關(guān)于光伏逆變器孤島效應(yīng)檢測方法的研究

彭宏 趙法起 郗忠梅 邵明汝

摘 要：隨著世界經(jīng)濟發(fā)展，相伴而生的環(huán)境及能源問題也日漸突出，以清潔、環(huán)保的發(fā)電方式為優(yōu)勢的太陽能光伏發(fā)電，越來越受到重視。太陽能電池板所發(fā)電能最終要并入電網(wǎng)，而孤島效應(yīng)則成為光伏逆變器并網(wǎng)后面臨的一種特殊問題，因此需要進行孤島效應(yīng)的檢測。檢測孤島效應(yīng)的方法通?？煞譃閮深悾罕粍邮剑o源）、主動式（有源）。針對目前對孤島進行檢測的方法仍存在的缺陷，本研究提出一種通過分析無功功率關(guān)系的方法實現(xiàn)對孤島的檢測，并設(shè)計了仿真模型對檢測方法的有效性進行驗證。

關(guān)鍵詞：孤島效應(yīng)；孤島檢測；仿真；

引言

當(dāng)前，世界能源資源日趨緊張，環(huán)境污染問題日益加劇，特別是我國也面臨著嚴(yán)重的電能緊缺問題。太陽能光伏發(fā)電作為一種理想、環(huán)保的發(fā)電方式，有著巨大的優(yōu)勢，其發(fā)展前景也非常廣闊。太陽能發(fā)電所產(chǎn)生直流電能經(jīng)過光伏逆變器逆變之后并入電網(wǎng)，在此過程中便產(chǎn)生了一些新問題，其中最為嚴(yán)重的問題就是孤島效應(yīng)。因此，在該過程中需采取的保護措施除針對電壓、電流和頻率檢測的保護之外，還必須針對孤島效應(yīng)采取保護。本文對孤島效應(yīng)進行了相關(guān)介紹，提出一種分析頻率與無功功率關(guān)系的孤島效應(yīng)的檢測方法，并且通過仿真驗證了該孤島檢測方法的有效性。

1 孤島效應(yīng)概述

1.1 孤島效應(yīng)

孤島效應(yīng)指在中斷電網(wǎng)供電時，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)沒能夠及時地檢測到電網(wǎng)的斷電狀況并且從電網(wǎng)脫離，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)同其周圍的用電負載形成一個電力公司難于掌握的孤島。

1.2 孤島效應(yīng)原理

光伏發(fā)電并網(wǎng)在系統(tǒng)正常工作，即閉合斷路器時，光伏發(fā)電系統(tǒng)同電網(wǎng)同時給負載供電；當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障或誤操作等原因停電，即斷路器斷開時，電網(wǎng)的斷電情況未能被光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及時檢測到而使其繼續(xù)向負載供電，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與負載便形成了孤島，自給供電。

2 孤島效應(yīng)的檢測方法

對孤島進行檢測的方法通?？煞殖蓛深悾罕粍邮剑o源）檢測法和主動式（有源）檢測法。

2.1 被動式（無源）檢測法

通常被動式（無源）檢測方法有過/欠電壓檢測、高/低頻檢測、對相位突變和電壓諧波進行檢測等方法。

2.1.1 相位突變檢測

相位突變檢測，指光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)且運行正常，其輸出的電流I同電網(wǎng)的電壓U同相同頻，也就是說功率因數(shù)是1。在電網(wǎng)斷開以后，便產(chǎn)生孤島現(xiàn)象，即光伏發(fā)電系統(tǒng)獨自供電給負載。這時，a點的電壓Ua取決于負載阻抗Z和輸出電流I。電流的頻率和相位在鎖相環(huán)的作用下被系統(tǒng)內(nèi)部鎖定，使得電流在過零處與電壓同步。在過零點以外，電流超前或者落后于電壓，使電壓相位突變。因此可利用相位突變檢測的方法來判斷孤島是否產(chǎn)生。

2.1.2 電壓諧波檢測

電壓諧波檢測，此檢測方法是依據(jù)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)脫離電網(wǎng)時，由于電網(wǎng)的負載阻抗相較于電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)阻抗大的多，電流流入負載時在a點處會產(chǎn)生很大的諧波，當(dāng)發(fā)現(xiàn)a點電壓的諧波含量驟增時，孤島現(xiàn)象產(chǎn)生。但由于存在非線性負載等因素，電網(wǎng)電壓具有很大的諧波含量，檢測諧波含量的閾值也很難確定，因此，這種方法有較大的局限性。

2.1.3 以 為檢測指標(biāo)的被動式孤島檢測方法

以上三種被動式孤島檢測方法都是通過檢測電量的變化來檢測孤島的發(fā)生。但當(dāng)產(chǎn)生孤島現(xiàn)象時，如果負載的功率與光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的功率相吻合，逆變器輸出的頻率或電壓的變化會很小，并保持在正常范圍以內(nèi)，此時保護電路便無法檢測到孤島的產(chǎn)生。

當(dāng)發(fā)生孤島現(xiàn)象時，如果電源或負載發(fā)生變化，功率、頻率等都會較為敏感，使得系統(tǒng)變得極不穩(wěn)定，同時它的變化率也會增大，因此提出了一種檢測孤島的新方法，此檢測方法是由監(jiān)測到的 變化來推斷孤島效應(yīng)發(fā)生與否。即便是在頻率或電壓變化很小的情況下，該檢測法也能夠準(zhǔn)確迅速地檢測出孤島。檢測時間小于2s，并且不會影響電能質(zhì)量，說明該方法具有快速性、正確性和有效性的優(yōu)點。

2.2 常見的主動式（有源）檢測法

常見的主動式檢測方法主要有滑模頻率偏移（Slip Mode Frequency Shift， SMS） 、有源頻率偏移（Active Frequency Drift，AFD）、電流干擾法、輸出功率擾動方法。主動式檢測方法采用在并網(wǎng)逆變器的輸出端施加頻率、電流或者相位干擾信號，同時監(jiān)測這些干擾信號對線路電壓造成的影響。當(dāng)系統(tǒng)處于孤島運行時，干擾信號所產(chǎn)生的擾動會體現(xiàn)并累積到線路的電壓上，因此可以通過檢測電壓的變化而檢測到孤島的產(chǎn)生。本文重點分析輸出功率擾動法，當(dāng)孤島發(fā)生后，能迅速檢測出孤島，退出運行。并網(wǎng)逆變器的輸出功率擾動檢測，是控制光伏并網(wǎng)部分周期性地輸出有功和無功功率擾動。當(dāng)并網(wǎng)逆變器處于孤島運行時，該擾動會導(dǎo)致系統(tǒng)的頻率或電壓發(fā)生明顯的變化，并超出預(yù)先設(shè)置的閾值，而能夠檢測到孤島的產(chǎn)生。

3 結(jié)語

綜上所述，檢測孤島效應(yīng)的方法通?？煞殖蓛深悾罕粍邮剑o源）檢測法和主動式（有源）檢測法。本文介紹了部分孤島檢測法，簡要論述了這些方法優(yōu)缺點，并且將無功功率與頻率關(guān)系的檢測方法進行了仿真，證明該方法是有效的，可行的。在近幾年的孤島檢測研究中，基于傳統(tǒng)主動式和被動式方法復(fù)合而成的復(fù)合檢測法及對傳統(tǒng)AFD檢測法的改進方法占了一定的分量，同時也出現(xiàn)了一些將新穎的智能檢測方法運用于孤島檢測的探索，但各種方法都仍有一定的缺陷，特別是仍存在死區(qū)及影響電能質(zhì)量的問題或者并不適用于分布式電源系統(tǒng)，這些問題也將作下一步的研究方向。

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