太陽能孤島效應(yīng)檢測的綜述

吳芳　韓紅斌

【摘 要】在科技發(fā)展的今天，能源問題已經(jīng)成為了一個(gè)全球性的問題。化石能源開發(fā)的局限性促使人們開始尋找新的能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源，而太陽能以其清潔、可再生等特點(diǎn)受到了人們越來越多的關(guān)注。在太陽能并網(wǎng)光伏發(fā)電的過程中，難免會遇到一些問題需要解決，孤島效應(yīng)就是一個(gè)。本文將簡述幾種孤島效應(yīng)的檢測方法，包括主動式孤島效應(yīng)和被動式孤島效應(yīng)檢測，以及它們都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為以后的太陽能并網(wǎng)光伏發(fā)電的孤島效應(yīng)檢測技術(shù)的發(fā)展提供借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】太陽能；光伏發(fā)電；孤島效應(yīng)檢測

1.前言

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)。世界能源以化石能源為主的結(jié)構(gòu)特征，使得世界上的化石能源越來越少，甚至走向枯竭，而且化石能源應(yīng)用過程中會產(chǎn)生比較多的污染，這些問題都一直困擾著人們。作為能源主體的化石能源如煤炭、石油、天然氣等是不可再生能源，這就表明了終有一天這些能源會用光用盡的。這種狀況更加劇了人們對不可再生能源走向枯竭的危機(jī)感。在這種情況下新能源的開發(fā)已經(jīng)成為了迫在眉睫的事情。目前，人們已經(jīng)找到了多種清潔能源，比如太陽能、風(fēng)能、核能、潮汐能能等，其中太陽能以其清潔、限制性小、可再生等優(yōu)點(diǎn)得到了人們的廣泛的關(guān)注。太陽能的利用形式主要有光熱利用、光伏發(fā)電利用和光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種形式，但光熱和光化學(xué)轉(zhuǎn)化具有很大的局限性，而太陽能光伏發(fā)電是以電能為最終輸出形式的，在通用性和可存儲性上的優(yōu)勢比較明顯。

太陽能光伏發(fā)電在并網(wǎng)過程中存在著一定的問題，就是所謂的孤島效應(yīng)。在分布式光伏發(fā)電定義中，孤島效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)的部分線路因故障或維修而停電時(shí)，停電線路所連的并網(wǎng)發(fā)電裝置沒能及時(shí)的檢測到電網(wǎng)停電而繼續(xù)向周圍負(fù)載供電，這種情況下并網(wǎng)發(fā)電裝置同周圍負(fù)載構(gòu)成一個(gè)自給供電的孤島。孤島效應(yīng)會對電網(wǎng)負(fù)載、用戶及工作人員造成不必要的傷害，所以我們要及時(shí)判斷孤島效應(yīng)，減小孤島效應(yīng)的危害。

2.孤島效應(yīng)檢測方法

在研究孤島效應(yīng)檢測的過程中，主要有兩種方法，一種是被動式孤島效應(yīng)檢測法，一種是主動式孤島效應(yīng)檢測法。被動式孤島檢測方法通過監(jiān)控公共點(diǎn)電壓等參數(shù)變化來識別孤島效應(yīng)的，實(shí)現(xiàn)方式簡單，成本較低，但檢測盲區(qū)較大。主動式孤島檢測方法對系統(tǒng)施加一定擾動，使孤島狀態(tài)能通過參數(shù)變化反應(yīng)出來而得到辨識，大大減小了孤島檢測的盲區(qū)，但實(shí)現(xiàn)方式復(fù)雜，容易對電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。

2.1被動式孤島效應(yīng)檢測

被動式孤島檢測方法可以分為過/欠電壓檢測法，過/欠頻率檢測法，電壓相位突變法，電壓諧波檢測法，下面就對這些方法進(jìn)行簡單的介紹。

過/欠電壓檢測法和過/欠頻率檢測法是檢測公共耦合點(diǎn)處的電壓，如果其電壓幅值或頻率超出了正常工作范圍，就立刻停止發(fā)電系統(tǒng)的工作。當(dāng)分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，負(fù)載消耗的功率是電網(wǎng)輸出功率與分布式發(fā)電系統(tǒng)輸出的功率之和，公共耦合點(diǎn)的電壓由電網(wǎng)決定。當(dāng)電網(wǎng)斷開時(shí)，如果分布式系統(tǒng)的有功功率和負(fù)載的有功功率不匹配，公共耦合點(diǎn)的電壓就會發(fā)生變化，當(dāng)超出了正常的范圍時(shí)，孤島效應(yīng)就會被檢測出來。但是，當(dāng)分布式系統(tǒng)的有功功率和負(fù)載的有功功率匹配時(shí)，電壓的幅值和頻率都不會又太大的波動，這時(shí)孤島效應(yīng)就沒有辦法檢測出來了。

電壓相位突變法是通過檢測逆變器輸出電流和分布式系統(tǒng)輸出電壓之間的相位差來檢測孤島效應(yīng)的。通過并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)系統(tǒng)的工作原理我們知道，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)逆變器使輸出電壓與電網(wǎng)一致，但當(dāng)孤島效應(yīng)發(fā)生時(shí)，電網(wǎng)與負(fù)載斷開，由于負(fù)載阻抗角的作用，會使分布式系統(tǒng)的相位發(fā)生突變，超過正常范圍的時(shí)候，孤島效應(yīng)就可以被檢測出來。但是，相位差不會導(dǎo)致錯誤動作的閾值很難確定，因?yàn)槟承┴?fù)載（尤其是電動機(jī)）啟動時(shí)，經(jīng)常引起瞬時(shí)相位突變，如果閾值選擇過低，就會引起誤動作，如果閾值選擇過高，當(dāng)負(fù)載的阻抗角較小時(shí)，檢測就會失敗。

電壓諧波檢測法是通過檢測公共點(diǎn)處電壓的總諧波失真程度來檢測孤島效應(yīng)的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，逆變器產(chǎn)生的諧波電流流入的是一個(gè)低阻抗電網(wǎng)，這些小的諧波電流與低值的電網(wǎng)阻抗在耦合處的電壓響應(yīng)僅含有非常小的諧波。然而，當(dāng)系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于負(fù)載中存在非線性負(fù)載，這些非線性負(fù)荷的電壓響應(yīng)在電流諧波的激勵下將會出現(xiàn)高度失真，通常為三次諧波，當(dāng)諧波超過正常范圍時(shí)，孤島效應(yīng)就被檢測出來了。但是，同上種方法一樣，這種方法的閾值也很難確定，錯誤的閾值選擇會使孤島效應(yīng)的檢測不夠準(zhǔn)確。

2.2主動式孤島效應(yīng)檢測

主動式孤島檢測方法主要分為主動移頻檢測方法，主動移相檢測方法，電壓正反饋式孤島效應(yīng)檢測方法。

主動移頻檢測法是通過不斷在輸出端加一個(gè)頻率擾動，這個(gè)擾動不能太大，否則會引起電能質(zhì)量的下降，當(dāng)大電網(wǎng)沒有斷電時(shí)，這個(gè)小的擾動會由大電網(wǎng)糾正過來，對負(fù)載的供應(yīng)的電能并沒有太大的影響，但是一旦電網(wǎng)斷電，頻率擾動就會迅速積累，能夠很快的超過閾值，孤島效應(yīng)就能被檢測出來。對于純阻性和感性負(fù)載，主動移頻檢測法是沒有檢測盲區(qū)的，但是對于容性負(fù)載，電壓將與電流同頻但滯后于電流一定相位角，對頻率施加的擾動會被負(fù)載相位角抵消了一部分。如果兩者正好相抵，則相鄰周期間電壓過零時(shí)間間隔不發(fā)生變化，頻率不會偏移，孤島檢測失敗。

主動移相式孤島檢測方法是一種高效的主動式孤島檢測方法，其原理是通過對輸出電能相位施加一個(gè)小擾動，在與大電網(wǎng)沒有斷電時(shí)，電網(wǎng)能強(qiáng)制的將這個(gè)擾動糾正過來，使耦合點(diǎn)的電壓不受擾動的影響，但是一旦與電網(wǎng)脫離，相位擾動就會迅速疊加，直至超過閾值范圍，孤島效應(yīng)就被檢測出來了。該類方法與移頻法一樣有實(shí)現(xiàn)簡單、孤島識別率高等優(yōu)點(diǎn)，也有類似的弱點(diǎn)，即隨著負(fù)載品質(zhì)因數(shù)增加，孤島檢測的能力降低。

電壓正反饋式孤島檢測技術(shù)的工作機(jī)理是動態(tài)地修改電流給定的幅值，一旦發(fā)現(xiàn)公共點(diǎn)電壓偏離閾值，就對電流給定的幅值作同向修改，使電壓的改變在原方向上進(jìn)一步增強(qiáng)，直到超出正常范圍而判斷孤島。電壓正反饋式檢測法通過檢測電流的波動給定一個(gè)反饋系數(shù)，反饋系數(shù)的大小與負(fù)載阻抗的大小相關(guān)，與阻抗的性質(zhì)無關(guān)，但是這種檢測方法卻只適用于小功率負(fù)載（及小容量逆變器），不能適用于大功率負(fù)載（及大功率逆變器）。

被動式孤島檢測方法通過被動地檢測電壓、電流等電量的異常變化來檢測孤島，是一種“環(huán)境友好型”孤島檢測方式，但有一定的檢測盲區(qū)；主動式孤島檢測方法通過人為添加擾動并監(jiān)測電壓、頻率等電量的變化來檢測孤島，檢測更準(zhǔn)確有效，但容易“污染”電網(wǎng)。

2.3展望

太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源，隨著人們利用太陽能的技術(shù)的發(fā)展和成熟，太陽能必將成為解決人類能源問題的重要方法之一。我們有理由相信，在不久的將來，隨著孤島效應(yīng)檢測技術(shù)的進(jìn)步，分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電必將有更為廣泛的應(yīng)用。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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