防孤島保護對于確保并網能量收集系統在電網本身斷電時切斷與電網的連接至關重要。然而，識別電網中的功率損耗可能具有挑戰性，需要能夠在對電網中的正常波動的敏感性和對電網電力故障的響應性之間找到適當平衡的方法。構建并網逆變器的工程師可以利用關鍵設計方法和制造商提供的組件（包括ADI公司，飛思卡爾半導體公司，Microchip Technology公司，安森美半導體公司，TE Con??nectivity公司和德州儀器公司公司等）實現可靠的抗孤島保護。 。

　　小規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以獲得信貸。然而，利用這種類型的分布式發電，當太陽能電池陣列或風力渦輪機例如繼續供電時，電網中的電力損失可能產生危險情況。在這種情況下，能量收集系統成為向無動力電網供電的島嶼。防孤島保護提供了機制，旨在通過在電網變暗時斷開能量收集系統和電網之間的連接來防止這些電力島的出現。

　　反孤島保護非常重要，因此美國和其他擁有發達電網系統的國家需要具備反島嶼化的具體能力和規范。孤島不僅會使公用事業維修人員處于危險之中，活躍的島嶼也會使恢復電網電力的過程復雜化。

　　斷電檢測

　　在許多情況下，確定電網何時斷電可能是一項重大挑戰。在對典型的并網能量收集系統進行隨意檢查時，電網的功率損失似乎很快就會明顯（圖1）。然而，在某些情況下，當電網斷電時，本地負載可能會產生導致有功和無功功率變化非常小的特性。結果，逆變器將不能檢測到差異，因此將繼續向無動力電網供電，從而導致孤島狀態。另一方面，當電網繼續提供電力時反復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：如果電網電源出現故障，本地負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，從而導致孤島運行，或者從能量收集源繼續向電網輸送電力。 （由Microchip Technology提供）

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

　　最常見的被動反孤島方法利用了逆變器的關鍵機制。在典型的逆變器設計中，數字電源控制器通常使用脈沖寬度調制器（PWM）來管理輸出電壓，以產生所需的交流波形（圖2）。通過監測電網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，以產生與電網保持同步的AC波形。

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

　　為確保同步，設計人員可以將過零檢測器與基于鎖相環（PLL）的控制器結合使用，以產生與電網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產生網格同步波形，以確保輸出正弦波與網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的基于PLL的控制器執行的電網頻率監控，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動執行控制程序的MCU的GPIO引腳。 （由Microchip Technology提供）

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

　　國際標準規定，斷開與電網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太陽能繼電器等設備。接觸間隙大于1.8毫米。在典型的反孤島逆變器設計中，MCU產生繼電器啟用/禁用信號，繼而由繼電器驅動器緩沖（圖5）。

　　靈活的防孤島

　　設計人員通常選擇使用集成處理器進行基于固件的逆變器設計，例如飛思卡爾半導體MC56F8257，Microchip Technology dsPIC33FJ16GS504和TI C2000的Texas Instruments TMS320F2802 Piccolo MCU C28x Piccolo系列。除了現有設計的代碼增強優勢之外，基于軟件的反孤島還可以部署更復雜的檢測方案。

　　圖5：在逆變器設計中，飛思卡爾MC56F8257等先進處理器允許實施復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連接所需的關鍵繼電器的直接控制。 （由飛思卡爾半導體公司提供）

　　對于集成電池管理的微型逆變器，設計相應地變得更加復雜（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計中，諸如ADI公司Blackfin ADSP-BF50x之類的DSP提供了在執行反孤島控制程序時支持更復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進行數字隔離。

　　圖6：在更復雜的能量收集系統中，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對于實現主動防孤島方法至關重要。雖然無源方法只是監控電網電壓和頻率，但主動方法會將小擾動注入電網，以確定電網是否仍然連接并提供穩定的電力。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頻率的任何變化。使用有源電網，電網頻率不受影響。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，但仍然是行業研究的活躍領域。

　　結論

　　反對孤島對于并網逆變器的安全可靠性能至關重要，并且在擁有先進電網的國家仍然是法定要求。然而，在許多情況下，確定何時發生孤島運輸可能具有挑戰性，當連接的逆變器饋入無電網時會產生危險，或者當逆變器不必要地從有源電網斷開時導致收入損失。對于工程師來說，實現反孤島方案可以建立在用于網格同步的常用方法的基礎上，并利用使用可用MCU和DSP的強大的基于軟件的方法。