光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島效應(yīng)的研究

王可輝 公茂法 蘇彥平 劉丙乾 李正光

（山東科技大學(xué)，山東 青島 265900）

0 前言

在追求低碳社會(huì)的今天，太陽(yáng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視，光伏產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般異軍突起。國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能發(fā)電并入電網(wǎng)的報(bào)道屢見(jiàn)不鮮，在光伏并網(wǎng)過(guò)程中，孤島效應(yīng)問(wèn)題已成為影響電能質(zhì)量、穩(wěn)定、安全的關(guān)鍵。

1 孤島效應(yīng)的定義與危害

所謂孤島效應(yīng)[1]是指當(dāng)電網(wǎng)因電氣故障、自然因數(shù)或者誤操作而發(fā)生停電中斷時(shí)，各用戶(hù)端的光伏發(fā)電系統(tǒng)沒(méi)有及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)并脫離市電網(wǎng)絡(luò)，而是繼續(xù)保持向電網(wǎng)輸送電能，同時(shí)與負(fù)載形成獨(dú)立的公共電網(wǎng)無(wú)法控制的自給自足的供電孤島。

孤島效應(yīng)不僅給整個(gè)電網(wǎng)帶來(lái)安全隱患，同時(shí)會(huì)降低整個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的工作效率，其主要影響表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[2]：

1.1 當(dāng)維修人員對(duì)正在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢修時(shí)，孤島現(xiàn)象發(fā)生，由于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)繼續(xù)保持給負(fù)載供電，因此會(huì)危害維修人員的人身安全。

1.2 孤島效應(yīng)可能導(dǎo)致接地、相間短路等故障不能及時(shí)清除，從而導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)備的損害，干擾電網(wǎng)正常供電系統(tǒng)的自動(dòng)或手動(dòng)恢復(fù)。

1.3 當(dāng)孤島系統(tǒng)與市電電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)，一方面，斷路器等裝置會(huì)因?yàn)楣夥⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)發(fā)生不同步而損壞，另一方面，在并網(wǎng)恢復(fù)瞬間，因電壓相位不同產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊電流，損壞相關(guān)設(shè)備。

1.4 單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可能會(huì)因孤島效應(yīng)的原因?qū)θ嘭?fù)載進(jìn)行供電，造成三相負(fù)載缺相運(yùn)行，從而造成三相負(fù)載設(shè)備損害。

由上可知，當(dāng)電網(wǎng)電氣故障或者供電中斷時(shí)，孤島效應(yīng)將會(huì)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)中的各級(jí)用戶(hù)和設(shè)備造成損害。所以，在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中必須裝設(shè)具有反孤島保護(hù)功能的裝置，目的是實(shí)時(shí)檢測(cè)孤島效應(yīng)并及時(shí)將光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)進(jìn)行切斷。

2 孤島效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理與條件

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率流圖如圖1所示。當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行正常，假設(shè)逆變器工作于單位功率因數(shù)正弦波模式下，負(fù)載采用并聯(lián)RLC電路來(lái)模擬，并假設(shè)P、Q為光伏系統(tǒng)向負(fù)載提供的有功功率、無(wú)功功率；ΔP、ΔQ分別代表電網(wǎng)向負(fù)載提供的有功功率和無(wú)功功率；Pload為負(fù)載吸收的有功功率，Qload為負(fù)載吸收的無(wú)功功率。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)功率流圖

公共節(jié)點(diǎn)（PCC）處的功率，由能量守恒定律可以由以下公式表示：

依據(jù)孤島效應(yīng)發(fā)生時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的電壓和頻率均會(huì)發(fā)生大規(guī)模的波動(dòng)，此時(shí)對(duì)系統(tǒng)電壓或者頻率進(jìn)行檢測(cè)便可以檢測(cè)到孤島效應(yīng)。但在光伏系統(tǒng)提供的功率等于負(fù)載需要的功率時(shí)，即P=Pload，Q=Qload情況下，公共節(jié)點(diǎn)（PCC）處電壓和頻率變化波動(dòng)都很小，難以通過(guò)系統(tǒng)檢測(cè)來(lái)判斷孤島效應(yīng)的發(fā)生。

孤島效應(yīng)形成后，逆變器控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控公共節(jié)點(diǎn)（PCC）處電壓瞬時(shí)值ua，逆變器為了保證輸出端電壓ua與電流iinv的同步，將驅(qū)使iinv改變頻率，直到ua與iinv之間相位差為0，使iinv頻率到達(dá)穩(wěn)態(tài)值f0（負(fù)載諧振頻率）。

電網(wǎng)故障后的無(wú)功功率平衡關(guān)系用相位的平衡關(guān)系來(lái)描述表示為：

其中，θinv為逆變器輸出電流超前端電壓的相位角，φl(shuí)oad為負(fù)載的阻抗角。

對(duì)于選取RLC并聯(lián)負(fù)載的系統(tǒng)中，負(fù)載阻抗角可表示為：

從上面的分析可知，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)產(chǎn)生的必要條件是：

1）負(fù)載吸收的有功功率與光伏系統(tǒng)提供的有功功率相匹配；

2）負(fù)載吸收無(wú)功功率與光伏系統(tǒng)提供的無(wú)功功率相匹配，即滿(mǎn)足相位平衡關(guān)系：

3 孤島效應(yīng)檢測(cè)方法

孤島效應(yīng)檢測(cè)方法主要有兩種，基于通信的反孤島檢測(cè)方案[3]與局部反孤島檢測(cè)方案[3]。本文主要研究局部反孤島策略。

3.1 被動(dòng)式孤島檢測(cè)

3.1.1 過(guò)、欠電壓反孤島方案[4]（OVP/UVP）

過(guò)、欠電壓反孤島方案是指，當(dāng)并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)檢測(cè)出PCC處的電壓幅值超過(guò)正常范圍U1(光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出的電壓最大值)、U2(電壓最小值)，通過(guò)控制命令斷開(kāi)與逆變器與市網(wǎng)的連接，從而實(shí)現(xiàn)反孤島的一種被動(dòng)式檢測(cè)方法。當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，市網(wǎng)的輸出功率是ΔP+jΔQ，逆變器輸出功率是P+j Q，負(fù)載的功率是Pload＋j Qload；當(dāng)斷路器斷開(kāi)時(shí)，ΔP≠0，因負(fù)載吸收有功功率與逆變器輸出的有功功率不匹配，PCC處電壓幅值將會(huì)改變，如果偏移量很大，證明發(fā)生孤島效應(yīng)，從而系統(tǒng)從電網(wǎng)中斷開(kāi)有效的防治孤島發(fā)生。

3.1.2 過(guò)、欠頻率反孤島效應(yīng)方案[5]（OFP/UFP）

當(dāng)光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)檢測(cè)出PCC處的電壓頻率不在正常的頻率范圍內(nèi)時(shí)，立即停止逆變器并網(wǎng)工作，這種反孤島效應(yīng)方案稱(chēng)之為過(guò)、欠頻率反孤島效應(yīng)方案。假設(shè)正常工作的頻率范圍為f1、f2，f1、f2分別為電網(wǎng)正常工作的頻率上、下限值。IEEE Std1547-2003標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[6]：當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)頻率 f0=60Hz時(shí)，f1=59.3Hz、f2=60.5Hz。 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)的頻率是f0=50Hz，同理根據(jù)比例計(jì)算出電網(wǎng)頻率正常范圍的上下限為f1=49.4Hz、f2=50.4Hz。在圖2中，當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)決定公共耦合點(diǎn)處的電壓頻率，只要電網(wǎng)不發(fā)生電氣故障或維修中斷，就不會(huì)出現(xiàn)頻率波動(dòng)。當(dāng)電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，如果ΔQ≠0，公共節(jié)點(diǎn)PCC處電壓頻率就會(huì)發(fā)生變化，如果偏移量超出正常范圍，證明孤島效應(yīng)發(fā)生，從而系統(tǒng)發(fā)生保護(hù)動(dòng)作。

優(yōu)缺點(diǎn)：

過(guò)/欠電壓、過(guò)/欠頻率孤島檢測(cè)法成本低，但是可作用的范圍廣，既可以檢測(cè)孤島效應(yīng)還可以保護(hù)用戶(hù)設(shè)備，有利于并網(wǎng)光伏逆變器的并網(wǎng)。它作為被動(dòng)式的檢測(cè)方法，對(duì)電網(wǎng)電能的質(zhì)量影響很小。缺點(diǎn)是這種檢測(cè)方法的非檢測(cè)區(qū)比較大。

3.2 主動(dòng)式孤島檢測(cè)

3.2.1 主動(dòng)頻移反孤島方法——AFD方案

主動(dòng)頻移反孤島方法是主動(dòng)式反孤島方案中的一種，其原理是通過(guò)逆變系統(tǒng)向市網(wǎng)注入略有所畸變的擾動(dòng)電流，形成一個(gè)頻率連續(xù)改變的趨勢(shì)，當(dāng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與市網(wǎng)正常連接時(shí)，頻率是不會(huì)改變的；當(dāng)分離后，并網(wǎng)逆變器輸出端電壓頻率將會(huì)被迫發(fā)生偏移，由此確定孤島效應(yīng)的發(fā)生。

優(yōu)缺點(diǎn)：

操作簡(jiǎn)單，比被動(dòng)式檢測(cè)方式的非檢測(cè)區(qū)更小。缺點(diǎn)是降低了并網(wǎng)逆變器輸出的電能的質(zhì)量，容易對(duì)非連續(xù)的電流波形產(chǎn)生射頻干擾，并且負(fù)載的阻抗特性可能阻止頻率偏移，使孤島檢測(cè)失敗。

3.2.2 主動(dòng)電流干擾法

采用此種方法檢測(cè)孤島效應(yīng)時(shí)，逆變器輸出的電流幅值在逆變器控制系統(tǒng)的作用下發(fā)生周期性的改變，同時(shí)也改變了逆變器輸出的有功功率P。因此，當(dāng)電網(wǎng)電氣故障或者中斷時(shí)，負(fù)載吸收的有功功率與逆變器輸出的有功功率將會(huì)不匹配，當(dāng)PCC點(diǎn)的電流超出過(guò)、欠電壓保護(hù)閾值時(shí)，就可以檢測(cè)出孤島效應(yīng)。

優(yōu)缺點(diǎn)：

采用電流干擾的方案在負(fù)載功率完全匹配時(shí)也不存在不可檢測(cè)區(qū)，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)不會(huì)向電網(wǎng)注入諧波。缺點(diǎn)是多臺(tái)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，必須同步進(jìn)行電流干擾，否則各擾動(dòng)量會(huì)相互抵消而產(chǎn)生稀釋效應(yīng)，進(jìn)入不可檢測(cè)區(qū)，此外光伏電池輸出的功率隨光照強(qiáng)度而波動(dòng)，人為加入的電流擾動(dòng)會(huì)對(duì)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的輸出效率產(chǎn)生影響。孤島檢測(cè)的閥值也很難選取。

3.2.3 阻抗測(cè)量法

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接時(shí)，公共耦合點(diǎn)處的阻抗比較小;當(dāng)電網(wǎng)與并網(wǎng)系統(tǒng)斷開(kāi)時(shí)，公共耦合點(diǎn)處的負(fù)載阻抗一般情況均都大于連接時(shí)的阻抗。因此，通過(guò)測(cè)量公共耦合點(diǎn)電路阻抗的變化范圍,就可實(shí)現(xiàn)孤島效應(yīng)的檢測(cè)。

優(yōu)缺點(diǎn)：

總體來(lái)看，阻抗測(cè)量法雖然可以很好地檢測(cè)孤島的發(fā)生，但是持續(xù)擾動(dòng)會(huì)影響電網(wǎng)質(zhì)量；對(duì)于弱電網(wǎng)或電網(wǎng)本身擾動(dòng)較大的情況，很難實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)阻抗檢測(cè)；多個(gè)并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，檢測(cè)信號(hào)會(huì)相互干擾，使阻抗估算錯(cuò)誤。

4 結(jié)束語(yǔ)

從現(xiàn)有的反孤島策略的優(yōu)缺點(diǎn)來(lái)看，未來(lái)的光伏系統(tǒng)反孤島效應(yīng)還應(yīng)從下面的方向努力：

4.1 尋求簡(jiǎn)單有效且低成本的反孤島策略，將光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島效應(yīng)的危害降低到最低，兼顧考慮檢測(cè)性能、輸出電能質(zhì)量以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)的影響。

4.2 綜合使用多種孤島檢測(cè)方法并配合相應(yīng)的并網(wǎng)逆變器控制方法，加強(qiáng)對(duì)孤島效應(yīng)的利用策略，防止重要設(shè)備在電網(wǎng)斷電后停止工作。

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［2］張興，曹仁賢，等.太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制.第一版[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

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