光伏發電系統防孤島檢測方法分析

趙佳鍇 朱健雍 楊松 張良利 沈道軍

摘 要：本文主要從光伏系統角度出發，闡述了光伏的兩大類型：離網型光伏發電系統和并網型光伏發電系統以及他們各自的特點。最后對光伏的安全性進行討論，著重考慮了電路中的孤島效應，分析不同檢測方法的優缺點及可靠性。

關鍵詞：光伏系統；離網并網型光伏發電系統；防孤島檢測

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

Abstract：In this paper， from the perspective of photovoltaic system， two types of photovoltaic： off-grid photovoltaic system and grid-connected photovoltaic system and their respective characteristics are described. Finally， the security of photovoltaic is discussed， and the islanding effect in the circuit is considered. The advantages and disadvantages of different detection methods and their reliability are analyzed.

Keywords：Photovoltaic system；Off grid grid connected photovoltaic power generation system；Anti islanding detection

0 引言

隨著社會經濟水平的快速提升，傳統化石能源逐漸枯竭，綠色可再生能源的開發及利用逐漸引起人們的重視。太陽能是指太陽的熱輻射能，作為最豐富的綠色可再生能源之一，對它進行開發利用是極其重要的，光伏發電應運而生。隨著技術的進一步成熟，光伏變得越來越常見，其安全性能的可靠性也開始引起了人們的重視。在并網光伏系統中，最重大的隱患之一就是孤島效應，本文著重介紹了防孤島效應的檢測方法，并對其優缺點進行分析。

1 光伏系統

1.1 并網型光伏發電系統

并網光伏發電系統與公共電網相連接，其結構如圖1所示，整個系統由光伏組件陣列、逆變器、匯流箱、變壓器等組成。這種發電方式比較靈活，當白天日照較強時，光伏發電系統不僅可以提供電能，多余的電能還能通過上網的方式賣給電網，增加收入；而當日照不足時，光伏發電系統可以提供部分電能，不夠的部分再從電網索取。并網光伏系統又分為工商業光伏發電以及戶用光伏發電，相對而言，工商業光伏發電更為適合，其屋頂面積大，發電量大，且工商業電費較為昂貴，白天光照條件好的情況下可以自給自足，不用再從電網購買電能，節約了資金。而戶用發電較為靈活，投資較小，可以貼補家用。

1.2 離網型光伏發電系統

離網型光伏發電系統不與電網相連接，其結構如圖2所示，它由光伏組件陣列、控制器、蓄電池組、逆變器組成。當白天光照充足時，光伏發電系統為負載提供電能，多余的電能會存儲在蓄電池中，當到了晚上或者陰雨天，存儲在蓄電池的電能可以釋放，保證負載正常運行。

1.3 并網型與離網型光伏發電系統比較

并網型光伏發電系統和離網型光伏發電系統相比，并網型光伏發電系統不需要蓄電池，節約了成本。光伏陣列可以始終運行在最大功率點處，由電網來接納太陽能所發的全部電能，提高了太陽能發電效率，同時可以為當地的電網減小壓力。離網型發電系統適用于并網較為困難的山區，牧場以及比較落后的農村。其蓄電池可以儲存電能，解決當地用電需求。同時減少電網壓力，減少電纜以及電能運輸成本。

2 光伏中的孤島效應

2.1 孤島效應介紹

隨著光伏的普及，其安全性能是人們最關心的。而對于并網發電系統來說，孤島效應無疑是一種巨大的危害。孤島效應是指由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因造成電網中斷供電時，光伏并網發電系統仍在運行，并且與本地負載連接處于獨立運行狀態。其危害十分巨大，會對維修人員的生命安全造成威脅。當電網恢復供電時，會產生浪涌電流，可能會引起再次跳閘。如果電網與光伏發電系統相位（頻率）不同步，會產生大的沖擊電流，毀壞光伏發電裝置，并且有可能會摧毀負載，造成損失。

2.2 國際國內孤島檢測標準

國際通行的光伏系統入網標準IEEE Std. 929-2000以及分布式電站入網標準IEEE1547，都對并網逆變器的孤島檢測功能做出了要求。

檢測的公共點電能質量有兩種異常，分別為電壓異常和頻率異常，929-2000 規定在公共點電壓異常下逆變器停止供電時間標準見表1。

在IEEE Std 1547—2003標準中，60Hz作為電網電壓的標準頻率，系統運行的頻率正常范圍是59.3Hz～60.5Hz。

按照我國的光伏系統并網技術要求（GB/T 19939—2005），并網系統正常運行時，單相電壓的允許偏差為額定電壓的-10%～+7%，頻率的偏差值允許±0.5Hz；總諧波電流應小于逆變器額定輸出的5%；逆變器向電網饋送的直流電流分量不能超過其交流額定值的1%；分布式發電系統對電網異常電壓的響應需在表2規定的時間內發生。

并在防孤島效應方面做出如下規定：

（1）應設置至少一種主動和被動防孤島效應保護。

（2）當電網失壓時，防孤島效應保護應在 2s 內動作，將光伏系統與電網斷開。

（3）由于超限狀態導致光伏系統停止向電網送電后，在電網的電壓和頻率恢復到正常范圍后的20s～300s的時間范圍內，光伏系統不應該向電網送電。

3 孤島檢測方法

為了防止孤島效應，根據技術特征，有3類孤島現象的檢測方法。分別為被動檢測法、主動檢測法和開關狀態監測方法（基于通信的方法）。其中最為常用的是被動檢測法、主動檢測法。

3.1 被動檢測法

（1）過/欠電壓與過/欠頻率檢測法

過/欠電壓是利用電路的電壓傳感器檢測電壓，并與標準數值相比較，如果數值低于電網正常工作電壓的最低值或者高于最高值，則可檢測到孤島發生，自動切斷所有功率開關，且并網端的繼電保護器被觸發。過/欠頻率檢測法的原理和過/欠電壓檢測法相似，不過過/欠頻率檢測法檢測的是電參量頻率。這兩種方法是最為普遍的檢測方法，從經濟角度上考慮較好，但是存在較大的盲區，需要配合其他檢測方法一起使用。

（2）相位跳變率檢測法

在光伏發電系統正常運行時，電流與電壓應該頻率相同，相位相同。當電網斷開，發生孤島現象，光伏發電系統單獨給負載供電，這時，系統產生的有功功率與負載消耗不匹配，從而可以知道是否發生孤島現象。其中，它的閾值確定十分重要，要能準確地區分電網失電造成的大波動和容性、感性負載投切，電機負載啟動造成的常規波動。在縮小孤島檢測盲區和減少誤操作之間很難做到完美。

（3）電壓諧波檢測法

當發電系統正常運行時，因為電網的網絡阻抗小，因此電壓總諧波比較穩定，當電網發生故障斷開時，逆變器的輸出電流直接與大量非線性設備相連接，產生諧波的變化。通過傅里葉變換后從兩個方向對逆變器輸出的電壓以及電流信號進行分析，從而檢測孤島效應是否發生。但是對高品質因數RLC負載，其濾波特性能使失壓后的電壓諧波也保持在低水平，增加了判別孤島的難度。

通過總結發現，被動檢測方法存在閾值難以框定、檢測盲區較大等問題。

3.2 主動檢測法

為了改善孤島效應的檢測成功率，于是人們研究出了多種主動檢測法。

（1）周期電流擾動檢測法

每隔一段時間，主動去干擾降低逆變器的輸出電流，從而改變輸出有功功率。如果系統運行正常，則不會出現公共點電流的劇烈變化。但是當電網出現問題時，由于其電流全由逆變器提供，一旦出現電流降低，其輸出功率會迅速降低。因此，在一定時間內可以檢測出是否發生孤島效應。但是長期在系統運行時改變輸出功率，會對設備造成一定危害。

（2）移頻移相結合檢測法

移頻即略微增加或者減少逆變器的輸出電壓的頻率。當系統正常運行時，鎖自環可以自動調節較小的電壓誤差，使系統正常運行，波形維持動態穩定。當發生孤島現象時，鎖自環失去作用，任由頻率誤差逐漸增大，最終超出設定范圍而被檢測出孤島現象。但是當出現與負載本身的容性感性帶來的相位差周期相抵消的情況時，該方法就會失效。

移相法的原理與移頻法大致相似，區別在于其干擾相位而不是頻率。將移頻法和移相法相結合，由于盲區范圍不同，可以減少孤島效應的檢測盲區，增加準確性和可靠性。

（3）電網阻抗法

因為發電系統由多設備組成，因此其阻抗遠大于相應并入的低壓配電網的阻抗。當電網失去電壓，并聯阻抗值會急劇增大，容易被檢測出來。可以與低壓配電網和發電系統并聯一個小電阻和開關串聯的檢測支路，每隔固定時間接通開關檢測小電阻兩端電壓變化，從而判斷是否發生孤島現象。

結語

孤島檢測方法中的被動檢測法相對較簡單，但是其檢測盲區范圍較大，并且存在判斷誤區。而主動檢測法相對比較完善，但是部分檢測方法長期使用可能會對設備造成損傷。綜上所述，通過主動檢測法與被動檢測法相結合，可以更好地避免孤島效應。

光伏發電對可再生能源的發展無疑是一種巨大的推動，其充分利用了閑置空間，不僅減緩了電網的壓力，減少了電費的支出，更重要的是保護了環境，為地球的環保事業做出了貢獻。因此，只有增加其安全性能，才可以有更好的發展。

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