光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)孤島檢測的研究

朱亮亮

摘 要：伴隨國家能源政策的調(diào)整，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)和技術(shù)都有了長足發(fā)展，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)隨之出現(xiàn)。作為光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中最關(guān)鍵技術(shù)之一的孤島檢測技術(shù)，一直以來都是一個研究熱點，國內(nèi)外專家學(xué)者針對該技術(shù)的研究取得了非常不錯的成果。本文結(jié)合國內(nèi)外光伏發(fā)電系統(tǒng)實際情況，對現(xiàn)有孤島檢測技術(shù)進(jìn)行研究和比較，旨在給出一些應(yīng)對建議。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電 孤島檢測

Research on Islanding Detection of Photovoltaic Power Generation Grid-connected System

Zhu Liangliang

Abstract：With the adjustment of the national energy policy， the photovoltaic power generation industry and technology have made great progress， and photovoltaic power generation grid-connected systems have emerged. As one of the most critical technologies in photovoltaic power generation grid-connected systems， island detection technology has always been a research hotspot， and domestic and foreign experts and scholars have achieved very good results in the research of this technology. Based on the actual situation of photovoltaic power generation systems at home and abroad， this paper conducts research and comparison of existing islanding detection technologies， and aims to give some countermeasures.

Key words：photovoltaic power generation， island detection

光伏發(fā)電作為一種典型的可再生能源發(fā)電技術(shù)，依靠國家的大力支持和可靈活布置等優(yōu)勢，在近些年實現(xiàn)了飛速發(fā)展。在太陽能資源豐富的地區(qū)，供電系統(tǒng)中光伏發(fā)電所占比例已實現(xiàn)逐年遞增，根據(jù)研究顯示這一比例在未來還會持續(xù)增長。隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模并網(wǎng)，系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題也隨之而來。

孤島現(xiàn)象是由于光伏發(fā)電裝置等分布式電源大規(guī)模接入負(fù)荷側(cè)所帶來的電網(wǎng)運行問題，它是由于自然或人為原本因造成電網(wǎng)某一供電區(qū)域失去系統(tǒng)電源時，由該區(qū)域接入的分布式電源繼續(xù)向負(fù)荷供電，進(jìn)而形成一個獨立且不可控的自給式區(qū)域供電系統(tǒng)。孤島現(xiàn)象會對威脅到整個配電系統(tǒng)設(shè)備及用戶端的設(shè)備正常運行，包括危害設(shè)備檢修人員的生命安全，影響保護(hù)開關(guān)動作，破壞供電系統(tǒng)及用電設(shè)備等。如何快速、有效檢測出孤島效應(yīng)，是近年來分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要研究課題，本文將對現(xiàn)有孤島檢測技術(shù)進(jìn)行研究和比較，旨在給出一些應(yīng)對建議。

現(xiàn)階段，按照技術(shù)手段可以將孤島檢測的方法分為三種：被動檢測法、主動檢測法和現(xiàn)代遠(yuǎn)程監(jiān)控檢測法。

1 孤島效應(yīng)被動檢測法

當(dāng)系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)時，通常會發(fā)生一些參數(shù)的非正常改變。被動式孤島檢測法就是實時檢測公共連接點處的一些電信號的異常變化。共有四種方法：

1.1 過/欠頻率（OUF）和過/欠電壓（OUV）檢測法

在孤島現(xiàn)象發(fā)生時，如果光伏發(fā)電裝置的輸出功率與本地負(fù)載的功率需求不匹配時，系統(tǒng)中的頻率和電壓數(shù)值會產(chǎn)生偏離?？刂破鲗策B接點處的當(dāng)頻率和電壓信號實時采樣，發(fā)現(xiàn)異常后，切斷逆變器輸出。該方法優(yōu)點是僅利用控制器的采樣功能進(jìn)行孤島檢測而不需要增加額外的保護(hù)電路。該方法的缺點在于當(dāng)功率接近平衡或平衡時，頻率、電壓信號變化不明顯，檢測不夠準(zhǔn)確，這也是被動檢測的通病。

1.2 電壓相位突變檢測法（PJD）

正常運行時，逆變器的輸出電流和電網(wǎng)電壓同頻、同相，沒有相位偏移，但孤島現(xiàn)象發(fā)生時，公共連接點處電壓與逆變器輸出電流之間會產(chǎn)生瞬時的相位偏移，控制器發(fā)現(xiàn)偏移后切斷逆變器輸出，此方法理論上可行，但有偏移過小難以檢測、難以確定動作閾值、針對純阻性負(fù)載系統(tǒng)無效等明顯的問題。

1.3 諧波檢測法（HD）

電網(wǎng)斷電后，檢測公共連接點處電壓的諧波失真度，判斷失真度是否增大并超過了5%的閾值，就能知道是否存在孤島現(xiàn)象。該方法理論上可行。但實際運行過程中，不同類型負(fù)載導(dǎo)致的電壓諧波失真度差異巨大，該方法也難以確定動作閾值，很少單獨使用。

1.4 被動式檢測方法比較

綜上所述，三種檢測方法存在各自特點，在不同的場景，能各自發(fā)揮優(yōu)勢。在此對這三種方法進(jìn)行綜合性分析，下表1是對這三種被動式檢測方法的對比。

2 孤島效應(yīng)主動式檢測方法

主動式檢測方法，是指通過控制逆變器，使逆變器輸出功率、頻率或相位存在一定正常情況下無法被檢測的擾動。當(dāng)孤島現(xiàn)象發(fā)生后，失去電網(wǎng)平衡作用的擾動會累積變大，從而被檢測到。

主動檢測方法精度高，非檢測區(qū)小，且能夠自動檢測，但是技術(shù)要求高，還會降低逆變器輸出電能質(zhì)量。目前的主動檢測方法主要有以下幾種：

2.1 頻率偏移法

它是通過主動的頻率偏移嘗試干擾系統(tǒng)運行頻率，進(jìn)而判斷是否發(fā)生了孤島現(xiàn)象。頻率偏移法可分為以下幾種方法。

2.1.1 主動頻移法（ADF）

在檢測到逆變器輸出電流變化后，電網(wǎng)會自動發(fā)出零序電流分量來促使電網(wǎng)頻率進(jìn)行偏移。在孤島狀態(tài)下，頻率會發(fā)生明顯變化。利用這一方法進(jìn)行精準(zhǔn)檢測時，需要提高LC負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)，這樣才能避免檢測盲區(qū)，進(jìn)而提高檢測靈敏度。

2.1.2 滑動模式頻率偏移法（SMS）

它是利用在公共接入點位置施加正反饋，促使逆變器相位產(chǎn)生偏移。孤島現(xiàn)象時，公共連接點的電壓頻率發(fā)生改變，相位偏移增大，導(dǎo)致頻率變化進(jìn)一步增大，系統(tǒng)檢測到孤島現(xiàn)象。

2.1.3 Sandia頻移法（SFS）

這種方法是主動頻移法的改進(jìn)，基本原理是在公共連接點施加正反饋，這會帶來電壓頻率的偏移，進(jìn)而檢測到孤島現(xiàn)象。

2.1.4 結(jié)合脈動斬波因數(shù)的主動式頻移法（AFDPCF）

這種檢測方法的提出基于斬波因數(shù)，通過形成交替的脈沖，促使發(fā)生頻率偏移，進(jìn)而檢測到孤島現(xiàn)象。

2.1.5 GE頻移法（GEFS）

通過施加設(shè)計好的正反饋，增大無功功率，當(dāng)存在孤島現(xiàn)象時，無功功率進(jìn)一步變化，會導(dǎo)致頻率發(fā)生異常，進(jìn)而檢測到孤島現(xiàn)象。

2.1.6 無功功率變化（RPV）

通過加入諧波信號來擾動無功電流，利用擾動變量來調(diào)整電壓頻率，進(jìn)而檢測孤島現(xiàn)象。但無功電流變化困難，該辦法很難實現(xiàn)。

2.2 電壓漂移法

施加電壓正反饋，電網(wǎng)斷電時，公共連接點的電壓下降，會導(dǎo)致逆變器輸出電壓與輸出功率下降，孤島現(xiàn)象時，電壓值持續(xù)下降，系統(tǒng)檢測到孤島現(xiàn)象。

2.3 電網(wǎng)阻抗估算法

其基本原理就是通過擾動來觀察電網(wǎng)阻抗值，進(jìn)而判斷孤島問題。主要操作是注入和提取諧波電流與諧波電壓，操作相對簡單，但是必須保證在諧波發(fā)生裝置與電流控制器之間的信號不相互干擾。

2.4 現(xiàn)代遠(yuǎn)程監(jiān)控檢測法

利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)、電力線路載波通信等遠(yuǎn)程通訊手段，監(jiān)控公共連接點處開關(guān)的運行狀態(tài)，直接判斷是否發(fā)生孤島現(xiàn)象。配電開關(guān)動作時，信號發(fā)送裝置將開關(guān)狀態(tài)信號發(fā)送至光伏控制器內(nèi)的信號接收裝置，控制器根據(jù)公共連接點處開關(guān)的狀態(tài)控制逆變器的啟、停。遠(yuǎn)程監(jiān)控檢測雖大大提高了提高檢測的效率，但成本較高，是將來的發(fā)展方向。

2.5 主動式檢測法比較

在本文的研究過程中，對多種不同的主動式檢測法進(jìn)行了比對，具體如表2所示[1]。

3 孤島檢測方法的改進(jìn)和優(yōu)化

從以上對比分析中可以得出，各類孤島檢測方法擁有各自的優(yōu)勢，也存在明顯的不足之處。在此，我提出使用，這種檢測方法在主動頻率偏移法的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行頻率與耦合點的正反饋來檢測孤島現(xiàn)象，該方法基本原理是：在出現(xiàn)孤島現(xiàn)象時，耦合點處的電壓頻率會出現(xiàn)一定偏移，這種偏移能夠被迅速捕捉，進(jìn)而判斷是否產(chǎn)生孤島現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文的重點是進(jìn)行孤島檢測技術(shù)研究，在對常見的幾種孤島檢測方法進(jìn)行比對分析之后，提出了施加正反饋的主動頻率偏移法，經(jīng)過仿真試驗后，發(fā)現(xiàn)這種方法能夠較好的滿足孤島效應(yīng)檢測需要。

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