關于光伏逆變器孤島效應檢測方法的研究

彭宏 趙法起 郗忠梅 邵明汝

摘 要：隨著世界經濟發展，相伴而生的環境及能源問題也日漸突出，以清潔、環保的發電方式為優勢的太陽能光伏發電，越來越受到重視。太陽能電池板所發電能最終要并入電網，而孤島效應則成為光伏逆變器并網后面臨的一種特殊問題，因此需要進行孤島效應的檢測。檢測孤島效應的方法通?？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系的方法實現對孤島的檢測，并設計了仿真模型對檢測方法的有效性進行驗證。

關鍵詞：孤島效應；孤島檢測；仿真；

引言

當前，世界能源資源日趨緊張，環境污染問題日益加劇，特別是我國也面臨著嚴重的電能緊缺問題。太陽能光伏發電作為一種理想、環保的發電方式，有著巨大的優勢，其發展前景也非常廣闊。太陽能發電所產生直流電能經過光伏逆變器逆變之后并入電網，在此過程中便產生了一些新問題，其中最為嚴重的問題就是孤島效應。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采取保護。本文對孤島效應進行了相關介紹，提出一種分析頻率與無功功率關系的孤島效應的檢測方法，并且通過仿真驗證了該孤島檢測方法的有效性。

1 孤島效應概述

1.1 孤島效應

孤島效應指在中斷電網供電時，光伏并網系統沒能夠及時地檢測到電網的斷電狀況并且從電網脫離，使得光伏發電系統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 孤島效應原理

光伏發電并網在系統正常工作，即閉合斷路器時，光伏發電系統同電網同時給負載供電；當電網由于電氣故障或誤操作等原因停電，即斷路器斷開時，電網的斷電情況未能被光伏并網系統及時檢測到而使其繼續向負載供電，光伏并網系統與負載便形成了孤島，自給供電。

2 孤島效應的檢測方法

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，指光伏發電系統并網且運行正常，其輸出的電流I同電網的電壓U同相同頻，也就是說功率因數是1。在電網斷開以后，便產生孤島現象，即光伏發電系統獨自供電給負載。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的作用下被系統內部鎖定，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生。

2.1.2 電壓諧波檢測

電壓諧波檢測，此檢測方法是依據光伏并網系統脫離電網時，由于電網的負載阻抗相較于電網網絡阻抗大的多，電流流入負載時在a點處會產生很大的諧波，當發現a點電壓的諧波含量驟增時，孤島現象產生。但由于存在非線性負載等因素，電網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生。但當產生孤島現象時，如果負載的功率與光伏發電系統輸出的功率相吻合，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，此時保護電路便無法檢測到孤島的產生。

當發生孤島現象時，如果電源或負載發生變化，功率、頻率等都會較為敏感，使得系統變得極不穩定，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，此檢測方法是由監測到的 變化來推斷孤島效應發生與否。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量，說明該方法具有快速性、正確性和有效性的優點。

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逆變器的輸出端施加頻率、電流或者相位干擾信號，同時監測這些干擾信號對線路電壓造成的影響。當系統處于孤島運行時，干擾信號所產生的擾動會體現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生。本文重點分析輸出功率擾動法，當孤島發生后，能迅速檢測出孤島，退出運行。并網逆變器的輸出功率擾動檢測，是控制光伏并網部分周期性地輸出有功和無功功率擾動。當并網逆變器處于孤島運行時，該擾動會導致系統的頻率或電壓發生明顯的變化，并超出預先設置的閾值，而能夠檢測到孤島的產生。

3 結語

綜上所述，檢測孤島效應的方法通常可分成兩類：被動式（無源）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缺點，并且將無功功率與頻率關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，基于傳統主動式和被動式方法復合而成的復合檢測法及對傳統AFD檢測法的改進方法占了一定的分量，同時也出現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，特別是仍存在死區及影響電能質量的問題或者并不適用于分布式電源系統，這些問題也將作下一步的研究方向。

參考文獻

[1] 王兆安.電力電子技術[M].機械工業出版社，2009（10）：6-8.

[2] 喬于軒，張代潤.光伏并網系統的孤島效應檢測技術[J].電源技術應用，2010（11）：23-26.

[3] IEEE Std.1547-2003，IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power

Systems.

[4] IEEE Std.1547.1-2005，Standard for Conformance Test Procedures for Equipment Interconnecting

Distributed Resources with Electric Systems.

[5] 許頗，張崇巍，張興.三相并網逆變器控制機器反孤島效應[J].合肥工業大學學報，2006，9：1139-1143.