光伏發電并網系統孤島檢測的研究

朱亮亮

摘 要：伴隨國家能源政策的調整，光伏發電產業和技術都有了長足發展，光伏發電并網系統隨之出現。作為光伏發電并網系統中最關鍵技術之一的孤島檢測技術，一直以來都是一個研究熱點，國內外專家學者針對該技術的研究取得了非常不錯的成果。本文結合國內外光伏發電系統實際情況，對現有孤島檢測技術進行研究和比較，旨在給出一些應對建議。

關鍵詞：光伏發電 孤島檢測

Research on Islanding Detection of Photovoltaic Power Generation Grid-connected System

Zhu Liangliang

Abstract：With the adjustment of the national energy policy， the photovoltaic power generation industry and technology have made great progress， and photovoltaic power generation grid-connected systems have emerged. As one of the most critical technologies in photovoltaic power generation grid-connected systems， island detection technology has always been a research hotspot， and domestic and foreign experts and scholars have achieved very good results in the research of this technology. Based on the actual situation of photovoltaic power generation systems at home and abroad， this paper conducts research and comparison of existing islanding detection technologies， and aims to give some countermeasures.

Key words：photovoltaic power generation， island detection

光伏發電作為一種典型的可再生能源發電技術，依靠國家的大力支持和可靈活布置等優勢，在近些年實現了飛速發展。在太陽能資源豐富的地區，供電系統中光伏發電所占比例已實現逐年遞增，根據研究顯示這一比例在未來還會持續增長。隨著光伏發電系統大規模并網，系統安全穩定問題也隨之而來。

孤島現象是由于光伏發電裝置等分布式電源大規模接入負荷側所帶來的電網運行問題，它是由于自然或人為原本因造成電網某一供電區域失去系統電源時，由該區域接入的分布式電源繼續向負荷供電，進而形成一個獨立且不可控的自給式區域供電系統。孤島現象會對威脅到整個配電系統設備及用戶端的設備正常運行，包括危害設備檢修人員的生命安全，影響保護開關動作，破壞供電系統及用電設備等。如何快速、有效檢測出孤島效應，是近年來分布式光伏發電系統的重要研究課題，本文將對現有孤島檢測技術進行研究和比較，旨在給出一些應對建議。

現階段，按照技術手段可以將孤島檢測的方法分為三種：被動檢測法、主動檢測法和現代遠程監控檢測法。

1 孤島效應被動檢測法

當系統處于孤島狀態時，通常會發生一些參數的非正常改變。被動式孤島檢測法就是實時檢測公共連接點處的一些電信號的異常變化。共有四種方法：

1.1 過/欠頻率（OUF）和過/欠電壓（OUV）檢測法

在孤島現象發生時，如果光伏發電裝置的輸出功率與本地負載的功率需求不匹配時，系統中的頻率和電壓數值會產生偏離。控制器對公共連接點處的當頻率和電壓信號實時采樣，發現異常后，切斷逆變器輸出。該方法優點是僅利用控制器的采樣功能進行孤島檢測而不需要增加額外的保護電路。該方法的缺點在于當功率接近平衡或平衡時，頻率、電壓信號變化不明顯，檢測不夠準確，這也是被動檢測的通病。

1.2 電壓相位突變檢測法（PJD）

正常運行時，逆變器的輸出電流和電網電壓同頻、同相，沒有相位偏移，但孤島現象發生時，公共連接點處電壓與逆變器輸出電流之間會產生瞬時的相位偏移，控制器發現偏移后切斷逆變器輸出，此方法理論上可行，但有偏移過小難以檢測、難以確定動作閾值、針對純阻性負載系統無效等明顯的問題。

1.3 諧波檢測法（HD）

電網斷電后，檢測公共連接點處電壓的諧波失真度，判斷失真度是否增大并超過了5%的閾值，就能知道是否存在孤島現象。該方法理論上可行。但實際運行過程中，不同類型負載導致的電壓諧波失真度差異巨大，該方法也難以確定動作閾值，很少單獨使用。

1.4 被動式檢測方法比較

綜上所述，三種檢測方法存在各自特點，在不同的場景，能各自發揮優勢。在此對這三種方法進行綜合性分析，下表1是對這三種被動式檢測方法的對比。

2 孤島效應主動式檢測方法

主動式檢測方法，是指通過控制逆變器，使逆變器輸出功率、頻率或相位存在一定正常情況下無法被檢測的擾動。當孤島現象發生后，失去電網平衡作用的擾動會累積變大，從而被檢測到。

主動檢測方法精度高，非檢測區小，且能夠自動檢測，但是技術要求高，還會降低逆變器輸出電能質量。目前的主動檢測方法主要有以下幾種：

2.1 頻率偏移法

它是通過主動的頻率偏移嘗試干擾系統運行頻率，進而判斷是否發生了孤島現象。頻率偏移法可分為以下幾種方法。

2.1.1 主動頻移法（ADF）

在檢測到逆變器輸出電流變化后，電網會自動發出零序電流分量來促使電網頻率進行偏移。在孤島狀態下，頻率會發生明顯變化。利用這一方法進行精準檢測時，需要提高LC負載的品質因數，這樣才能避免檢測盲區，進而提高檢測靈敏度。

2.1.2 滑動模式頻率偏移法（SMS）

它是利用在公共接入點位置施加正反饋，促使逆變器相位產生偏移。孤島現象時，公共連接點的電壓頻率發生改變，相位偏移增大，導致頻率變化進一步增大，系統檢測到孤島現象。

2.1.3 Sandia頻移法（SFS）

這種方法是主動頻移法的改進，基本原理是在公共連接點施加正反饋，這會帶來電壓頻率的偏移，進而檢測到孤島現象。

2.1.4 結合脈動斬波因數的主動式頻移法（AFDPCF）

這種檢測方法的提出基于斬波因數，通過形成交替的脈沖，促使發生頻率偏移，進而檢測到孤島現象。

2.1.5 GE頻移法（GEFS）

通過施加設計好的正反饋，增大無功功率，當存在孤島現象時，無功功率進一步變化，會導致頻率發生異常，進而檢測到孤島現象。

2.1.6 無功功率變化（RPV）

通過加入諧波信號來擾動無功電流，利用擾動變量來調整電壓頻率，進而檢測孤島現象。但無功電流變化困難，該辦法很難實現。

2.2 電壓漂移法

施加電壓正反饋，電網斷電時，公共連接點的電壓下降，會導致逆變器輸出電壓與輸出功率下降，孤島現象時，電壓值持續下降，系統檢測到孤島現象。

2.3 電網阻抗估算法

其基本原理就是通過擾動來觀察電網阻抗值，進而判斷孤島問題。主要操作是注入和提取諧波電流與諧波電壓，操作相對簡單，但是必須保證在諧波發生裝置與電流控制器之間的信號不相互干擾。

2.4 現代遠程監控檢測法

利用網絡數據采集與監視控制系統、電力線路載波通信等遠程通訊手段，監控公共連接點處開關的運行狀態，直接判斷是否發生孤島現象。配電開關動作時，信號發送裝置將開關狀態信號發送至光伏控制器內的信號接收裝置，控制器根據公共連接點處開關的狀態控制逆變器的啟、停。遠程監控檢測雖大大提高了提高檢測的效率，但成本較高，是將來的發展方向。

2.5 主動式檢測法比較

在本文的研究過程中，對多種不同的主動式檢測法進行了比對，具體如表2所示[1]。

3 孤島檢測方法的改進和優化

從以上對比分析中可以得出，各類孤島檢測方法擁有各自的優勢，也存在明顯的不足之處。在此，我提出使用，這種檢測方法在主動頻率偏移法的基礎上，再進行頻率與耦合點的正反饋來檢測孤島現象，該方法基本原理是：在出現孤島現象時，耦合點處的電壓頻率會出現一定偏移，這種偏移能夠被迅速捕捉，進而判斷是否產生孤島現象。

4 結語

本文的重點是進行孤島檢測技術研究，在對常見的幾種孤島檢測方法進行比對分析之后，提出了施加正反饋的主動頻率偏移法，經過仿真試驗后，發現這種方法能夠較好的滿足孤島效應檢測需要。

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