防孤島保護對于確保并網(wǎng)能量收集系統(tǒng)在電網(wǎng)本身斷電時切斷與電網(wǎng)的連接至關(guān)重要。然而，識別電網(wǎng)中的功率損耗可能具有挑戰(zhàn)性，需要能夠在對電網(wǎng)中的正常波動的敏感性和對電網(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）實現(xiàn)可靠的抗孤島保護。 。

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

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

　　斷電檢測

　　在許多情況下，確定電網(wǎng)何時斷電可能是一項重大挑戰(zhàn)。在對典型的并網(wǎng)能量收集系統(tǒng)進(jìn)行隨意檢查時，電網(wǎng)的功率損失似乎很快就會明顯（圖1）。然而，在某些情況下，當(dāng)電網(wǎng)斷電時，本地負(fù)載可能會產(chǎn)生導(dǎo)致有功和無功功率變化非常小的特性。結(jié)果，逆變器將不能檢測到差異，因此將繼續(xù)向無動力電網(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)提供電力時反復(fù)斷開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會。

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

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

　　最常見的被動反孤島方法利用了逆變器的關(guān)鍵機制。在典型的逆變器設(shè)計中，數(shù)字電源控制器通常使用脈沖寬度調(diào)制器（PWM）來管理輸出電壓，以產(chǎn)生所需的交流波形（圖2）。通過監(jiān)測電網(wǎng)電壓波形并測量其過零點，逆變器可以啟動PWM輸出周期的開始，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)計人員可以將過零檢測器與基于鎖相環(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)格波形的過零點之間的緊密匹配。

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

　　對于過零檢測功能，工程師將使用圍繞運算放大器構(gòu)建的簡單模擬電路。事實上，有效的過零檢測電路只需要通用運算放大器，如Microchip Technology MCP6022，安森美半導(dǎo)體BC817-16LT1G等晶體管，以及一些額外的無源元件（圖4）。

　　圖4：一個簡單的過零檢測器只需要運算放大器，晶體管和一些無源元件來提供過零檢測信號直接控制邏輯或驅(qū)動執(zhí)行控制程序的MCU的GPIO引腳。 （由Microchip Technology提供）

　　通過查找電網(wǎng)波形的過零點，頻率或電壓的偏差，反孤島逆變器可以檢測電網(wǎng)中的功率損耗并將其自身與電網(wǎng)斷開當(dāng)孤島發(fā)生時。在這種情況下，當(dāng)檢測到孤島時（或當(dāng)逆變器進(jìn)入故障狀態(tài)時），需要快速打開繼電器。

　　國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，斷開與電網(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)計中，MCU產(chǎn)生繼電器啟用/禁用信號，繼而由繼電器驅(qū)動器緩沖（圖5）。

　　靈活的防孤島

　　設(shè)計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，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)計的代碼增強優(yōu)勢之外，基于軟件的反孤島還可以部署更復(fù)雜的檢測方案。

　　圖5：在逆變器設(shè)計中，飛思卡爾MC56F8257等先進(jìn)處理器允許實施復(fù)雜的基于軟件的防孤島方案，并在檢測到孤島時斷開與電網(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）

　　對于集成電池管理的微型逆變器，設(shè)計相應(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。在這種類型的逆變器設(shè)計中，諸如ADI公司Blackfin ADSP-BF50x之類的DSP提供了在執(zhí)行反孤島控制程序時支持更復(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)行反孤島機制的同時管理能量收集和電池管理。 （由ADI公司提供）

　　使用MCU和DSP對于實現(xiàn)主動防孤島方法至關(guān)重要。雖然無源方法只是監(jiān)控電網(wǎng)電壓和頻率，但主動方法會將小擾動注入電網(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。與使用被動方法相比，主動方法通常可以提供更大的NDZ減少，但仍然是行業(yè)研究的活躍領(lǐng)域。

　　結(jié)論

　　反對孤島對于并網(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)的國家仍然是法定要求。然而，在許多情況下，確定何時發(fā)生孤島運輸可能具有挑戰(zhàn)性，當(dāng)連接的逆變器饋入無電網(wǎng)時會產(chǎn)生危險，或者當(dāng)逆變器不必要地從有源電網(wǎng)斷開時導(dǎo)致收入損失。對于工程師來說，實現(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的強大的基于軟件的方法。