防孤岛效应是光伏系统中的一个重要环节

1. 孤岛效应概述

孤岛现象是指：当电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时，光伏并网发电系统仍然向周围的负载供电，从而形成一个电力公司无法控制的自给供电孤岛。

由于光伏发电系统与电网并联工作时，电网会因为故障设备检修或操作失误等原因停止工作，也就是说孤岛效应是光伏并网发电系统中普遍存在的一个问题，因此准确及时地检测出孤岛效应，是光伏并网发电系统设计中的一个关键性问题。

当孤岛效应发生时，将造成以下危害：

①电网无法控制孤岛中的电压和频率，如果电压和频率超出允许的范围，可能会对用户的设备造成损坏；

②如果负载容量大于逆变电源容量逆变，电源过载运行，容易被烧毁；

③与逆变电源相连的线路仍然带电，对检修人员造成危害，降低电网的安全性；

④对孤岛进行重合闸会导致该线路再次跳闸，还有可能损坏逆变电源和其他设备。

光伏并网系统防孤岛保护装置实物图

2. 孤岛效应的检测方法

孤岛现象的出现，严重影响电力系统的安全和正常运行，从用电安全与电能质量考虑，孤岛效应是不允许出现的，当孤岛发生时必须快速、准确地切出并网逆变器，因此对于孤岛效应应进行检测及控制。

孤岛效应检测方法主要分为被动式和主动式两种：

被动式孤岛检测方法，通过检测逆变器的输出是否偏离并网标准规定的范围，如电压、频率或相位，判断孤岛效应是否发生。该方法工作原理简单，容易实现，但在逆变器输出功率与局部负载功率平衡时，无法检测出孤岛效应的发生。

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和相位存在一定的扰动。电网正常工作时，由于电网的平衡作用，这些扰动检测不到。一旦电网出现故障逆变器输出的扰动将快速累积并超出并网标准允许的范围，从而触发孤岛效应的保护电路。该方法检测精度高，检测盲区小，但是控制较复杂，且降低了逆变器输出电能的质量。

防孤岛检测模拟示意图

（1）被动方法

被动式孤岛效应检测方法的工作原理是指根据电网断电时逆变器输出电压、频率的改变，判断出是否发生孤岛效应。当电网发生故障时，除逆变器的输出电压、输出频率外，其输出电压的相位谐波均会发生变化。

因此被动式孤岛效应检测方法可以对逆变器上述输出的变化进行检测以判断电网是否发生故障，但若光伏系统输出功率与局部负载功率平衡，则被动式检测方法将失去检测能力。

①电压、频率检测

电压、频率检测法是在公共耦合点的电压幅值和频率超过正常范围时，停止逆变器并网运行的一种检测方法。光伏并网发电系统并网运行过程中，除了要防止孤岛效应的发生，还要保证逆变器输出电压与电网同步。因此对电网电压幅值频率要不断进行检测，以防止出现过压或欠压，过频或欠频等故障。

所以对电压、频率进行检测的被动式孤岛检测方法，只需利用已有的检测参数进行判断，无需增加检测电路。该方法最大的缺点在于逆变器输出功率与负载功率平衡时，电网断电后逆变器输出端电压和频率均保持不变，从而出现孤岛检测的漏判。

②相位检测

逆变器输出电压相位检测方法原理与电压、频率检测方法相似。电网出现故障时，光伏发电系统逆变器所带的负载阻抗会发生变化，导致电网故障后逆变器输出电压和输出电流相位发生变化，系统根据相位的变化情况即可判断电网是否出现故障。

由于电网中感性负载较普遍，因此该方法在孤岛效应检测中的效果优于电压、频率检测方法。但是当负载为阻性负载或电网断电后，负载阻抗特性保持不变时，该方法就失去了孤岛检测能力。

③谐波检测

谐波检测方法是指电网出现故障停止工作时，由于失去了电网的平衡作用，光伏发电系统输出电流在经过变压器等非线性设备时，将会产生大量的谐波。根据谐波的变化情况便可以判断电网是否处于故障状态。

实验研究及实际应用表明：该方法具有良好的检测效果，但是由于目前电网中存在大量的非线性设备谐波变化复杂，因此很难确定一个统一的用于孤岛效应检测的谐波标准。

上述三种方法是目前较为常用的被动式孤岛检测方法，在实际光伏系统中均有一定的应用，但是由于被动式孤岛检测方法对于逆变器输出功率与负载功率是否匹配有较高的要求，因此存在较大的检测盲区。

防孤岛装置控制柜实物图

（2）主动方法

孤岛效应主动检测法是指在逆变器运行过程中，控制使其输出存在周期性扰动。电网正常时，因电网的平衡作用，逆变器的输出仍和电网保持一致，扰动量不起作用；电网发生故障时，这些扰动量逐步累计直至超过并网标准规定的范围，从而检测出电网发生故障。

目前主动检测方法主要有三种：逆变器输出功率扰动法、逆变器输出电压和频率扰动法、滑模频率偏移检测法。

①输出功率扰动法

输出功率扰动法是通过对逆变器输出功率的控制，使光伏发电系统输出的有功功率发生周期性变化。当孤岛效应发生时，逆变器输出端电压由于功率扰动出现电压变化，从而反映出孤岛效应发生与否。

实际应用中，为尽量减少该方法对逆变器输出功率的影响。通常在N个工作周期中控制逆变器，使其在一个或半个周波区间输出功率低于正常值或为零。

随着光伏发电的发展，局部电网中光伏并网发电系统的数目会越来越多，在这种情况下，孤岛效应发生时，功率扰动对逆变器输出电压的影响会变弱，进而影响检测结果。另外，如果电网内存在较大的非线性负载，当电网停止工作时，非线性负载会向负载供电，这样便减弱了功率扰动法对孤岛效应的检测效果。

②输出频率扰动法

与输出功率扰动法相比，对逆变器电压的输出频率进行扰动是一种更为有效的孤岛效应检测方法。有源频率偏移法（Active Frequency Drift，AFD）是目前一种常见的输出频率扰动孤岛效应检测方法。

有源频率偏移法的工作原理：通过偏移耦合点处电网电压采样信号的频率，造成对负载端电压频率的扰动。如果正常情况下，锁相环的作用是控制频率误差在较小范围内，而当电网出现故障时，锁相环失效，逆变器频率发生变化，而扰动加入使误差增加，积累到一定范围，就会有被动法检测出来。

主动频率偏移法，因为扰动方向固定，可能会因为负载的性质而对该方法有抵消的影响。例如，容性负载较阻性低，而感性负载较阻性高，故若扰动方向刚好与负载阻抗特性相抵消，则可能会让扰动无法积累。

为了防止这种情况发生，采用正反馈的有源频率漂移法。通过比较前后两次频率的变化来动态地确定扰动的方向，如果频率是不断增加的则给正的，如果频率是不断减小的方向给负的。

③滑模频率偏移检测法

滑模频率偏移检测法（Slip-Mode Frequency Shift，SMS）是一种主动式孤岛检测方法。它控制逆变器的输出电流，使其与公共点电压间存在一定的相位差，以期在电网失压后，公共点的频率偏离正常范围，而判别孤岛。

正常情况下逆变器相角响应曲线设计在系统频率附近范围内，单位功率因素时逆变器相角RLC（电阻、电感、电容组合电路的简称）负载增加得快。当逆变器与配电网并联运行时，配电网通过提供固定的参考相角和频率，使逆变器工作点稳定在工频。

当孤岛形成后，如果逆变器输出电压频率有微小波动，逆变器相位响应曲线会使相位误差增加，到达一个新的稳定状态点。新状态点的频率必会超出频率继电器的动作阈值，逆变器因频率误差而关闭。

此检测方法实际是通过移相达到移频，与主动频率偏移法AFD一样有实现简单、无需额外硬件、孤岛检测可靠性高等优点，也有类似的弱点，即随着负载品质因素增加，孤岛检测失败的可能性变大。

综上所述，主动检测法的优点是检测盲区小、检测速度快。但缺点也一样明显，就是对电能质量有一定的影响。

（3）其他方法

孤岛效应检测除了上述普遍采用的被动法和主动法，还有一些逆变器外部的检测方法。如“网侧阻抗插值法”，该方法是指电网出现故障时在电网负载侧自动插入一个大的阻抗，使得网侧的阻抗突然发生显著变化，从而破坏系统功率平衡，造成电压、频率及相位的变化。还有运用电网系统的故障信号进行控制。一旦电网出现故障，电网侧自身的监控系统就向光伏发电系统发出控制信号，以便能够及时切断分布式能源系统与电网的并联运行。