD 比较常见，是通过输出频率扰动检测孤岛效应。

AFD 可通过插入固定的死区；强迫电流频率总比前一周期的电压频率多δ这两种方法来实现（死区和δ的选取要满足电流总谐波失真THD i <5%的要求）。

AFD 盲区：若负载呈阻容性，及负载阻抗角0ϕ，那么在孤岛发生后，若阻抗角的滞后作用和f ∆的超前作用相抵消，且此时频率和电压未超出预设阀值，将无法检测到孤岛；若负载呈阻感性，0ϕ，那么在孤岛发生后，若阻抗角的超前作用和负频率漂移下f∆的滞后作用相抵消，且此时频率和电压未超出预设阀值，将无法检测到孤岛。

——1cf 、2cf 为两个不同方向的扰动，分别取5%、-5% ——1f ∆ 、2f ∆ 是1f 、2f 施加后，inv f 和g f 的误差优缺点：可以减小孤岛效应非检测区，但是该方法引入的电流谐波会降低变流器输出电能质量，若多台变流器同时工作，频率偏移方向不一致时，频率偏移的作用会相互抵消（稀释效应）。

频率跳变：是对AFD 的一个修正，但预先设定的死区是每隔几个周期插入一次到输出电流波形中，连网时，电网会抑制住这个死区引起的频率变化（因为并网端的电压波形受电网的控制）。

其优缺点同AFD 。

电压前馈正反馈扰动：将并网点的电压，通过下面公式，作为跟踪电流幅值的扰动量。

()()200sin 2m a m I I K U U U f t π⎡⎤=+-+∆⎣⎦........................d a md a mU U U U U U U >⎧∆=⎨-<⎩——a U 并网端电压峰值、m U 电网电压峰值、U ∆脉动扰动量优缺点：不可检测区域小，但由于带增益的正反馈略微降低了输出电能质量；对于变流器而言，变流器的工作效率有所下降，通常变流器工作在MPP 处，采用该方案后，并网端电压的小波动将使变流器输出功率减小，略偏离MPP 。

1.1.2被动式过/欠压_过/欠频：所有的并网逆变器都有过/欠压和过/欠频保护方案，一般并网逆变器输出有功/无功功率和负载需求功率不匹配时，电压或频率将会产生偏移。

一般的电压和频率工作范围设定为194~242V、49.5~50.5Hz。

优缺点：简单、低成本，且变流器都会有；非检测区大，其保护的反应时间不可预测。

相位跳变检测：这种方法是通过监控逆变器并网端电压和输出电流之间的相位差来检测孤岛效应的。

因为为实现单位功率因数运行，正常情况下逆变器的输出电流倍控制与电网电压是同相位。

锁相环的控制作用使得变流器输出电流和端电压只在电压过零点同步，而过零点以外，电流的频率和相位则是由系统内部正弦表决定，电流波形为正弦波，断电发生孤岛后，因为电流是频率相位不变的正弦波，若负载呈感性，则电压将超前电流；若负载呈容性，则电压将滞后电流，电压和电流的相位差都不会是0。

优缺点：实现简单，多台变流器工作时，不会产生稀释效应；相位差的阀值不好设置，并且若负载为纯阻性负载时此法无效。

总电压谐波THD检测：在变流器的标准中，并网端电压的总谐波含量有标准，一般是在5%以内。

在变流器并网工作时，其输出电流谐波将通过公共连接端流入电网，由于电网的网络阻抗小，所以连接端电压的THD会较低；电网断开后，由于变流器产生的谐波电流以及负载阻抗通常比电网阻抗大得多，所以连接端电压的谐波会很大（谐波电流与负载阻抗相乘）。

优缺点：理论上非检测区小，在系统连接多台变流器时也不会产生稀释效应，并且即使功率匹配时也可以检测到孤岛，但因为非线性的存在，电网电压谐波会很大，谐波检测的动作阀值不好确定。

1.2电网侧检测1.2.1阻抗插入检测在电网中可能发生孤岛效应的区域安装一个低阻抗元件（常为电容器组）。

从成本、时间延迟等方面考虑，此方法不合适。

1.2.2远程通讯监控利用电力载波通讯PLCC、网络监控数据采集系统SCAD等远程通讯手段监控线路、电网、分布电站上所有继电器状态，即使检测出孤岛区。

2防孤岛保护的保护方式及软件实现2.1防孤岛保护的保护方式正常变流器工作时，其并网点电压、频率、输出电流和并网点电压的相位差都有一定要求，孤岛效应发生时，若功率不匹配，那么这些参数都会发生变化，从而直接发生过欠压、过欠频保护；若功率匹配，则通过主动增加扰动、将电压——电流相位差或并网端电压频率和电网频率的误差正反馈回系统的方式来使这些参数发生变化，进而触发保护，这些保护大都是过欠频保护。

也就是说，防孤岛保护中，软件需要做的就是通过主动增加扰动或正反馈来触发系统的过欠频或过欠压保护即可。

2.2防孤岛保护的软件实现首先结合下图来确定防孤岛保护采用的方法。

变流器内部已经有过欠压、过欠频保护代码，因此只需要考虑主动式检测方法即可。

3防孤岛保护的不可检测区域分析 3.1 P Q ∆⨯∆坐标系防孤岛负载的幅值和相位为（0f 为谐振频率）：load Z ==、11001tan tan load f f f R C Q L f f φωω--⎡⎤⎛⎫⎡⎤⎛⎫=-=-⎢⎥ ⎪⎪⎢⎥⎝⎭⎢⎥⎣⎦⎝⎭⎣⎦——0f =、f Q = 电网未断开前：2g load V P R=、2001g loadgload fg f f Q V C P Q L f f ωω⎛⎫⎛⎫=-=- ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭——g V 电网电压、g f 电网频率load inv P P P ∆=-、load inv Q Q Q ∆=-电网跳闸时，RLC 负载由变流器提供能量，并网端的电压和频率依靠局部负载的特性，负载需求的功率由变流器的控制策略决定。

,,==0inv load inv a inv inv load inv P P P V I R I Q Q ==⎪⎩恒定当恒定变流器工作在恒功率状态下： 脱网前存在：211g load inv loadinv inv inv invV R P P P P P P P P -∆==-=-、00g load f g load inv inv invf f P Q f f Q Q P P P ⎛⎫- ⎪⎪∆⎝⎭==脱网后，并网点a处的电压有效值为a V =a a V f 、工作范围可得：22max min 11g g inv V V P V P V ⎛⎫⎛⎫∆-≤≤- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭22max min max min min max g g g gf fg inv g V f V f f f Q Q Q V f f P V f f ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫∆-≤≤- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭变流器工作在恒电流状态下： 脱网前存在：211g load inv load inv inv inv g inv V R P P P P P P P V I -∆==-=-、00g load f g loadinv invg invf f P Q f f Q Q P P V I ⎛⎫- ⎪⎪∆⎝⎭==脱网后，并网点a 处的电压有效值为a inv V I R =，设定a a V f 、工作范围可得：maxmin11g ginv V V P V P V ∆-≤≤- max min maxmin min max g g g g f f g inv g V f V f f f Q Q Q V f f P V f f ⎛⎫⎛⎫∆-≤≤- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭相位跳变方案的NDZ 边界可用load th φφ<表示：111tan tan loadload load Q R C L P φωω--⎛⎫⎡⎤⎛⎫=-= ⎪⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎝⎭可化为：1tan thinv Q P P φ-⎛⎫∆≤ ⎪+∆⎝⎭或1tan 1invth inv Q P P P φ-⎛⎫∆≤ ⎪+∆⎝⎭ 3.2 norm L C ⨯坐标系上面的不可检测区域的坐标系是P Q ∆⨯∆，不能用来评估主动式反孤岛方案的有效性，所以采用基于具体负载参数的坐标系，以电感L 为横坐标，电容C norm 为纵坐标。