光伏發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)角度出發(fā)，闡述了光伏的兩大類型：離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)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(yīng)，分析不同檢測方法的優(yōu)缺點及可靠性。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；離網(wǎng)并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)；防孤島檢測

中圖分類號：TM615 文獻標(biāo)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(jīng)濟水平的快速提升，傳統(tǒng)化石能源逐漸枯竭，綠色可再生能源的開發(fā)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(fā)利用是極其重要的，光伏發(fā)電應(yīng)運而生。隨著技術(shù)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(wǎng)光伏系統(tǒng)中，最重大的隱患之一就是孤島效應(yīng)，本文著重介紹了防孤島效應(yīng)的檢測方法，并對其優(yōu)缺點進行分析。

1 光伏系統(tǒng)

1.1 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相連接，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)由光伏組件陣列、逆變器、匯流箱、變壓器等組成。這種發(fā)電方式比較靈活，當(dāng)白天日照較強時，光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅可以提供電能，多余的電能還能通過上網(wǎng)的方式賣給電網(wǎng)，增加收入；而當(dāng)日照不足時，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以提供部分電能，不夠的部分再從電網(wǎng)索取。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)又分為工商業(yè)光伏發(fā)電以及戶用光伏發(fā)電，相對而言，工商業(yè)光伏發(fā)電更為適合，其屋頂面積大，發(fā)電量大，且工商業(yè)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(wǎng)購買電能，節(jié)約了資金。而戶用發(fā)電較為靈活，投資較小，可以貼補家用。

1.2 離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)

離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)不與電網(wǎng)相連接，其結(jié)構(gòu)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(dāng)白天光照充足時，光伏發(fā)電系統(tǒng)為負載提供電能，多余的電能會存儲在蓄電池中，當(dāng)?shù)搅送砩匣蛘哧幱晏欤鎯υ谛铍姵氐碾娔芸梢葬尫?，保證負載正常運行。

1.3 并網(wǎng)型與離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)比較

并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)和離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)不需要蓄電池，節(jié)約了成本。光伏陣列可以始終運行在最大功率點處，由電網(wǎng)來接納太陽能所發(fā)的全部電能，提高了太陽能發(fā)電效率，同時可以為當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)減小壓力。離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)適用于并網(wǎng)較為困難的山區(qū)，牧場以及比較落后的農(nóng)村。其蓄電池可以儲存電能，解決當(dāng)?shù)赜秒娦枨?。同時減少電網(wǎng)壓力，減少電纜以及電能運輸成本。

2 光伏中的孤島效應(yīng)

2.1 孤島效應(yīng)介紹

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

2.2 國際國內(nèi)孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)

國際通行的光伏系統(tǒng)入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std. 929-2000以及分布式電站入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE1547，都對并網(wǎng)逆變器的孤島檢測功能做出了要求。

檢測的公共點電能質(zhì)量有兩種異常，分別為電壓異常和頻率異常，929-2000 規(guī)定在公共點電壓異常下逆變器停止供電時間標(biāo)準(zhǔn)見表1。

在IEEE Std 1547—2003標(biāo)準(zhǔn)中，60Hz作為電網(wǎng)電壓的標(biāo)準(zhǔn)頻率，系統(tǒng)運行的頻率正常范圍是59.3Hz～60.5Hz。

按照我國的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求（GB/T 19939—2005），并網(wǎng)系統(tǒng)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(yīng)小于逆變器額定輸出的5%；逆變器向電網(wǎng)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(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)異常電壓的響應(yīng)需在表2規(guī)定的時間內(nèi)發(fā)生。

并在防孤島效應(yīng)方面做出如下規(guī)定：

（1）應(yīng)設(shè)置至少一種主動和被動防孤島效應(yīng)保護。

（2）當(dāng)電網(wǎng)失壓時，防孤島效應(yīng)保護應(yīng)在 2s 內(nèi)動作，將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開。

（3）由于超限狀態(tài)導(dǎo)致光伏系統(tǒng)停止向電網(wǎng)送電后，在電網(wǎng)的電壓和頻率恢復(fù)到正常范圍后的20s～300s的時間范圍內(nèi)，光伏系統(tǒng)不應(yīng)該向電網(wǎng)送電。

3 孤島檢測方法

為了防止孤島效應(yīng)，根據(jù)技術(shù)特征，有3類孤島現(xiàn)象的檢測方法。分別為被動檢測法、主動檢測法和開關(guān)狀態(tài)監(jiān)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)值相比較，如果數(shù)值低于電網(wǎng)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(fā)生，自動切斷所有功率開關(guān)，且并網(wǎng)端的繼電保護器被觸發(fā)。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(jīng)濟角度上考慮較好，但是存在較大的盲區(qū)，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(fā)電系統(tǒng)正常運行時，電流與電壓應(yīng)該頻率相同，相位相同。當(dāng)電網(wǎng)斷開，發(fā)生孤島現(xiàn)象，光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨給負載供電，這時，系統(tǒng)產(chǎn)生的有功功率與負載消耗不匹配，從而可以知道是否發(fā)生孤島現(xiàn)象。其中，它的閾值確定十分重要，要能準(zhǔn)確地區(qū)分電網(wǎng)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(guī)波動。在縮小孤島檢測盲區(qū)和減少誤操作之間很難做到完美。

（3）電壓諧波檢測法

當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)正常運行時，因為電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)阻抗小，因此電壓總諧波比較穩(wěn)定，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障斷開時，逆變器的輸出電流直接與大量非線性設(shè)備相連接，產(chǎn)生諧波的變化。通過傅里葉變換后從兩個方向?qū)δ孀兤鬏敵龅碾妷阂约半娏餍盘栠M行分析，從而檢測孤島效應(yīng)是否發(fā)生。但是對高品質(zhì)因數(shù)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(jié)發(fā)現(xiàn)，被動檢測方法存在閾值難以框定、檢測盲區(qū)較大等問題。

3.2 主動檢測法

為了改善孤島效應(yīng)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(tǒng)運行正常，則不會出現(xiàn)公共點電流的劇烈變化。但是當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)問題時，由于其電流全由逆變器提供，一旦出現(xiàn)電流降低，其輸出功率會迅速降低。因此，在一定時間內(nèi)可以檢測出是否發(fā)生孤島效應(yīng)。但是長期在系統(tǒng)運行時改變輸出功率，會對設(shè)備造成一定危害。

（2）移頻移相結(jié)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(dāng)系統(tǒng)正常運行時，鎖自環(huán)可以自動調(diào)節(jié)較小的電壓誤差，使系統(tǒng)正常運行，波形維持動態(tài)穩(wěn)定。當(dāng)發(fā)生孤島現(xiàn)象時，鎖自環(huán)失去作用，任由頻率誤差逐漸增大，最終超出設(shè)定范圍而被檢測出孤島現(xiàn)象。但是當(dāng)出現(xiàn)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(qū)別在于其干擾相位而不是頻率。將移頻法和移相法相結(jié)合，由于盲區(qū)范圍不同，可以減少孤島效應(yīng)的檢測盲區(qū)，增加準(zhǔn)確性和可靠性。

（3）電網(wǎng)阻抗法

因為發(fā)電系統(tǒng)由多設(shè)備組成，因此其阻抗遠大于相應(yīng)并入的低壓配電網(wǎng)的阻抗。當(dāng)電網(wǎng)失去電壓，并聯(lián)阻抗值會急劇增大，容易被檢測出來?？梢耘c低壓配電網(wǎng)和發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)一個小電阻和開關(guān)串聯(lián)的檢測支路，每隔固定時間接通開關(guān)檢測小電阻兩端電壓變化，從而判斷是否發(fā)生孤島現(xiàn)象。

結(jié)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(qū)范圍較大，并且存在判斷誤區(qū)。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(shè)備造成損傷。綜上所述，通過主動檢測法與被動檢測法相結(jié)合，可以更好地避免孤島效應(yīng)。

光伏發(fā)電對可再生能源的發(fā)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(wǎng)的壓力，減少了電費的支出，更重要的是保護了環(huán)境，為地球的環(huán)保事業(yè)做出了貢獻。因此，只有增加其安全性能，才可以有更好的發(fā)展。

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