1、光伏并網逆變器防孤島效應實驗周璇根據2009年8月3日北京鑒衡認證中心公布的 CGC/GF001 ： 2009并網光伏發 電專用逆變器技術要求和實驗方法。IECG2006光伏并網系統用逆變器防孤島 測試方法的相關要求，并網逆變器產品必須嚴格進行出廠試驗和型式試驗。根 據IEEE1547和UL1741的相關規定。光伏并網逆變器必須具有防孤島效應自動 保護功能。原理：在電容器串聯的電路里，只有與外電路相連接的兩個極板（注意：不是同一電容器 的極板）有電流流動（電荷交換），其他極板的電荷總量是不變的，所以稱為孤 島。孤島是一種電氣現象，發生在一部分的電網和主電網斷開，而這部分電網完 全由光伏系統來供

2、電。在國際光伏并網標準化的課題上這仍是一個爭論點，因為 孤島會損害公眾和電力公司維修人員的安全和供電的質量，在自動或手動重新閉 合供電開關向孤島電網重新供電時有可能損壞設備。所以，逆變器通常會帶有防 止孤島效應裝置。被動技術（探測電網的電壓和頻率的變化）對于平衡負載很好 條件下通電和重新通電兩種情況下的孤島防止還不夠充分，所以必須結合主動技 術，主動技術是基于樣本頻率的移位、流過電流的阻抗監測、相位跳躍和諧波的 監控、正反饋方法、或對不穩定電流和相位的控制器基礎上的。現在已有許多防 止的辦法，在世界上已有16個專利，有些已獲得，而有些仍在申請過程當中。 其中的有些方法，如監測電網流過的電流脈沖

3、被證明是不方便的，特別是當多臺 的逆變器并行工作時，會降低電網質量，并且因為多臺逆變器的相互影響會對孤 島的探測產生負面影響。在另一些場合，對電壓和頻率的工作范圍的限制變得寬 了，而安裝工人通常可以通過軟件來設置這些參數，甚至于ENS （一種監測裝置，在德國是強制性的）為了能在弱的電網中工作，可以把它關掉。孤島效應實驗室：一般是用諧振模擬負載電路，同時定義了一個質量因數，“Qactor。盡管如此，這些試驗還是很難運行，特別是對于那些高功率的逆變器，它們需要很大的試驗 室。試驗的電路和參數會根據不同國家有所不同，測試結果很大程度上取決于試 驗者的技術水平。 現已開展了一些研究，用來評估孤島效應和

4、它關聯風險的各種 可能性，研究表明對于低密度的光伏發電系統，事實上孤島是不可能的，這是因 為負載和發電能力遠遠不可能匹配。但是，對于帶高密度光伏發電系統的電網部 分，主動孤島效應保護方法是必要的，同時輔以電壓和頻率的控制，來保證光伏 帶來的風險降到極其微小，這一數據須與不帶光伏的電網的年觸電預計數相比 較。大多數光伏逆變器同時帶有主動和被動孤島保護，雖然沒有很多光伏突入電 網的例子，但對于這方面，國外的標準沒有放松。孤島效應是基站覆蓋性問題， 當基站覆蓋在大型水面或多山地區等特殊地形時，由于水面或山峰的反射，使基 站在原覆蓋范圍不變的基礎上，在很遠處出現 "飛地"，而與之有

5、切換關系的相鄰 基站卻因地形的阻擋覆蓋不到，這樣就造成"飛地"與相鄰基站之間沒有切換關 系，"飛地"因此成為一個孤島，當手機占用上"飛地"覆蓋區的信號時，很容易因 沒有切換關系而引起掉話。光伏系統的孤島效應：由于孤島效應的潛在危險性和對設備的損壞性，社會公共工程和發電設備業主長 期以來一直關注光伏并網逆變器的反孤島控制。因此，在光伏并網發電系統的應 用中必須防止孤島效應。含義所謂孤島效應，即指如并入公共電網中的發電裝置，在電網斷電的情況下，這個 發電裝置卻不能檢測到或根本沒有相應檢測手段，仍然向公共電網饋送電量。 孤島效應的危害一般來

6、說，孤島效應可能對整個配電系統設備及用戶端的設備造成不利的影響， 包括：1）危害電力維修人員的生命安全；2）影響配電系統上的保護開關動作程 序；3）孤島區域所發生的供電電壓與頻率的不穩定性質會對用電設備帶來破壞； 4）當供電恢復時造成的電壓相位不同步將會產生浪涌電流，可能會引起再次跳閘 或對光伏系統、負載和供電系統帶來損壞；5）光伏并網發電系統因單相供電而造成系統三相負載的欠相供電問題。由此可見，作為一個安全可靠的并網逆變裝 置，必須能及時檢測出孤島效應并避免所帶來的危害。孤島效應的相關標準根據國際標準IEEE Std. 2000. 929和ULI74規定，所有的并網逆變器必須具有 反孤島效應

7、的功能，同時這兩個標準給出了并網逆變器在電網斷電后檢測到孤島 現象并將逆變器與電網斷開的時間限制，如下表：Voltage Time to operateV <50%V norm 6 cycles50%V norm <V <88%V norm 2 seco nds88%V norm <V <11O%V norm Normal operati on110%V norm <V <I37%V norm 2 seco ndsV >I37%V nlorm 2 cycles Freque ncy Time to operate fnorm+0.5 <f

8、6 cycles fvfnorm-0.7 6 cycles注：（1）Vnorm指電網電壓幅值的額定值，對于我國單相市電為交流220V（有效值）；（2）fnorm指電網電壓頻率的額定值，對于我國的單相市電為50Hz。在我國的GB/T 19939-2005光伏系統并網技術要求中，對頻率偏移、電壓異常、防 孤島效應也有明確的要求。光伏系統并網運行時應與電網同步運行，電網額定頻率為50Hz，光伏系統并網后的頻率允許偏差應符合GB/T15945的規定，即偏差值允許士 0.5HZ，當超出頻率范圍時，應當在 0.2S內動作，將光伏系統與電網斷 開。具體的異常頻率響應時間規定見下表：頻率范圍/Hz響應時間/s

9、<49.5 0.16>50.5 0.16<47.0 0.16<（47.049.3） 0.16到 300 可變>50.5 0.16檢測方法孤島現象的檢測方法根據技術特點，可以分為三大類：被動檢測方法、主動檢測 方法和開關狀態監測方法（基于通訊的方法）。一、被動檢測方法被動式方法利用電網斷電時逆變器輸出端電壓、頻率、相位或諧波的變化進行孤 島效應檢測。但當光伏系統輸出功率與局部負載功率平衡，則被動式檢測方法將 失去孤島效應檢測能力，存在較大的非檢測區域 （No n-Detection Zone，簡稱 NDZ）。并網逆變器的被動式反孤島方案不需要增加硬件電路，也不需要單

10、獨的 保護繼電器。1）過/欠壓和高/低頻率檢測法過/欠電壓和高/低頻率檢測法是在公共耦合點的電壓幅值和頻率超過正常范圍 時，停止逆變器并網運行的一種檢測方法。逆變器工作時，電壓、頻率的工作范 圍要合理設置，允許電網電壓和頻率的正常波動，一般對220V/50HZ電網，電壓和頻率的工作范圍分別為194V< VW 242V 49.5Hz< f < 50.5Hz如果電壓或頻率偏 移達到孤島檢測設定閥值，貝U可檢測到孤島發生。然而當逆變器所帶的本地負荷 與其輸出功率接近于匹配時，則電壓和頻率的偏移將非常小甚至為零，因此該方 法存在非檢測區。這種方法的經濟性較好，但由于非檢測區較大，所以

11、單獨使用 OVR/UVR和OFR/UFR孤島檢測是不夠的。2）電壓諧波檢測法電壓諧波檢測法（Harmonic Hetection）通過檢測并網逆變器的輸出電壓的總諧波失 真（totalharmo nic distortio n-THD）是否越限來防止孤島現象的發生，這種方法依據 工作分支電網功率變壓器的非線性原理。如圖4-2,發電系統并網工作時，其輸出電流諧波將通過公共耦合點 a點流入電網。由于電網的網絡阻抗很小，因此a點電壓的總諧波畸變率通常較低，一般此時Va的THD總是低于閾值（一般要求并網逆變器的THD小于額定電流的5%）。當電網斷開時，由于負載阻抗通常要 比電網阻抗大得多，因此a點電壓

12、（諧波電流與負載阻抗的乘積）將產生很大的諧 波，通過檢測電壓諧波或諧波的變化就能有效地檢測到孤島效應的發生。但是在 實際應用中，由于非線性負載等因素的存在，電網電壓的諧波很大，諧波檢測的 動作閥值不容易確定，因此，該方法具有局限性。3) 電壓相位突變檢測法(PJD)電壓相位突變檢測法(Phase Jump Detection PJD)是通過檢測光伏并網逆變器 的輸出電壓與電流的相位差變化來檢測孤島現象的發生。光伏并網發電系統并網 運行時通常工作在單位功率因數模式，即光伏并網發電系統輸出電流電壓(電網電壓)同頻同相。當電網斷開后，出現了光伏并網發電系統單獨給負載供電的孤島現 象，此時，a點電壓由

13、輸出電流Io和負載阻抗Z所決定。由于鎖相環的作用，Io 與a點電壓僅僅在過零點發生同步，在過零點之間，Io跟隨系統內部的參考電流 而不會發生突變，因此，對于非阻性負載，a點電壓的相位將會發生突變，如圖4-3所示，從而可以采用相位突變檢測方法來判斷孤島現象是 否發生。相位突變檢測算法簡單，易于實現。但當負載阻抗角接近零時，即負載 近似呈阻性，由于所設閥值的限制，該方法失效。被動檢測法一般實現起來比較 簡單，然而當并網逆變器的輸出功率與局部電網負載的功率基本接近，導致局部 電網的電壓和頻率變化很小時，被動檢測法就會失效，此方法存在較大的非檢測 區。二、主動檢測方法主動式孤島檢測方法是指通過控制逆變

14、器，使其輸出功率、頻率或相位存在一定 的擾動。電網正常工作時，由于電網的平衡作用，檢測不到這些擾動。一旦電網 出現故障，逆變器輸出的擾動將快速累積并超出允許范圍，從而觸發孤島效應檢 測電路。該方法檢測精度高，非檢測區小，但是控制較復雜，且降低了逆變器輸 出電能的質量。目前并網逆變器的反孤島策略都采用被動式檢測方案加上一種主 動式檢測方案相結合。1頻率偏移檢測法(AFD)頻率偏移檢測法(Active Frequency Drift,AFD)是目前一種常見的主動擾動檢測方 法。采用主動式頻移方案使其并網逆變器輸出頻率略微失真的電流，以形成一個 連續改變頻率的趨勢，最終導致輸出電壓和電流超過頻率保護

15、的界限值，從而達 到反孤島效應的目的。2)滑模頻漂檢測法(SMS)滑模頻率漂移檢測法(Slip-Mode Frequency Shift，SMS)是一種主動式孤島檢測 方法。它控制逆變器的輸出電流，使其與公共點電壓間存在一定的相位差，以期 在電網失壓后公共點的頻率偏離正常范圍而判別孤島。正常情況下，逆變器相角 響應曲線設計在系統頻率附近范圍內，單位功率因數時逆變器相角比RLC負載增加的快。當逆變器與配電網并聯運行時，配電網通過提供固定的參考相角和頻 率，使逆變器工作點穩定在工頻。當孤島形成后，如果逆變器輸出電壓頻率有微 小波動逆變器相位響應曲線會使相位誤差增加，到達一個新的穩定狀態點。新狀 態

16、點的頻率必會超出OFR/UFR動作閥值，逆變器因頻率誤差而關閉。此檢測方法實際是通過移相達到移頻，與主動頻率偏移法AFD 樣有實現簡單、無需額外硬件、孤島檢測可靠性高等優點，也有類似的弱點，即隨著負載品質因數增 加，孤島檢測失敗的可能性變大。3）周期電流干擾檢測法（ACD）周期電流擾動法（Alternate CurrentDisturbances ACD ）是一種主動式孤島檢測 法。對于電流源控制型的逆變器來說，每隔一定周期，減小光伏并網逆變器輸出電 流，則改變其輸出有功功率。當逆變器并網運行時，其輸出電壓恒定為電網電壓； 當電網斷電時，逆變器輸出電壓由負載決定。每每到達電流擾動時刻，輸出電流

17、幅值改變，則負載上電壓隨之變化，當電壓達到欠電壓范圍即可檢測到孤島發生。4）頻率突變檢測法（FJ）頻率突變檢測法是對AFD的修改，與阻抗測量法相類似。FJ檢測在輸出電流波 形（不是每個周期）中加入死區，頻率按照預先設置的模式振動。例如，在第四個 周期加入死區，正常情況下，逆變器電流引起頻率突變，但是電網阻止其波動。 孤島形成后，FJ通過對頻率加入偏差，檢測逆變器輸出電壓頻率的振動模式是否 符合預先設定的振動模式來檢測孤島現象是否發生。這種檢測方法的優點是：如 果振動模式足夠成熟，使用單臺逆變器工作時，FJ防止孤島現象的發生是有效的，但是在多臺逆變器運行的情況下，如果頻率偏移方向不相同，會降低孤

18、島檢 測的效率和有效性。三、其他方法孤島效應檢測除了上述普遍采用的被動法和主動法，還有一些逆變器外部的檢測 方法。如 網側阻抗插值法”該方法是指電網出現故障時在電網負載側自動插入 一個大的阻抗，使得網側的阻抗突然發生顯著變化，從而破壞系統功率平衡，造 成電壓、頻率及相位的變化。還有運用電網系統的故障信號進行控制。一旦電網出現故障，電網側自身的監控系統就向光伏發電系統發出控制信號，以便能夠及 時切斷分布式能源系統與電網的并聯運行。PV-RLC防孤島測試負載根據國家新能源光伏并網逆變器防孤島保護試驗的相關 測試要求專門研發的一款測試設備。PV-RLC防孤島測試負載滿足：中國的孤 島防護國家標準草案

19、、IEEE 1547.1-2005帶電力系統的設備互連配電資源的 合格試驗程序、VDE0126-1-1德國標準-發電機和公共低壓網之間的自動開關 設備、IEC 62116-2008并網連接式光伏逆變器孤島防護措施測試方法、 AS_4777.3-2005能源系統通過逆變器并網第3部分電網保護要求中文版、 G83-1-1英國認證標準、UL1741-2010美國認證標準、DK5940意大利認證標準， 同時滿足中國金太陽認證的標準。中國金太陽認證的標準 CGC/GF001： 2010并網光伏發電專用逆變器技術要求和 試驗方法要求。防孤島效應保護方案和被動式防孤島保護方案。防孤島效應保護試驗：驗中負載消

20、耗的有功功率、無功功率與額定值的偏差百分比（%陽電 池 模 ' 擬藩J<1K2R 01數字示波器電網模擬器）圖1防孤島效應保護試驗平臺圖1給出了防孤島效應保護試驗平臺，K1為被測逆變器的網側分離開關，K2為 被測逆變器的負載分離開關。負載采用可變RLC諧振電路，諧振頻率為被測逆變器的額定頻率（50/60HZ）,其消耗的有功功率與被測逆變器輸出的有功功率 相當。試驗應在表5規定的條件下進行。注：由于電網從逆變器吸收有功功率和無功功率的不確定性，該項試驗使用實際 電網比模擬電網更具有說服力。表1防孤島效應保護的試驗條件黴罔逆堂聯的籥岀功牛PEUT黴辭邏變晶的aA100%翼定處漁軸山購

21、喇； 90%，訓迅迂的電牟.和亦沖HLM 血BE6輻知卍童訛MhUM*直睡人電耳池劇的50+10%歧尼迫和斃半廉閘血為離'定fftC33銘幀疋童嶽林k di劃人電山恿鬧已10%進起電叫和轉屮曲闡L為定 值日，"口 沐編人電川極低 x Y,刖 i / cNin so% j =x*o r<Y X)試驗步驟如下：a）閉合K1，斷開K2，啟動逆變器。通過調節直流輸入源，使逆變器的輸出功 率PEUT等于額定交流輸出功率，并測量逆變器輸出的無功功率QEUT; b）使逆變器停機，斷開K1 ；c）通過以下步驟調節RLC電路使得Qf=1.0 ±.05:RLC電路消耗的感性無功 滿足關系式：QL=Qf*PEUT=1.0*PEUT ;接入電感L,使其消耗的無功等于 QL ;并入電容 C,使其消耗的容性無功滿足關系式： QC+QL二QEUT :最后并入電阻R,使 其消耗的有功等于PEUT。d）閉合K2接入R