分布式发电系统有关孤岛问题的探讨

分布式发电系统 有关 孤岛 问题的探讨

本文就 基于逆变器 接口 的分布式发电系统，对于 本地孤岛检测 技术，探讨 梳理 如下：

一、 概念

基于逆变器接口的分布式发电系统（输出功率 1kW~ 几 MW），多采用光伏等不可调能源，安装成本低且通常不与电力系统控制系统通信。因此，其孤岛检测与保护优先采用本地检测技术，而非远程检测技术，核心围绕逆变器拓扑、控制结构及内部检测算法展开。

二、逆变器 的 分类、工作原理及控制方式

逆变器的拓扑类型和控制逻辑，直接决定孤岛的形成风险与保护难度，需从分类、工作原理及控制方式三方面分析：

2.1 逆变器分类与核心特性

根据开关器件的换向方式，逆变器主要分为线路换向逆变器和自换向逆变器，二者差异显著：

2.1.1 自换向逆变器的拓扑细分

自换向逆变器按直流侧连接方式，进一步分为电流源逆变器（CSI） 和电压源逆变器（VSI），二者的结构与应用选择逻辑如下：

① 电流源逆变器（CSI）

直流母线特性 是 串联大电感，维持母线电流恒定（“可控电流源”）；优势，可 直接与配电网（电压源特性）连接时，潮流控制更简单；局限 性， 适配性低，需匹配特定开关器件，应用较少。

② 电压源逆变器（VSI）

直流母线特性 是 并联大电容，维持母线电压恒定（“可控电压源”）；优势 是 适配 IGBT/MOSFET 等主流器件，且分布式电源（如光伏）输出特性更接近电压源；现状 是 目前主流选择，覆盖绝大多数分布式发电场景。 因此，VSI在光伏和储能系统中被广泛采用，其控制策略成熟，易于实现单位功率因数并网与有功无功解耦调节。同时，得益于电力电子器件成本下降与效率提升，VSI的经济性与可靠性持续优化，进一步巩固了其在分布式能源并网中的主导地位。

2.2 逆变器控制结构与孤岛响应

逆变器通过检测端电压（U?）、输出电流（I?）及功率设定信号，控制输出电能特性，核心控制方式分为三类：

2.2.1 电流控制

核心逻辑 是 以输出电流（I?）为受控变量，通过反馈环对比 “测量电流” 与 “参考电流” 的误差，调整逆变器输出电压（Uac）；孤岛检测优势，在于 将端电压（U?）作为电流波形参考，形成正反馈—— 孤岛形成时系统更易不稳定，电压 / 频率偏移更明显，利于检测；特点 是 无独立频率 / 电压控制，完全跟随外部配电网。  

2.2.2 功率角控制

核心逻辑以通过滤波电感（L?）的功率为控制量，功率计算公式为：

关键特性：

L?通常很小，即使额定功率下δ 也极小（cosδ≈1）；无独立频率 / 电压控制，跟随外部配电网；若孤岛内“逆变器输出功率” 与 “本地负荷功率” 不平衡，频率 / 电压会快速偏移，孤岛响应可通过无源检测（如频率阈值）识别；非检测区（NDZ）大小取决于电压 / 频率阈值窗口及控制器设计，CSI 拓扑的 NDZ 极小（单位功率因数运行，电流跟随电压，易失稳）。

2.2.3 多模式控制

适配分布式发电的复杂场景（本地供电、储能、电能质量提升），核心特点是并网 / 单机模式切换：

① 单机模式 ： 公共耦合点（PCC）断开配电网，逆变器采用内部生成的参考频率 / 电压，以电压控制模式向本地负荷供电 。

② 并网模式 ： 功率角控制支持双向转换（逆变 / 整流） 及无功功率补偿，适配多场景需求。正常工况 时 作为并网逆变器，向配电网输送电能（带反孤岛保护）；储能工况 时 作为高功率因数有源整流器，从电网取电为储能系统充电 。

三、逆变器内部孤岛检测技术

根据是否主动扰动系统，分为无源检测和有源检测两大类，各有适用场景与局限性。

3.1 无源孤岛检测方法  

无需主动干预系统，通过监测逆变器输出端的电压 / 频率 / 相位等参数变化识别孤岛，核心方法有三种：

3.1.1 电压 / 频率偏高 / 低检测（OVER/UFP）

◎ 原理：孤岛形成后，若 “逆变器输出功率（P/Q）” 与 “本地负荷功率（P+ΔP/Q+ΔQ）” 不平衡，电压 / 频率会偏移，超过设定阈值（如电压 88%~110% 额定值）则触发保护 。

◎ 局限性：功率不平衡量（ΔP/ΔQ）过小时，偏移未达阈值，形成NDZ；NDZ 大小与控制策略相关：若逆变器恒功率、单位功率因数运行，有功功率 NDZ 较大（北美标准下约 - 173~213），无功功率 NDZ 较小（Q 降低时 NDZ 更小）；北美标准参数：电压允许偏移 88%~110%，频率允许偏移 57~59.3Hz（低限）、60.5Hz（高限）。

3.1.2 电压相位突变检测（PJD）

原理：正常并网时，配电网维持逆变器端电压相位稳定；孤岛形成后，电压相位需与负荷相位匹配，产生相位突变，通过锁相环（PLL）检测 “电流 - 电压相位误差” 是否超阈值 。 本法 优势 是 易实现（逆变器本身需 PLL 同步，仅需增加相位误差判断逻辑） 。

局限性：阈值难设定 —— 阈值过松易漏检，过严易误动；电流源逆变器场景：孤岛后频率不变，电压相位 “跳跃” 幅度有限，检测灵敏度受影响。

3.1.3 电压谐波变化检测

原理：正常并网 时 配电网为低阻抗电压源，端电压总谐波畸变率（THD≈0）；孤岛形成 时 ① 配电网断开后逆变器输出阻抗增大，电流谐波导致电压谐波升高；② 非线性负荷（如配电变压器）励磁电流使电压失真，THD 超阈值则触发保护 。 本法 优势 是 检测范围宽，多台逆变器并存时效果稳定 。

局限性：阈值难设定，易误动 / 漏检；低通特性负荷（高 Q 值）会滤除谐波，或逆变器输出低失真时，方法失效。  

3.2 有源孤岛检测方法

通过主动向系统注入扰动（电流 / 频率 / 电压偏移），放大孤岛特征后识别，核心方法有七种：

3.2.1 阻抗测量法

原理：检测 “电压变化量 / 电流变化量（du/di?）”—— 并网时配电网低阻抗，du/di?小；孤岛时本地负荷阻抗大，du/di?显著增大 。 优势 是 单台逆变器场景下，若本地阻抗 > 配电网阻抗，NDZ 极小 。

局限性：多台逆变器并存时，扰动不同步导致检测效率骤降；需设定阻抗阈值 —— 若本地负荷阻抗低于阈值，易误判为 “仍并网”，形成 NDZ。

3.2.2 特定频率下阻抗测量法

原理：本质 是 谐波检测的 “有源版”，通过逆变器主动注入特定频率的电流谐波，孤岛后谐波电流在负荷上产生谐波电压，电压超阈值则检测 。

局限性 ： 与无源谐波法一致：多台逆变器注入同频率谐波，即使并网也会导致谐波电压升高，易误动；负荷频率特性若与注入谐波匹配（滤波），方法失效。

3.2.3 滑模频率漂移法（SMS）

原理：对逆变器输出电压相位引入正反馈，设计 “相位 - 频率响应曲线”—— 使工频（如 50/60Hz）成为不稳定工作点 ； 并网时，配电网提供固定相位 / 频率，逆变器稳定在工频；孤岛时，频率微小波动会被正反馈放大，系统运行到新工作点（频率偏移超阈值） 。 本法 优势 是 孤岛检测效率高 。

局限性：降低电能质量（相位正反馈导致波形畸变）；高穿透率 / 高增益场景，易影响系统暂态响应；特定 RLC 负荷（相位响应比逆变器更快）会破坏不稳定特性，导致检测失效。  

3.2.4 有源频率偏移法（AFD）

原理：使逆变器输出电流波形轻微畸变（如设置死区），让频率呈现 “连续上升 / 下降趋势” ； 并网时：配电网固定频率，趋势被抑制；孤岛时，频率趋势被放大，直至偏移超 OVER/UFP 阈值；关键参数 是 斩波系数（c=2t?/T，t?为死区时间，T 为周期） 。

局限性：NDZ 与 c 相关 ——c<1% 时，NDZ 与 SMS 相当；c 过大会严重影响电能质量。

3.2.5 沙迪亚频率漂移法（SFS）

原理：AFD 的扩展，对逆变器输出电压频率引入正反馈，放大孤岛时的频率偏移 。 本法 优势 是可 进一步缩小 NDZ 。

局限性：并网时轻微降低电能质量；弱电网场景下，易引发系统暂态不稳定；高 Q 值负荷（大电容、小电感、高电阻）下，仍存在 NDZ。

3.2.6 沙迪亚电压漂移法（SVS）

原理：对逆变器输出电压幅值引入正反馈—— 电压幅值误差会推动参考功率（P*）偏移，使电压进一步远离额定范围，直至超阈值； 可进一步 优化设计，反馈环增益为 “参考功率的函数”，降低对功率设定值的依赖 。

局限性：降低电能质量，引发系统暂态响应问题。

3.2.7 频率跳变法（FJ）

原理：每隔几个周期，在输出电流中加入死区，使频率按 “预设模式振动” ； 孤岛时，① 频率偏移超范围；② 振动模式与预设匹配，触发检测 。 本法 优势 是 单台逆变器场景下，若振动模式精密，检测效率高 。

局限性：多台逆变器并存时，需同步振动模式，否则检测效率骤降。

四、孤岛检测的标准与测试方法  

为消除分布式发电并网障碍，需统一性能标准与测试流程：

4.1 核心要求

响应速度：孤岛形成后，需在规定时间内断开分布式电源与负荷 。

测试覆盖性：覆盖所有应用模式（并网 / 单机）及孤岛类型 。

可重复性：测试流程标准化，降低时间与成本。

拓扑选择：VSI 因适配性强，成为分布式发电逆变器的主流 。

控制影响：电流控制 / 功率角控制的逆变器无独立频压调节，孤岛时易失稳，利于无源检测 。

检测权衡 选择 ： ? 无源法：无电能质量影响，但 NDZ 较大、阈值难设； VS ? 有源法：NDZ 小、检测效率高，但需牺牲部分电能质量，多机场景需同步 。

4.2 主流标准

IEEE 与 IEC 标准均聚焦 “快速响应” 与 “最坏场景测试”，确保并网安全，方法略有不同，如下：

① IEEE（北美主导）：

IEEE Std.929-2000分布式发电系统并网逆变器安全标准；IEEE Std.1547-2003分布式发电系统与配电网互连标准；二者均明确孤岛检测的性能指标与测试方法，为行业基准。

② IEC（国际标准）：

测试 setup需模拟配电网（交流电源）及 “孤岛负荷”；负荷模拟，采用工频谐振的并联 RLC 负荷（代表最坏场景，其他负荷可等效为该模型） ；核心逻辑 是 使逆变器输出功率与负荷功率匹配，验证是否 能检测 孤岛。