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防孤島效應是光伏系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)

1. 孤島效應概述

孤島現(xiàn)象是指：當電網(wǎng)由于電氣故障或自然因素等原因中斷供電時，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍然向周圍的負載供電，從而形成一個電力公司無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，電網(wǎng)會因為故障設備檢修或操作失誤等原因停止工作，也就是說孤島效應是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中普遍存在的一個問題，因此準確及時地檢測出孤島效應，是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設計中的一個關鍵性問題。

當孤島效應發(fā)生時，將造成以下危害：

①電網(wǎng)無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，可能會對用戶的設備造成損壞；

②如果負載容量大于逆變電源容量逆變，電源過載運行，容易被燒毀；

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

④對孤島進行重合閘會導致該線路再次跳閘，還有可能損壞逆變電源和其他設備。


2. 孤島效應的檢測方法

孤島現(xiàn)象的出現(xiàn)，嚴重影響電力系統(tǒng)的安全和正常運行，從用電安全與電能質量考慮，孤島效應是不允許出現(xiàn)的，當孤島發(fā)生時必須快速、準確地切出并網(wǎng)逆變器，因此對于孤島效應應進行檢測及控制。

孤島效應檢測方法主要分為被動式和主動式兩種：

被動式孤島檢測方法，通過檢測逆變器的輸出是否偏離并網(wǎng)標準規(guī)定的范圍，如電壓、頻率或相位，判斷孤島效應是否發(fā)生。該方法工作原理簡單，容易實現(xiàn)，但在逆變器輸出功率與局部負載功率平衡時，無法檢測出孤島效應的發(fā)生。

主動式孤島檢測方法是指通過控制逆變器使其輸出功率頻率和相位存在一定的擾動。電網(wǎng)正常工作時，由于電網(wǎng)的平衡作用，這些擾動檢測不到。一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障逆變器輸出的擾動將快速累積并超出并網(wǎng)標準允許的范圍，從而觸發(fā)孤島效應的保護電路。該方法檢測精度高，檢測盲區(qū)小，但是控制較復雜，且降低了逆變器輸出電能的質量。


（1）被動方法

被動式孤島效應檢測方法的工作原理是指根據(jù)電網(wǎng)斷電時逆變器輸出電壓、頻率的改變，判斷出是否發(fā)生孤島效應。當電網(wǎng)發(fā)生故障時，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發(fā)生變化。

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

①電壓、頻率檢測

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

所以對電壓、頻率進行檢測的被動式孤島檢測方法，只需利用已有的檢測參數(shù)進行判斷，無需增加檢測電路。該方法最大的缺點在于逆變器輸出功率與負載功率平衡時，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)孤島檢測的漏判。

②相位檢測

逆變器輸出電壓相位檢測方法原理與電壓、頻率檢測方法相似。電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器所帶的負載阻抗會發(fā)生變化，導致電網(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)中感性負載較普遍，因此該方法在孤島效應檢測中的效果優(yōu)于電壓、頻率檢測方法。但是當負載為阻性負載或電網(wǎng)斷電后，負載阻抗特性保持不變時，該方法就失去了孤島檢測能力。

③諧波檢測

諧波檢測方法是指電網(wǎng)出現(xiàn)故障停止工作時，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)過變壓器等非線性設備時，將會產(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)。

實驗研究及實際應用表明：該方法具有良好的檢測效果，但是由于目前電網(wǎng)中存在大量的非線性設備諧波變化復雜，因此很難確定一個統(tǒng)一的用于孤島效應檢測的諧波標準。

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


（2）主動方法

孤島效應主動檢測法是指在逆變器運行過程中，控制使其輸出存在周期性擾動。電網(wǎng)正常時，因電網(wǎng)的平衡作用，逆變器的輸出仍和電網(wǎng)保持一致，擾動量不起作用；電網(wǎng)發(fā)生故障時，這些擾動量逐步累計直至超過并網(wǎng)標準規(guī)定的范圍，從而檢測出電網(wǎng)發(fā)生故障。

目前主動檢測方法主要有三種：逆變器輸出功率擾動法、逆變器輸出電壓和頻率擾動法、滑模頻率偏移檢測法。

①輸出功率擾動法

輸出功率擾動法是通過對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。當孤島效應發(fā)生時，逆變器輸出端電壓由于功率擾動出現(xiàn)電壓變化，從而反映出孤島效應發(fā)生與否。

實際應用中，為盡量減少該方法對逆變器輸出功率的影響。通常在N個工作周期中控制逆變器，使其在一個或半個周波區(qū)間輸出功率低于正常值或為零。

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)目會越來越多，在這種情況下，孤島效應發(fā)生時，功率擾動對逆變器輸出電壓的影響會變弱，進而影響檢測結果。另外，如果電網(wǎng)內存在較大的非線性負載，當電網(wǎng)停止工作時，非線性負載會向負載供電，這樣便減弱了功率擾動法對孤島效應的檢測效果。

②輸出頻率擾動法

與輸出功率擾動法相比，對逆變器電壓的輸出頻率進行擾動是一種更為有效的孤島效應檢測方法。有源頻率偏移法（Active Frequency Drift，AFD）是目前一種常見的輸出頻率擾動孤島效應檢測方法。

有源頻率偏移法的工作原理：通過偏移耦合點處電網(wǎng)電壓采樣信號的頻率，造成對負載端電壓頻率的擾動。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，而當電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，鎖相環(huán)失效，逆變器頻率發(fā)生變化，而擾動加入使誤差增加，積累到一定范圍，就會有被動法檢測出來。

主動頻率偏移法，因為擾動方向固定，可能會因為負載的性質而對該方法有抵消的影響。例如，容性負載較阻性低，而感性負載較阻性高，故若擾動方向剛好與負載阻抗特性相抵消，則可能會讓擾動無法積累。

為了防止這種情況發(fā)生，采用正反饋的有源頻率漂移法。通過比較前后兩次頻率的變化來動態(tài)地確定擾動的方向，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的。

③滑模頻率偏移檢測法

滑模頻率偏移檢測法（Slip-Mode Frequency Shift，SMS）是一種主動式孤島檢測方法。它控制逆變器的輸出電流，使其與公共點電壓間存在一定的相位差，以期在電網(wǎng)失壓后，公共點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曲線設計在系統(tǒng)頻率附近范圍內，單位功率因素時逆變器相角RLC（電阻、電感、電容組合電路的簡稱）負載增加得快。當逆變器與配電網(wǎng)并聯(lián)運行時，配電網(wǎng)通過提供固定的參考相角和頻率，使逆變器工作點穩(wěn)定在工頻。

當孤島形成后，如果逆變器輸出電壓頻率有微小波動，逆變器相位響應曲線會使相位誤差增加，到達一個新的穩(wěn)定狀態(tài)點。新狀態(tài)點的頻率必會超出頻率繼電器的動作閾值，逆變器因頻率誤差而關閉。

此檢測方法實際是通過移相達到移頻，與主動頻率偏移法AFD一樣有實現(xiàn)簡單、無需額外硬件、孤島檢測可靠性高等優(yōu)點，也有類似的弱點，即隨著負載品質因素增加，孤島檢測失敗的可能性變大。

綜上所述，主動檢測法的優(yōu)點是檢測盲區(qū)小、檢測速度快。但缺點也一樣明顯，就是對電能質量有一定的影響。

（3）其他方法

孤島效應檢測除了上述普遍采用的被動法和主動法，還有一些逆變器外部的檢測方法。如“網(wǎng)側阻抗插值法”，該方法是指電網(wǎng)出現(xiàn)故障時在電網(wǎng)負載側自動插入一個大的阻抗，使得網(wǎng)側的阻抗突然發(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。還有運用電網(wǎng)系統(tǒng)的故障信號進行控制。一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，電網(wǎng)側自身的監(jiān)控系統(tǒng)就向光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出控制信號，以便能夠及時切斷分布式能源系統(tǒng)與電網(wǎng)的并聯(lián)運行。 

原標題：光伏電站中的孤島效應