反孤島和智能電網(wǎng)保護(hù)

　　防孤島保護(hù)對(duì)于確保并網(wǎng)能量收集系統(tǒng)在電網(wǎng)本身斷電時(shí)切斷與電網(wǎng)的連接至關(guān)重要。然而，識(shí)別電網(wǎng)中的功率損耗可能具有挑戰(zhàn)性，需要能夠在對(duì)電網(wǎng)中的正常波動(dòng)的敏感性和對(duì)電網(wǎng)電力故障的響應(yīng)性之間找到適當(dāng)平衡的方法。構(gòu)建并網(wǎng)逆變器的工程師可以利用關(guān)鍵設(shè)計(jì)方法和制造商提供的組件（包括ADI公司，飛思卡爾半導(dǎo)體公司，Microchip Technology公司，安森美半導(dǎo)體公司，TE Con??nectivity公司和德州儀器公司公司等）實(shí)現(xiàn)可靠的抗孤島保護(hù)。 。

　　小規(guī)模的能源收集可以提供大量的電力 - 足以滿足個(gè)別建筑物的需求，并仍然將多余的電力輸送回電網(wǎng)以獲得信貸。然而，利用這種類(lèi)型的分布式發(fā)電，當(dāng)太陽(yáng)能電池陣列或風(fēng)力渦輪機(jī)例如繼續(xù)供電時(shí)，電網(wǎng)中的電力損失可能產(chǎn)生危險(xiǎn)情況。在這種情況下，能量收集系統(tǒng)成為向無(wú)動(dòng)力電網(wǎng)供電的島嶼。防孤島保護(hù)提供了機(jī)制，旨在通過(guò)在電網(wǎng)變暗時(shí)斷開(kāi)能量收集系統(tǒng)和電網(wǎng)之間的連接來(lái)防止這些電力島的出現(xiàn)。

　　反孤島保護(hù)非常重要，因此美國(guó)和其他擁有發(fā)達(dá)電網(wǎng)系統(tǒng)的國(guó)家需要具備反島嶼化的具體能力和規(guī)范。孤島不僅會(huì)使公用事業(yè)維修人員處于危險(xiǎn)之中，活躍的島嶼也會(huì)使恢復(fù)電網(wǎng)電力的過(guò)程復(fù)雜化。

　　斷電檢測(cè)

　　在許多情況下，確定電網(wǎng)何時(shí)斷電可能是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。在對(duì)典型的并網(wǎng)能量收集系統(tǒng)進(jìn)行隨意檢查時(shí)，電網(wǎng)的功率損失似乎很快就會(huì)明顯（圖1）。然而，在某些情況下，當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，本地負(fù)載可能會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致有功和無(wú)功功率變化非常小的特性。結(jié)果，逆變器將不能檢測(cè)到差異，因此將繼續(xù)向無(wú)動(dòng)力電網(wǎng)供電，從而導(dǎo)致孤島狀態(tài)。另一方面，當(dāng)電網(wǎng)繼續(xù)提供電力時(shí)反復(fù)斷開(kāi)連接的逆變器將減少其返回的電力量并且減少其所有者的收入機(jī)會(huì)。

　　圖1：如果電網(wǎng)電源出現(xiàn)故障，本地負(fù)載可能會(huì)屏蔽微型逆變器檢測(cè)到的有功功率或無(wú)功功率的任何變化，從而導(dǎo)致孤島運(yùn)行，或者從能量收集源繼續(xù)向電網(wǎng)輸送電力。 （由Microchip Technology提供）

　　逆變器無(wú)法檢測(cè)電網(wǎng)功率損耗的一組條件稱為非檢測(cè)區(qū)（NDZ）。有效的反孤島方法的目標(biāo)是使用來(lái)自電網(wǎng)的某種形式的反饋來(lái)減少或理想地消除NDZ。用于減少NDZ的傳統(tǒng)方法通常依賴于所謂的無(wú)源方法，其中逆變器測(cè)量電網(wǎng)電壓或頻率。當(dāng)測(cè)量的特性低于閾值時(shí)，逆變器確定存在孤島狀態(tài)，并且在繼續(xù)為本地負(fù)載供電的同時(shí)將其自身完全關(guān)閉或從電網(wǎng)斷開(kāi)。

　　最常見(jiàn)的被動(dòng)反孤島方法利用了逆變器的關(guān)鍵機(jī)制。在典型的逆變器設(shè)計(jì)中，數(shù)字電源控制器通常使用脈沖寬度調(diào)制器（PWM）來(lái)管理輸出電壓，以產(chǎn)生所需的交流波形（圖2）。通過(guò)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓波形并測(cè)量其過(guò)零點(diǎn)，逆變器可以啟動(dòng)PWM輸出周期的開(kāi)始，以產(chǎn)生與電網(wǎng)保持同步的AC波形。

　　圖2：反孤島方法側(cè)重于分析交流波形生成和與網(wǎng)格同步的環(huán)境中的網(wǎng)格反饋。 （由Silicon Laboratories提供）

　　為確保同步，設(shè)計(jì)人員可以將過(guò)零檢測(cè)器與基于鎖相環(huán)（PLL）的控制器結(jié)合使用，以產(chǎn)生與電網(wǎng)波形保持同相的交流輸出波形（圖3）。這里，波形控制器使用PLL產(chǎn)生網(wǎng)格同步波形，以確保輸出正弦波與網(wǎng)格波形的過(guò)零點(diǎn)之間的緊密匹配。

　　圖3：被動(dòng)反孤島檢測(cè)可以使用由硬件或軟件實(shí)現(xiàn)的基于PLL的控制器執(zhí)行的電網(wǎng)頻率監(jiān)控，如圖所示這個(gè)例子。 （德州儀器公司提供）

　　對(duì)于過(guò)零檢測(cè)功能，工程師將使用圍繞運(yùn)算放大器構(gòu)建的簡(jiǎn)單模擬電路。事實(shí)上，有效的過(guò)零檢測(cè)電路只需要通用運(yùn)算放大器，如Microchip Technology MCP6022，安森美半導(dǎo)體BC817-16LT1G等晶體管，以及一些額外的無(wú)源元件（圖4）。

　　圖4：一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)零檢測(cè)器只需要運(yùn)算放大器，晶體管和一些無(wú)源元件來(lái)提供過(guò)零檢測(cè)信號(hào)直接控制邏輯或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行控制程序的MCU的GPIO引腳。 （由Microchip Technology提供）

　　通過(guò)查找電網(wǎng)波形的過(guò)零點(diǎn)，頻率或電壓的偏差，反孤島逆變器可以檢測(cè)電網(wǎng)中的功率損耗并將其自身與電網(wǎng)斷開(kāi)當(dāng)孤島發(fā)生時(shí)。在這種情況下，當(dāng)檢測(cè)到孤島時(shí)（或當(dāng)逆變器進(jìn)入故障狀態(tài)時(shí)），需要快速打開(kāi)繼電器。

　　國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，斷開(kāi)與電網(wǎng)連接的繼電器電路每極必須至少有1.5 mm的接觸間隙，需要使用TE Con??necTIvity PCFN太陽(yáng)能繼電器等設(shè)備。接觸間隙大于1.8毫米。在典型的反孤島逆變器設(shè)計(jì)中，MCU產(chǎn)生繼電器啟用/禁用信號(hào)，繼而由繼電器驅(qū)動(dòng)器緩沖（圖5）。

　　靈活的防孤島

　　設(shè)計(jì)人員通常選擇使用集成處理器進(jìn)行基于固件的逆變器設(shè)計(jì)，例如飛思卡爾半導(dǎo)體MC56F8257，Microchip Technology dsPIC33FJ16GS504和TI C2000的Texas Instruments TMS320F2802 Piccolo MCU C28x Piccolo系列。除了現(xiàn)有設(shè)計(jì)的代碼增強(qiáng)優(yōu)勢(shì)之外，基于軟件的反孤島還可以部署更復(fù)雜的檢測(cè)方案。

　　圖5：在逆變器設(shè)計(jì)中，飛思卡爾MC56F8257等先進(jìn)處理器允許實(shí)施復(fù)雜的基于軟件的防孤島方案，并在檢測(cè)到孤島時(shí)斷開(kāi)與電網(wǎng)連接所需的關(guān)鍵繼電器的直接控制。 （由飛思卡爾半導(dǎo)體公司提供）

　　對(duì)于集成電池管理的微型逆變器，設(shè)計(jì)相應(yīng)地變得更加復(fù)雜（圖6）。然而，反島嶼管理的相同原則也適用。在這種類(lèi)型的逆變器設(shè)計(jì)中，諸如ADI公司Blackfin ADSP-BF50x之類(lèi)的DSP提供了在執(zhí)行反孤島控制程序時(shí)支持更復(fù)雜的要求組合所需的性能和功能。在這里，Analog的AD7280，AD8280和ADuC703x鋰離子電池管理IC可以從DSP卸載電池充電和串平衡，DSP使用ADuM140 IC進(jìn)行數(shù)字隔離。

　　圖6：在更復(fù)雜的能量收集系統(tǒng)中，鋰離子電池串用于備用電源，如ADI公司的ADSP-BF50等DSP可以在執(zhí)行反孤島機(jī)制的同時(shí)管理能量收集和電池管理。 （由ADI公司提供）

　　使用MCU和DSP對(duì)于實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防孤島方法至關(guān)重要。雖然無(wú)源方法只是監(jiān)控電網(wǎng)電壓和頻率，但主動(dòng)方法會(huì)將小擾動(dòng)注入電網(wǎng)，以確定電網(wǎng)是否仍然連接并提供穩(wěn)定的電力。例如，桑迪亞頻移方法故意在輸出波形中引入相位角的小偏差，并尋找下一周期中電網(wǎng)頻率的任何變化。使用有源電網(wǎng)，電網(wǎng)頻率不受影響。與使用被動(dòng)方法相比，主動(dòng)方法通?？梢蕴峁└蟮腘DZ減少，但仍然是行業(yè)研究的活躍領(lǐng)域。

　　結(jié)論

　　反對(duì)孤島對(duì)于并網(wǎng)逆變器的安全可靠性能至關(guān)重要，并且在擁有先進(jìn)電網(wǎng)的國(guó)家仍然是法定要求。然而，在許多情況下，確定何時(shí)發(fā)生孤島運(yùn)輸可能具有挑戰(zhàn)性，當(dāng)連接的逆變器饋入無(wú)電網(wǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)，或者當(dāng)逆變器不必要地從有源電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)導(dǎo)致收入損失。對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)反孤島方案可以建立在用于網(wǎng)格同步的常用方法的基礎(chǔ)上，并利用使用可用MCU和DSP的強(qiáng)大的基于軟件的方法。