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防孤島效應(yīng)是光伏系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)

1. 孤島效應(yīng)概述

孤島現(xiàn)象是指：當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障或自然因素等原因中斷供電時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍然向周圍的負(fù)載供電，從而形成一個(gè)電力公司無(wú)法控制的自給供電孤島。

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)工作時(shí)，電網(wǎng)會(huì)因?yàn)楣收显O(shè)備檢修或操作失誤等原因停止工作，也就是說(shuō)孤島效應(yīng)是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中普遍存在的一個(gè)問(wèn)題，因此準(zhǔn)確及時(shí)地檢測(cè)出孤島效應(yīng)，是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。

當(dāng)孤島效應(yīng)發(fā)生時(shí)，將造成以下危害：

①電網(wǎng)無(wú)法控制孤島中的電壓和頻率，如果電壓和頻率超出允許的范圍，可能會(huì)對(duì)用戶的設(shè)備造成損壞；

②如果負(fù)載容量大于逆變電源容量逆變，電源過(guò)載運(yùn)行，容易被燒毀；

③與逆變電源相連的線路仍然帶電，對(duì)檢修人員造成危害，降低電網(wǎng)的安全性；

④對(duì)孤島進(jìn)行重合閘會(huì)導(dǎo)致該線路再次跳閘，還有可能損壞逆變電源和其他設(shè)備。


2. 孤島效應(yīng)的檢測(cè)方法

孤島現(xiàn)象的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全和正常運(yùn)行，從用電安全與電能質(zhì)量考慮，孤島效應(yīng)是不允許出現(xiàn)的，當(dāng)孤島發(fā)生時(shí)必須快速、準(zhǔn)確地切出并網(wǎng)逆變器，因此對(duì)于孤島效應(yīng)應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)及控制。

孤島效應(yīng)檢測(cè)方法主要分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種：

被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法，通過(guò)檢測(cè)逆變器的輸出是否偏離并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍，如電壓、頻率或相位，判斷孤島效應(yīng)是否發(fā)生。該方法工作原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但在逆變器輸出功率與局部負(fù)載功率平衡時(shí)，無(wú)法檢測(cè)出孤島效應(yīng)的發(fā)生。

主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法是指通過(guò)控制逆變器使其輸出功率頻率和相位存在一定的擾動(dòng)。電網(wǎng)正常工作時(shí)，由于電網(wǎng)的平衡作用，這些擾動(dòng)檢測(cè)不到。一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障逆變器輸出的擾動(dòng)將快速累積并超出并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍，從而觸發(fā)孤島效應(yīng)的保護(hù)電路。該方法檢測(cè)精度高，檢測(cè)盲區(qū)小，但是控制較復(fù)雜，且降低了逆變器輸出電能的質(zhì)量。


（1）被動(dòng)方法

被動(dòng)式孤島效應(yīng)檢測(cè)方法的工作原理是指根據(jù)電網(wǎng)斷電時(shí)逆變器輸出電壓、頻率的改變，判斷出是否發(fā)生孤島效應(yīng)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，除逆變器的輸出電壓、輸出頻率外，其輸出電壓的相位諧波均會(huì)發(fā)生變化。

因此被動(dòng)式孤島效應(yīng)檢測(cè)方法可以對(duì)逆變器上述輸出的變化進(jìn)行檢測(cè)以判斷電網(wǎng)是否發(fā)生故障，但若光伏系統(tǒng)輸出功率與局部負(fù)載功率平衡，則被動(dòng)式檢測(cè)方法將失去檢測(cè)能力。

①電壓、頻率檢測(cè)

電壓、頻率檢測(cè)法是在公共耦合點(diǎn)的電壓幅值和頻率超過(guò)正常范圍時(shí)，停止逆變器并網(wǎng)運(yùn)行的一種檢測(cè)方法。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，除了要防止孤島效應(yīng)的發(fā)生，還要保證逆變器輸出電壓與電網(wǎng)同步。因此對(duì)電網(wǎng)電壓幅值頻率要不斷進(jìn)行檢測(cè)，以防止出現(xiàn)過(guò)壓或欠壓，過(guò)頻或欠頻等故障。

所以對(duì)電壓、頻率進(jìn)行檢測(cè)的被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法，只需利用已有的檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行判斷，無(wú)需增加檢測(cè)電路。該方法最大的缺點(diǎn)在于逆變器輸出功率與負(fù)載功率平衡時(shí)，電網(wǎng)斷電后逆變器輸出端電壓和頻率均保持不變，從而出現(xiàn)孤島檢測(cè)的漏判。

②相位檢測(cè)

逆變器輸出電壓相位檢測(cè)方法原理與電壓、頻率檢測(cè)方法相似。電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器所帶的負(fù)載阻抗會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致電網(wǎng)故障后逆變器輸出電壓和輸出電流相位發(fā)生變化，系統(tǒng)根據(jù)相位的變化情況即可判斷電網(wǎng)是否出現(xiàn)故障。

由于電網(wǎng)中感性負(fù)載較普遍，因此該方法在孤島效應(yīng)檢測(cè)中的效果優(yōu)于電壓、頻率檢測(cè)方法。但是當(dāng)負(fù)載為阻性負(fù)載或電網(wǎng)斷電后，負(fù)載阻抗特性保持不變時(shí)，該方法就失去了孤島檢測(cè)能力。

③諧波檢測(cè)

諧波檢測(cè)方法是指電網(wǎng)出現(xiàn)故障停止工作時(shí)，由于失去了電網(wǎng)的平衡作用，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電流在經(jīng)過(guò)變壓器等非線性設(shè)備時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。根據(jù)諧波的變化情況便可以判斷電網(wǎng)是否處于故障狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)際應(yīng)用表明：該方法具有良好的檢測(cè)效果，但是由于目前電網(wǎng)中存在大量的非線性設(shè)備諧波變化復(fù)雜，因此很難確定一個(gè)統(tǒng)一的用于孤島效應(yīng)檢測(cè)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。

上述三種方法是目前較為常用的被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法，在實(shí)際光伏系統(tǒng)中均有一定的應(yīng)用，但是由于被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法對(duì)于逆變器輸出功率與負(fù)載功率是否匹配有較高的要求，因此存在較大的檢測(cè)盲區(qū)。


（2）主動(dòng)方法

孤島效應(yīng)主動(dòng)檢測(cè)法是指在逆變器運(yùn)行過(guò)程中，控制使其輸出存在周期性擾動(dòng)。電網(wǎng)正常時(shí)，因電網(wǎng)的平衡作用，逆變器的輸出仍和電網(wǎng)保持一致，擾動(dòng)量不起作用；電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，這些擾動(dòng)量逐步累計(jì)直至超過(guò)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍，從而檢測(cè)出電網(wǎng)發(fā)生故障。

目前主動(dòng)檢測(cè)方法主要有三種：逆變器輸出功率擾動(dòng)法、逆變器輸出電壓和頻率擾動(dòng)法、滑模頻率偏移檢測(cè)法。

①輸出功率擾動(dòng)法

輸出功率擾動(dòng)法是通過(guò)對(duì)逆變器輸出功率的控制，使光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率發(fā)生周期性變化。當(dāng)孤島效應(yīng)發(fā)生時(shí)，逆變器輸出端電壓由于功率擾動(dòng)出現(xiàn)電壓變化，從而反映出孤島效應(yīng)發(fā)生與否。

實(shí)際應(yīng)用中，為盡量減少該方法對(duì)逆變器輸出功率的影響。通常在N個(gè)工作周期中控制逆變器，使其在一個(gè)或半個(gè)周波區(qū)間輸出功率低于正常值或?yàn)榱恪?br />
隨著光伏發(fā)電的發(fā)展，局部電網(wǎng)中光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)目會(huì)越來(lái)越多，在這種情況下，孤島效應(yīng)發(fā)生時(shí)，功率擾動(dòng)對(duì)逆變器輸出電壓的影響會(huì)變?nèi)?，進(jìn)而影響檢測(cè)結(jié)果。另外，如果電網(wǎng)內(nèi)存在較大的非線性負(fù)載，當(dāng)電網(wǎng)停止工作時(shí)，非線性負(fù)載會(huì)向負(fù)載供電，這樣便減弱了功率擾動(dòng)法對(duì)孤島效應(yīng)的檢測(cè)效果。

②輸出頻率擾動(dòng)法

與輸出功率擾動(dòng)法相比，對(duì)逆變器電壓的輸出頻率進(jìn)行擾動(dòng)是一種更為有效的孤島效應(yīng)檢測(cè)方法。有源頻率偏移法（Active Frequency Drift，AFD）是目前一種常見(jiàn)的輸出頻率擾動(dòng)孤島效應(yīng)檢測(cè)方法。

有源頻率偏移法的工作原理：通過(guò)偏移耦合點(diǎn)處電網(wǎng)電壓采樣信號(hào)的頻率，造成對(duì)負(fù)載端電壓頻率的擾動(dòng)。如果正常情況下，鎖相環(huán)的作用是控制頻率誤差在較小范圍內(nèi)，而當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，鎖相環(huán)失效，逆變器頻率發(fā)生變化，而擾動(dòng)加入使誤差增加，積累到一定范圍，就會(huì)有被動(dòng)法檢測(cè)出來(lái)。

主動(dòng)頻率偏移法，因?yàn)閿_動(dòng)方向固定，可能會(huì)因?yàn)樨?fù)載的性質(zhì)而對(duì)該方法有抵消的影響。例如，容性負(fù)載較阻性低，而感性負(fù)載較阻性高，故若擾動(dòng)方向剛好與負(fù)載阻抗特性相抵消，則可能會(huì)讓擾動(dòng)無(wú)法積累。

為了防止這種情況發(fā)生，采用正反饋的有源頻率漂移法。通過(guò)比較前后兩次頻率的變化來(lái)動(dòng)態(tài)地確定擾動(dòng)的方向，如果頻率是不斷增加的則給正的，如果頻率是不斷減小的方向給負(fù)的。

③滑模頻率偏移檢測(cè)法

滑模頻率偏移檢測(cè)法（Slip-Mode Frequency Shift，SMS）是一種主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法。它控制逆變器的輸出電流，使其與公共點(diǎn)電壓間存在一定的相位差，以期在電網(wǎng)失壓后，公共點(diǎn)的頻率偏離正常范圍，而判別孤島。

正常情況下逆變器相角響應(yīng)曲線設(shè)計(jì)在系統(tǒng)頻率附近范圍內(nèi)，單位功率因素時(shí)逆變器相角RLC（電阻、電感、電容組合電路的簡(jiǎn)稱）負(fù)載增加得快。當(dāng)逆變器與配電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，配電網(wǎng)通過(guò)提供固定的參考相角和頻率，使逆變器工作點(diǎn)穩(wěn)定在工頻。

當(dāng)孤島形成后，如果逆變器輸出電壓頻率有微小波動(dòng)，逆變器相位響應(yīng)曲線會(huì)使相位誤差增加，到達(dá)一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)點(diǎn)。新?tīng)顟B(tài)點(diǎn)的頻率必會(huì)超出頻率繼電器的動(dòng)作閾值，逆變器因頻率誤差而關(guān)閉。

此檢測(cè)方法實(shí)際是通過(guò)移相達(dá)到移頻，與主動(dòng)頻率偏移法AFD一樣有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、無(wú)需額外硬件、孤島檢測(cè)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，也有類似的弱點(diǎn)，即隨著負(fù)載品質(zhì)因素增加，孤島檢測(cè)失敗的可能性變大。

綜上所述，主動(dòng)檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)盲區(qū)小、檢測(cè)速度快。但缺點(diǎn)也一樣明顯，就是對(duì)電能質(zhì)量有一定的影響。

（3）其他方法

孤島效應(yīng)檢測(cè)除了上述普遍采用的被動(dòng)法和主動(dòng)法，還有一些逆變器外部的檢測(cè)方法。如“網(wǎng)側(cè)阻抗插值法”，該方法是指電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)在電網(wǎng)負(fù)載側(cè)自動(dòng)插入一個(gè)大的阻抗，使得網(wǎng)側(cè)的阻抗突然發(fā)生顯著變化，從而破壞系統(tǒng)功率平衡，造成電壓、頻率及相位的變化。還有運(yùn)用電網(wǎng)系統(tǒng)的故障信號(hào)進(jìn)行控制。一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，電網(wǎng)側(cè)自身的監(jiān)控系統(tǒng)就向光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)，以便能夠及時(shí)切斷分布式能源系統(tǒng)與電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行。 

原標(biāo)題：光伏電站中的孤島效應(yīng)