分布式光伏發電孤島效應的影響及對策

王鏡植　劉姿　劉曉強

摘要：研究反微網的孤島運行對分布式光伏的推廣具有重大的意義。本文介紹了孤島的定義，孤島效應的危害及目前普遍應用的反孤島方法，具有一定的指導意義。

關鍵詞：分布式光伏；孤島效應；反孤島

隨著科技的發展，化石能源大量使用，使之面臨枯竭，新能源成為各發達國家的研究熱點。太陽能因其清潔無污染，又取之不盡用之不竭的優點成為新能源中最具有潛力的一員，特別是分布式光伏，因為其就近發電、就近轉換、就近并網、就近使用的特性，解決了傳統太陽能發電占地面積大，輸送困難，輸送損耗多的問題所以備受各發達國家青睞。但是作為新型能源，分布式光伏發電系技術還存在許多問題，其中之一便是孤島效應，微電網的孤島運行存在很大的安全隱患，這一問題亟待解決。本文介紹了目前主流的反孤島措施，對分布式光伏的推廣具有一定的幫助。

1 孤島的定義

包含分布式發電系統的微電網當主網故障或者其他原因停電時未能及時檢測出主網狀態的變化而將自身與主網分離，形成了一個主電網無法控制的由分布式發電系統單獨供電的孤立的電網稱為孤島。在孤島運行下孤島內部分布式電源的容量應與負載的功率保持平衡，一旦功率不平衡必將引起電壓和頻率的變化，導致電壓頻率無法穩定，微電網就無法正常運行。

孤島運行的劃分。按照事先有無規劃好的孤島區域，孤島運行分為計劃孤島運行和非計劃孤島運行。

（1）計劃孤島。為維持孤島的穩定運行，保證分布式發電系統在主配電網故障停電的情況下正常向孤島內的負載供電，應依據分布式電源的容量和本地負載容量的大小提前規劃好合理的孤島區域。

（2）非計劃孤島。當電力系統發生故障引起斷路器跳閘，分布式發電系統單獨向孤島內的負載供電，孤島的范圍不確定。一般來說非計劃孤島內分布式電源的容量與負載容量不匹配，若長時間運行會導致電壓頻率嚴重偏離，造成重大的安全隱患。

2 非計劃孤島的危害

非計劃孤島的產生會對電力系統的安全運行產生很大的影響。

（1）如果分布式電源的容量與負載容量不匹配會導致孤島內電壓、頻率的變化，降低電能質量，可能損壞微電網及用戶的電力設備。

（2）非計劃孤島由于孤島范圍的不可知性，無法確定故障線路是否帶電，這樣會對電力維修人員的生命安全帶來極大的威脅。

（3）孤島形成后，分布式電源會繼續向跳閘線路的另一端供電，導致重合閘失敗。

（4）孤島電壓相量對與主網產生漂移，當電網恢復時可能會干擾重合閘。

（5）孤島運行時可能會給孤島內三相負載供單相電流，使之缺相運行，造成危害。

3 孤島效應的應對策略

為了應對非計劃孤島效應帶來的危害，電力公司要求并網的分布式光伏發電系統需要有孤島檢測技術，以便能夠及時檢測出孤島的形成并將其與主電網斷開連接。目前孤島檢測方法主要有主動檢測和被動檢測兩種，下面將對這兩種方法做詳細分析。

3.1 被動式孤島檢測法

與主網斷開連接形成孤島后，電氣量會發生變化，被動式檢測法通過檢測電壓、頻率、相位或諧波的變化進行孤島檢測。

（1）電壓頻率檢測法。

孤島形成時非計劃孤島內部的功率一般不平衡，會導致電壓和頻率的變化，當變化超出規定的范圍可以認為形成了孤島。

（2）相位跳變檢測法。

正常情況下，并網逆變器僅控制著其輸出電流與主電網電壓同相，其輸出電壓則受電網控制，孤島產生時由于逆變器輸出電壓不受主網控制，加之孤島內負載阻抗角的存在導致電壓相位跳變，通過檢測逆變器輸出端電壓和電流的相位差即可判斷孤島的產生。

（3）電壓諧波檢測法。

分布式光伏發電系統并網后受電網制約公共耦合點的諧波含量相對較少，產生孤島時，孤島內的非線性負載會向公共耦合點注入諧波電流，產生電壓畸變，通過檢測公共耦合點電壓諧波的變化判斷是否產生孤島。

3.2 主動式孤島檢測法

通過在光伏逆變器控制的信號中加入一個很小的干擾信號使之對逆變器輸出的電壓、頻率或者功率產生微小的擾動，在并網運行時，由于受到主電網的制約，干擾信號的作用非常小，當孤島產生時，干擾信號的作用就比較明顯了，通過檢測公共耦合點的響應來判斷是否產生孤島。這種方法精度高，但是控制比較復雜，又因為向電網輸出了干擾所以會降低電能質量。

（1）阻抗測量法。

基于電壓偏移原理的阻抗測量法，通過對光伏逆變器輸出電流幅值周期性的引入干擾信號，當并網運行時公共耦合點的電壓不會有顯著的變化，當孤島產生時光伏發電系統端的等效阻抗明顯變大，引入的電流擾動信號導致逆變器輸出電壓也有很大的變化。由此可以判斷是否產生孤島。

（2）主動頻率偏移法。

基于頻率偏移原理的主動頻率偏移法，通過改變逆變器輸出電流的頻率，對公共耦合點電壓頻率產生擾動。在并網運行時公共耦合點的電壓頻率與工頻保持一致，當孤島產生時電壓頻率會受到逆變器輸出電流頻率的影響而發生變化，當變化超出規定范圍則可認為產生了孤島。

（3）滑模頻率偏移法。

基于相位偏移原理的滑模頻率偏移法，通過在光伏逆變器的輸出端引入電流相位的微小變化，當光伏系統并網運行時，由于鎖相環的作用，電網提供固定的頻率和相位，逆變器工作在工頻下，當電網停電時，引入的相位偏移在正反饋的作用下變得越來越大，導致電壓頻率超出正常范圍。由此可以判斷孤島的產生。

除此之外還有GE移頻法、頻率突變檢測法、自動相位偏移法等等。

4 結語

光伏并網后孤島效應的研究，對分布式光伏發電技術的推廣及改善國家能源結構、推進可持續發展具有重要的意義，相信在科研人員的共同努力下，孤島效應的應對措施會越做越好。

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作者簡介：王鏡植（1997），男，漢族，河南南陽人，本科，研究方向：分布式光伏推廣。