用于单相分布式发电系统孤岛检测的新型电流扰动方法
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2009年7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.24 No. 7 第24卷第7期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 2009
用于单相分布式发电系统孤岛检测的
新型电流扰动方法
任碧莹1 孙向东1 钟彦儒1 同向前1 沈 宏2
（1. 西安理工大学自动化与信息工程学院 西安 710048
2. 河南科技学院机电系 新乡 453000）
摘要 当分布式发电系统提供的功率与本地负载所需功率匹配，且负载角和扰动角度相等
时，即使发生孤岛现象，公共耦合点电压也一直处于非检测区内，从而导致主动频率偏移法无法
识别孤岛效应的问题。针对上述问题，本文提出了一种新颖的2N电压周期电流扰动方法，即第
2N电压周期采用主动频率偏移方法，第2N+1电压周期的电流与电压同步。根据公共耦合点相邻
周期间的电压频率差是否正负连续交替变化来识别孤岛现象。仿真和实验结果证明该方法很大程
度上解决了非检测区的问题，而且适用于多台逆变器的并网运行情况。
关键词：孤岛效应 电流扰动 非检测区 分布式发电系统
中图分类号：TM92
A Novel Current-Disturbing Method for Islanding Detection in
Single-Phase Distributed Power Generation Systems
Ren Biying1 Sun Xiangdong1 Zhong Yanru1 Tong Xiangqian1 Shen Hong2
（1. Xi’an University of Technolgy Xi’an 710048 China
2. Henan Institute of Science and Technology Xinxiang 453000 China）
Abstract When the power generated by the distributed power generation system matches with the
demand power of the local load, and the angle of the load equals that of the current disturbance, even if
the islanding occurs, the voltage at the point of the common coupling (PCC) is always within the range
of non-detecting zone (NDZ), therefore, it is difficult for the active frequency drift (AFD) method to
detect the islanding effect. As for the problem, a novel current-disturbing method in the 2Nth period is
proposed in this paper. That is, the same current is controlled as AFD method in the (2N) th voltage
period, and in the (2N+1)th voltage period the current does not be distorted, but it is in phase with the
voltage. The islanding can be identified by judging whether the error of the voltage frequencies at PCC
between the (2N) th and (2N+1)th periods changes alternately in the form of the positive and negative
signs. The simulation and experimental results verify that this method can resolve the problem of NDZ
effectively and is also applied to the grid-connected operation for many inverters.
Keywords：Islanding effect, current disturbance, non-detecting zone, distributed generation
system
1 引言
面临化石能源日益紧张，全球气候变暖的严峻
形势，世界各国比以往任何时候都渴求可持续绿色替代能源，因此光伏发电、风力发电等新能源发电
系统得到了长足发展。然而，随着分布式新能源发
电系统的逐步应用，发生孤岛效应的概率也越来越
高。如何有效避免发生孤岛问题，成为目前分布式
发电系统的一个研究热点。 收稿日期 2008-03-28 改稿日期 2008-12-22 158 电 工 技 术 学 报 2009年7月
孤岛检测分为两类：被动检测法和主动扰动法。
常用的被动检测法是电压/频率检测法[1]，该方法的
优点是实现简单，缺点是当发生孤岛后公共耦合点
电压处于非检测区内时，存在无法识别问题。由于
上述被动式孤岛检测方法的检测盲区较大，为了满
足系统安全标准的要求，通常还需引入主动扰动方
法，因此将被动式和主动式结合起来是最常用的检
测方法。主动扰动方法一般是通过定时改变输出信
号，来达到对电网的扰动效果。根据逆变输出电流公式invmsin(2)IIftθ=π+可知，对幅值Im、频率f
或初始相位θ 进行扰动，促使处于孤岛状态下的系
统公共耦合点电压的参数幅值、频率或谐波含量等
超出正常范围，从而达到检测孤岛效应的目的。主
动频率偏移法（AFD）作为常用的主动扰动法，虽
然已经在很多欧美国家的产品中应用，但是该方法
针对非检测区内负载角与扰动角度相匹配情况，则
无法识别孤岛现象[2-5]。对于有功功率和无功功率协
调扰动方法，同样存在一定的非检测区问题[6-7]。文
献[8]提出了对电流正负半周注入不对称扰动方法，
虽然从仿真结果上看不存在非检测区问题，但是存
在直流分量，易引起电网变压器偏磁问题。文献[9]
对主动频率偏移法进行了改进，但是仍然存在一定
的检测盲区。
本文在利用主动频率偏移法容易实现多台逆变
器并网运行的优点基础上，提出了只有第2N电压
周期进行电流扰动的孤岛检测方法。该方法打破了
单纯依靠检测公共耦合点电压频率是否超出规定频
率范围的判断准则，而是根据公共耦合点相邻周期
间的电压频率差是否正负连续交替变化来识别孤岛
效应，而且适用于多台逆变器的并网运行情况。
2 主动频率偏移法的非检测区问题
主动频率偏移法是对逆变器输出电流注入微小
的畸变，当系统处于孤岛状态时，促使耦合点电压
的频率发生偏移，经过频率偏移累积后，当超出规
定频率范围时，进行孤岛保护[4]。图1是AFD法示
意图。其中VA是耦合点电压，i是逆变器输出电流，
Tu为电压周期，tz为零电流扰动时间。
通常，本地负载可以等效为电阻R、电感L和
电容C的并联，因此负载角θL为
1L1tan22uuRfCfLθ−⎡⎤⎛⎞=−π−⎢⎥⎜⎟π⎢⎥⎝⎠⎣⎦ （1）
电流扰动角θz为
zzz22uutftTθ=π=π （2）
式中，fu为耦合点电压频率。
图1 主动频率偏移法
Fig.1 Active frequency drift
由式（1）和式（2）可得图2。根据IEEE Std 929
—2000规定60Hz电力系统的非检测区频率范围
59.3～60.5Hz进行成比例换算，可知对于50Hz的
电力系统而言，非检测区频率范围49.4～50.4Hz。
图2表明当发生孤岛时，由于负载角θL与电流扰动
角θz匹配，因此逆变器输出电压的频率会稳定工作
在A点，而该点位于非检测区范围内，因此无法使
用AFD法识别该孤岛现象。
图2 主动频率偏移法的非检测区
Fig.2 Non-detecting zone for AFD method
3 2N周期电流扰动法
3.1 孤岛检测原理
为了解决上述非检测区问题，本文提出了2N
周期电流扰动方法，如图3所示。其中，Ti是扰动
电流周期。
在第2N个整数电压周期时，采用与AFD法相
同的电流扰动；在第2N+1个整数电压周期时，逆
变器输出电流与公共耦合点电压同频同相，并不进
行任何畸变，有利于降低电流的谐波含量。 第24卷第7期 任碧莹等 用于单相分布式发电系统孤岛检测的新型电流扰动方法 159 ≤≤
≤≤
＜＜＜＜ 图3 2N周期电流扰动法
Fig.3 Current-disturbing method in the 2Nth period
电压方程为
Am2sinuVUtT⎛⎞π=⎜⎟⎝⎠ 0≤t≤Tu （3）
2N+1电压周期的电流方程为
m2sinuiItT⎛⎞π=⎜⎟⎝⎠ 0≤t≤Tu （4）
2N电压周期的电流方程如下：
mz
mz
z2sin02
2sin22
022ui
uuui
uu
uuTItttT
TTIt
tTtiT
TTtt
TttT⎧⎛⎞π−⎪⎜⎟⎝⎠⎪⎪π⎛⎞⎪−−−⎜⎟=⎨⎝⎠⎪⎪−⎪⎪−⎩ｚ
或 （5）
z2uiTTt=+ （6）
电网断电后，若负载固有频率小于电网频率，
则耦合点电压频率向减小方向移动。若负载固有频
率大于电网频率，则耦合点电压频率向增大方向变
化。经过一定过渡过程之后，在达到稳态之前，电
压频率一直是变化的，但是由于相邻周期电流的交
替作用，使得电压频率也是高低交替渐近式变化。
最终，相邻周期电压频率会稳定在两个频率上交替
变化。其中，2N周期电压频率较高，它是电流扰动
作用的结果。2N+1周期频率较低，它是本地负载固
有频率决定的。连续记录耦合点相邻周期电压频率
之差正负交替变化状态次数，当超过设定次数时，
则进行孤岛保护。由此可见，该检测方法并不是单
纯依靠检测耦合点电压频率是否超出允许范围判断
孤岛效应，而是通过检测相邻周期电压频率之差是
否连续正负交替变化来判断孤岛效应。为了防止谐
波对电压频率测量计算的影响，利用模拟滤波器和
数字滤波技术[10]对公共耦合点电压进行了滤波处
理。为了避免因电网频率随机变化而引起误动作，在计数过程中若出现电压频率差状态不是正负交替
变化，则重新计数。图4为实现该方法的中断服务
软件流程图。
图4 软件流程图 Fig.4 Flowchart of the program 3.2 tz的选取原则 设电流斩波率为z2/uCftT=，对式（5）表示的
逆变器输出参考电流傅里叶级数展开，可得
m224(1)sin2(1)1kkCfICfbkCfπ−=⎡⎤−−π⎣⎦ k=1,3,5,… （7）
()0.52
131THDkkbb∞
=⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦∑ （8）
根据式（8）计算2N周期电流谐波畸变率。参
照IEEE Std 929—2000规定电流总谐波畸变率低于
5%的国际标准，若考虑17次以下谐波，则Cf＜
