光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測技術

丁振江

摘 要： 在進行大規(guī)模的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)建設時，合理的運用孤島檢測技術是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)正常運行的重要保障。本文主要以進行并網(wǎng)發(fā)電后發(fā)生的孤島效對人們正常的生產(chǎn)生活造成的不良影響為例，闡述了孤島效應的發(fā)生原因，并使用無源檢測等多種檢測方法解決孤島效應，對每一種檢測方法的優(yōu)缺點，檢測盲區(qū)，檢測范圍進行論述，在不破壞光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)正常運行的基礎之上，能夠有效的避免檢測盲區(qū)，擴大檢測范圍，利用孤島檢測技術對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進行檢測。

關鍵詞： 光伏系統(tǒng)；并網(wǎng)發(fā)電；孤島檢測；盲區(qū)；并網(wǎng)逆變器

一、孤島效應及發(fā)生原因

隨著人類生活水平的日益提高，人們對各種資源的需求急劇增加，那么如何在正常的電力供給結構基礎之上提高供電量是電力發(fā)展的一個重要議題，全世界的目光集中在了可再生能能源的開發(fā)上，取之不盡用之不竭的太陽能成了炙手可熱的開發(fā)熱點，也由此產(chǎn)生了太陽能光伏發(fā)電技術，將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)并入到電網(wǎng)系統(tǒng)上，從而提高發(fā)電量和發(fā)電效率，在這種供電模式下，如何在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)并入電力系統(tǒng)后對電力系統(tǒng)進行保護，也由此產(chǎn)生了在電力供給系統(tǒng)行業(yè)的代名詞“孤島效應”[1]。

孤島效應產(chǎn)生的前提是，電力供給系統(tǒng)由于天氣條件的原因或者是一些電路故障等一些外部因素的客觀條件的影響，從而導致了電力供給系統(tǒng)向用戶中斷了電力供應，但并入到電力系統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)仍然運轉，向用戶持續(xù)供電，這樣就在電力中斷的這個區(qū)域形成了孤島，電力系統(tǒng)無法對這一用電區(qū)域進行控制，這一斷電區(qū)域長時間沒有在電力系統(tǒng)的控制范圍內(nèi)對電路的電壓和頻率進行調(diào)節(jié)，就會使斷電區(qū)域的電力系統(tǒng)處于孤島運行狀態(tài)，導致用戶的負載用電設備沒有在額定功率下工作，對用戶用電設備造成永久性的損壞，甚至會發(fā)生短路，產(chǎn)生電弧，對用戶或者是電力維修人員的人身安全造成了威脅。所以在電力系統(tǒng)發(fā)生產(chǎn)生孤島效應時，快速的對孤島進行檢測和維修，是現(xiàn)代電力系統(tǒng)安全運行的主要保障。

孤島檢測方法有兩種，一種是無源孤島檢測方法，另一種是有源孤島檢測方法，本文通過對現(xiàn)有的兩種孤島檢測方法進行比較分析后，并提出了一種新的孤島檢測方法，可以在電力系統(tǒng)發(fā)生故障之后，根據(jù)電力系統(tǒng)在斷電后實際運行的電壓電流等運行參數(shù)，快速的檢測出電力系統(tǒng)故障，且對并網(wǎng)后的光伏發(fā)電系統(tǒng)影響較小。另外，如果在單個電力系統(tǒng)運行的基礎之上，并入多個光伏電力系統(tǒng)，該方法仍然適用[2]。

二、無源檢測

（一）相位突跳檢測

進行無源檢測中相位突跳檢測的工作原理是在電力系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)進行并網(wǎng)后，兩者工作的單位功率因素相同，也就是說電力系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)后的電流電壓的頻率相同，相位相同。但如果電力系統(tǒng)因為外部客觀因素關閉后，光伏發(fā)電系統(tǒng)就會給負載設備單獨供電，也就出現(xiàn)了孤島效應，此時對負載設備進行供電的電力系統(tǒng)的電壓大小由流經(jīng)負載的電流和負載的阻抗決定。由于鎖相環(huán)的作用，對負載設備進行單獨供電的電力系統(tǒng)中的電流和電壓只會在過零點相同，在電力系統(tǒng)過零點時，實際的電流大小會由于原先的電力系統(tǒng)的電流而不發(fā)生變化，所以，對于阻抗較小的負載設備，在進行電力系統(tǒng)的并網(wǎng)后其電壓的相位并不會發(fā)生變化，所以根據(jù)這一原理可采用相位突跳法來檢測孤島現(xiàn)象。這種對并網(wǎng)后的電力系統(tǒng)進行相位突跳檢測的方法雖然方便快捷，但如果并網(wǎng)后的電力系統(tǒng)中的負載阻抗角趨于無窮小時，也就是說電力系統(tǒng)中的負載近似呈阻性時，閾值范圍會超出實際的測量范圍，相位突跳檢測方法檢測孤島效應也就不再適用。

（二）電壓諧波檢測

當電力系統(tǒng)中并入光伏發(fā)電系統(tǒng)時，并網(wǎng)電力系統(tǒng)的輸出電流諧波會在公共耦合點流入電網(wǎng)，由于電網(wǎng)的網(wǎng)絡阻抗很小，因此并網(wǎng)后電壓的總諧波畸變率通常較低，在電力系統(tǒng)從并網(wǎng)電力系統(tǒng)中斷開時，并網(wǎng)電力系統(tǒng)所有的電流諧波會流入負載，導致了分離后的電力系統(tǒng)中負載的阻抗增加，造成公共耦合點的電壓的諧波會呈指數(shù)倍增加，所以可以利用對并網(wǎng)后的電力系統(tǒng)的電壓諧波進行檢測，來判斷連接負載設備的電力系統(tǒng)是否發(fā)生了孤島效應。由于在并網(wǎng)后電力系統(tǒng)中非線性負載因素的原因，會造成電網(wǎng)中的諧波較大，在進行電壓諧波的閾值范圍檢測時，其閾值范圍不確定，所以，利用電壓諧波檢測孤島效應也就有了局限性[3]。

三、有源檢測

（一）主動頻率偏移

并網(wǎng)后電力系統(tǒng)中電流和電壓的的頻率和相位取決于PPL的公共點，通過改變并網(wǎng)電力系統(tǒng)中逆變器的電流頻率，使得逆變器公共點的電壓頻率增加，達到實際的閾值范圍后，再次調(diào)低逆變器公共點電壓頻率，從而確定在進行并網(wǎng)后發(fā)生孤島效應時電力系統(tǒng)的電壓頻率。如果在進行公共點電壓頻率的測試時，并網(wǎng)電力系統(tǒng)的電流出現(xiàn)了半波，電壓頻率也沒有過零點，這時應對并網(wǎng)后的電力系統(tǒng)中的電流進行調(diào)零，直到并網(wǎng)電力系統(tǒng)的電壓周期能夠到達零點，電流在整個的并網(wǎng)系統(tǒng)中呈現(xiàn)出半波趨勢，所以，并網(wǎng)后的電力系統(tǒng)在正常工作時，公共點耦合點的電壓會因電網(wǎng)鉗制作用不會發(fā)生變化，在電力系統(tǒng)關閉并脫離并網(wǎng)系統(tǒng)時，公共耦合點的電壓的大小會由電力系統(tǒng)中負載設備的阻抗決定，公共耦合點的頻率會因電力系統(tǒng)中電流頻率的改變而發(fā)生變化，其變化的閾值范圍最終會被過頻檢測器或欠頻檢測器監(jiān)測到，以此來判斷并網(wǎng)系統(tǒng)是否發(fā)生了孤島效應。

（二）輸出功率擾動

輸出功率擾動方法原理為控制光伏系統(tǒng)周期性地輸出有功功率或無功功率擾動，如果電力系統(tǒng)關閉并從并網(wǎng)電力系統(tǒng)中脫離出來，對電力系統(tǒng)的輸出功率進行擾動時，會使得電力系統(tǒng)中的電壓大小和頻率大小發(fā)改變，所以只需要對輸出功率擾動后的電力系統(tǒng)的電壓和頻率大小的閾值單位進行測量后，與并網(wǎng)時的電壓和頻率大小的閾值范圍進行對比，就可以判斷電力系統(tǒng)是否發(fā)生了孤島效應。對電力系統(tǒng)的輸出功率進行擾動的方法判斷孤島現(xiàn)象，要求多臺光伏系統(tǒng)同步進行，而光伏系統(tǒng)之間的同步需要通信才能實現(xiàn)，如果光伏系統(tǒng)之間的擾動發(fā)生誤差，就會導致測量的失敗。

（三）周期交替電流擾動

可以對并網(wǎng)系統(tǒng)的電流周期進行檢測，利用電流擾動設備對周期電流進行擾動可以監(jiān)測處電力系統(tǒng)是否發(fā)生孤島效應，對于前一個的電壓周期，在進行電流擾動時，正負半周的擾動電流對稱，而且被擾動的電力系統(tǒng)的電流頻率比電壓頻率要大。在利用周期交替電流擾動的方法檢測電力系統(tǒng)的孤島效應時，同樣需要注意的是電流擾動器要同步進行，并在電流的正負半周的尾部進行調(diào)零，一旦電力系統(tǒng)中電壓頻率出現(xiàn)增大的趨勢，電力系統(tǒng)中就發(fā)生了孤島效應。如果去掉正負半周的電流區(qū)間，電力系統(tǒng)的電壓頻率變小，也是電力系統(tǒng)產(chǎn)生孤島效應的判斷條件之一。

總結：本文分析了孤島狀態(tài)產(chǎn)生的原理及其帶來的負面效應，闡述了各種本地孤島檢測方法的工作原理，并就每種方法的 NDZ、適用范圍、對系統(tǒng)電能質(zhì)量

及暫態(tài)響應的影響等進行了論述。 如何在減少孤島檢測對系統(tǒng)影響的基礎上， 實現(xiàn)高效檢測并減小或消除 NDZ，將是今后研究的重點之一。

參考文獻

[1]MINZUNO T， NODA Y， KOIZUMI H， et al. The experimental results of an islanding detection method for Japanese AC modules [C]//3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion， Osaka， Japan， 2003： 2058-2061.

[2] IEEE std 929-2000 IEEE recommended practice for utility interface of Photovoltaic （PV） Systems[S].

[3] 禹華軍， 潘俊民. 并網(wǎng)發(fā)電逆變系統(tǒng)孤島檢測新方法的研究[J].