0 引言

　　光伏并網(wǎng)技術(shù)得以發(fā)展遭遇的最大挑戰(zhàn)之一是所謂的“孤島效應(yīng)”,，即當(dāng)光伏并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)斷路器跳脫之后的規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有停止輸出功率，而是繼續(xù)為本地負(fù)載供電,。文獻(xiàn)[1]分析了孤島效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理,，其產(chǎn)生的必要條件是：逆變器輸出有功功率、無(wú)功功率和負(fù)載的有功功率,、無(wú)功功率相匹配,。

　　“孤島”產(chǎn)生后如果光伏并網(wǎng)逆變器繼續(xù)工作,，不僅可能會(huì)使相連的設(shè)備由于失步合閘受到破壞,，還可能威脅在“孤島”期間維護(hù)電網(wǎng)工人的生命安全。為了避免這些嚴(yán)重后果,，光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)需要滿(mǎn)足一系列要求以確保供電的安全性和可靠性,，并網(wǎng)發(fā)電裝置必須具備孤島保護(hù)的功能，保證能夠及時(shí)檢測(cè)到孤島效應(yīng)并與電網(wǎng)切離,。

　　目前常見(jiàn)的孤島檢測(cè)方法主要分為被動(dòng)式檢測(cè)法和主動(dòng)式檢測(cè)法,，前者通過(guò)檢測(cè)公共點(diǎn)電壓幅值、相位或頻率,、功率,、諧波等參數(shù)變化判斷孤島發(fā)生，檢測(cè)形式基本固定,，主要有過(guò)欠壓/過(guò)欠頻檢測(cè)法(Over/Under Voltage and Over/Under Frequency method,，OUV/OUF)、相位突變檢測(cè),、電壓諧波檢測(cè)等,；后者通過(guò)有意的給系統(tǒng)注入擾動(dòng)信號(hào)破壞功率平衡，使處于孤島狀態(tài)下的PCC(Point of Common Coupling)點(diǎn)電壓參數(shù)(幅值,、頻率或諧波含量等)超出正常范圍,，來(lái)確定電網(wǎng)的存在與否以達(dá)到檢測(cè)出孤島的目的，主要有阻抗測(cè)量法,、有源頻率偏移法,、正反饋有源頻率偏移法、滑模頻率偏移法（Slip-Mode Frequency Shift,SMS）,、Sandia電壓偏移法等,。由于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法存在一定的缺點(diǎn),，文獻(xiàn)[2]研究了基于無(wú)功電流和頻率反饋的方法；文獻(xiàn)[3]研究了帶電壓頻率正反饋的主動(dòng)頻移法,；文獻(xiàn)[4]研究了一種復(fù)合式孤島檢測(cè)方法,；文獻(xiàn)[5]研究了基于正切的滑模頻移法，本文受上述文章的的啟發(fā)提出了一種改進(jìn)的滑模頻移法,。

1 原理分析

　　研究孤島檢測(cè)方法的目的是為了尋找一種能在任何性質(zhì)負(fù)載下檢測(cè)出孤島狀態(tài)的技術(shù),，如圖1所示在具體的反孤島測(cè)試中，通常用當(dāng)并聯(lián)諧振負(fù)載代表局部負(fù)載,，從而模擬一種最嚴(yán)重的孤島狀況,。本文基于該測(cè)試電路研究了電壓正反饋和滑模頻率偏移法相結(jié)合的反孤島策略并搭建了模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證和結(jié)果分析，下文分別進(jìn)行原理闡述,。

　　1.1 滑模頻率偏移法

　　定義逆變器的相位為一個(gè)以頻率為變量的函數(shù),，使逆變器的相位比單位功率因數(shù)的負(fù)載相位在電網(wǎng)頻率附近增加更快。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),，逆變器輸出頻率為50 Hz,，輸出電流電壓相位差為零，如果電網(wǎng)跳閘公共點(diǎn)電壓的頻率發(fā)生畸變,，逆變器輸出電流跟隨給定的電壓相位按SMS曲線(xiàn)偏移,，只有在圖中A、B兩點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)才會(huì)到達(dá)新的平衡,。在到達(dá)A或B點(diǎn)之前的過(guò)程中,，由于負(fù)載相角與頻率成正比，系統(tǒng)輸出電流為了保持與電壓的相角差需要不斷增大頻率,，直至頻率偏移到觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作,。

　　滑模頻率偏移法屬于主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法[6]，它是一種較早的移相式檢測(cè)法,，實(shí)質(zhì)是通過(guò)移相達(dá)到移頻,，對(duì)相位施加擾動(dòng)使逆變器輸出電壓頻率在短時(shí)間內(nèi)變得不穩(wěn)定，從而判別孤島發(fā)生與否,。原理示意如圖2所示,，將輸出電流的參考電壓的相位平移一個(gè)角度?茲SMS，逆變器給定電流的起始時(shí)刻為公共電壓過(guò)零點(diǎn)上升沿,，未加入算法前逆變器輸出電流與公共點(diǎn)電壓同頻同相,，加入SMS算法后，電流頻率不變但相位發(fā)生變化,，大小由移相角決定,。應(yīng)用SMS進(jìn)行孤島檢測(cè)時(shí)，對(duì)并網(wǎng)逆變器輸出電流引入相位偏移,，電流i0和移相角?茲SMS分別如式(1)和式(2)所示,。

　　式中,，f為公共點(diǎn)電壓頻率，fg為電網(wǎng)頻率,，?茲m為最大相位角,，fm為最大相位?茲m出現(xiàn)時(shí)的最大頻率。

　　1.2 基于dq變換的正反饋

　　由負(fù)載特性：

　　可知系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí),，逆變器輸出與負(fù)載的有功功率不匹配程度將決定負(fù)載端電壓的變化,，逆變器輸出與負(fù)載的無(wú)功功率將決定頻率變化的大小。利用正反饋原理增加逆變器輸出功率和負(fù)載需求頻率的不匹配程度,，迅速超出所設(shè)定的電壓或頻率的閾值,，避免進(jìn)入非檢測(cè)區(qū)(None Detection Zone，NDZ),，使孤島檢測(cè)更有效,。將a-b坐標(biāo)系中的各參數(shù)變換到d-q軸后，有功功率和d軸成比例,，無(wú)功功率和q軸成比例,。電流或電壓等矢量都是d軸和q軸的合成量，其中任意一個(gè)軸的值改變不僅能引起矢量幅值的變化,，兩軸之間的角度也會(huì)改變,，從而角度又促使頻率發(fā)生變化[7],。

　　運(yùn)行機(jī)制如圖3所示,，令逆變器輸出三相電流和電壓分別通過(guò)abc-dq0變換器，當(dāng)逆變器輸出端d軸電壓增加時(shí),，反饋促使逆變器輸出d軸參考電流增大,，從而使有功功率增大帶動(dòng)電壓增大，d軸電壓再次升高,。依次循環(huán),，電壓增大到超過(guò)所設(shè)定的閾值斷開(kāi)逆變器，孤島被檢測(cè)出來(lái),。

　　1.3 SMS算法與電壓正反饋相結(jié)合的反孤島策略

　　本文利用電壓正反饋與滑模頻率偏移法相結(jié)合的策略：電壓反饋模塊通過(guò)dq變換實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓和電壓的分離以及有功電流和無(wú)功電流的分離,；通過(guò)與電流參考量做差值后進(jìn)入dq0-abc轉(zhuǎn)換器作為反饋量；再利用過(guò)欠壓,、過(guò)欠頻檢測(cè)來(lái)判斷孤島是否發(fā)生,。如果沒(méi)有進(jìn)入SMS檢測(cè)模塊，計(jì)算負(fù)載相位角與滑模頻率偏移角的相位偏差SMS+∠G(jw),，孤島發(fā)生時(shí)微小的偏移量會(huì)導(dǎo)致電壓頻率的不斷地增大或減小,，與額定頻率的偏差會(huì)越來(lái)越大直至超出所設(shè)置的閾值[8]。本文設(shè)計(jì)的孤島檢測(cè)結(jié)構(gòu)如圖4所示,。

2 基于MATLAB的建模及仿真分析

　　通過(guò)模塊MATLAB/Simulink和power system blockset建立仿真模型對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)搭建基于三相逆變器的孤島檢測(cè)模型[9],。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能通過(guò)逆變器整流,，使輸出電壓、頻率,、相角符合并網(wǎng)要求,，由于逆變器為電流控制模式，再經(jīng)過(guò)濾波后輸出給負(fù)載和電網(wǎng),。鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電流對(duì)公共點(diǎn)電壓的同頻同相控制,，檢測(cè)電壓的過(guò)零上升沿獲得電壓的頻率和相位。公共點(diǎn)三相電壓和電流分別通過(guò)SMS算法和電壓反饋?zhàn)酉到y(tǒng)產(chǎn)生逆變器控制信號(hào),。直流電源模擬為光伏電池,，三相可編程電壓源模擬為電網(wǎng)，三相并聯(lián)RLC作為本地負(fù)載,，初始時(shí)刻發(fā)電系統(tǒng)處于并網(wǎng)狀態(tài),，三相開(kāi)關(guān)閉合，0.1 s時(shí)三相開(kāi)關(guān)斷開(kāi),，發(fā)電系統(tǒng)處于孤島狀態(tài),，通過(guò)示波器監(jiān)視電網(wǎng)斷開(kāi)前后逆變器及公共點(diǎn)電壓、電流,、頻率以及孤島檢測(cè)信號(hào)的變化,。具體的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3 仿真結(jié)果分析

　　圖5,、圖6分別給出了傳統(tǒng)SMS檢測(cè)算法和本文檢測(cè)策略下的逆變器電流,、公共點(diǎn)電壓、頻率及孤島檢測(cè)信號(hào),。當(dāng)電網(wǎng)0.1 s斷開(kāi)后,，失去了電網(wǎng)的鉗制作用，產(chǎn)生的微小偏差通過(guò)算法和正反饋?zhàn)饔檬构颤c(diǎn)頻率迅速減小,，直到欠頻保護(hù)逆變器斷開(kāi),，孤島效應(yīng)被高效的檢測(cè)出來(lái)。分別對(duì)比圖（a）和圖（b）,，傳統(tǒng)SMS算法下到0.32 s經(jīng)過(guò)約0.22 s,，頻率超出下限49.5 Hz，孤島效應(yīng)檢測(cè)出來(lái),，而本文檢測(cè)策略下僅用了約0.128 s,，可見(jiàn)大大提高了檢測(cè)效率。并且對(duì)比斷網(wǎng)后的電流和電壓波形,，本文策略下的畸變很小,，一定程度上提高了發(fā)電質(zhì)量，降低電網(wǎng)的諧波污染。由于加入了電壓反饋機(jī)制使有功電流增加,，增大了逆變器與本地負(fù)載的不匹配程度,，更有利于孤島檢測(cè)，能夠有效減小孤島非檢測(cè)區(qū),。

4 結(jié)論

　　本文研究了傳統(tǒng)滑模頻率偏移法和電壓反饋相結(jié)合的針對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)檢測(cè)策略,，對(duì)各模塊的基本原理進(jìn)行了扼要分析，通過(guò)搭建的仿真模型對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,。結(jié)果表明,，本文所提出的檢測(cè)方法相比于傳統(tǒng)的SMS算法能夠快速有效地檢測(cè)出孤島，產(chǎn)生的諧波污染,、對(duì)電能質(zhì)量的影響以及檢測(cè)盲區(qū)都較小,，符合IEEEstd.2000-929/UL1741的孤島檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，有檢測(cè)快速,、諧波小,、對(duì)電能質(zhì)量影響小的優(yōu)點(diǎn)。另外,，對(duì)于多臺(tái)逆變器同步運(yùn)行下的孤島檢測(cè)方法以及檢測(cè)盲區(qū)的定量分析將會(huì)做進(jìn)一步的研究,。

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