光伏并网发电系统孤岛检测技术

丁振江

摘 要： 在进行大规模的光伏并网发电系统建设时，合理的运用孤岛检测技术是光伏并网发电系统正常运行的重要保障。本文主要以进行并网发电后发生的孤岛效对人们正常的生产生活造成的不良影响为例，阐述了孤岛效应的发生原因，并使用无源检测等多种检测方法解决孤岛效应，对每一种检测方法的优缺点，检测盲区，检测范围进行论述，在不破坏光伏并网发电系统正常运行的基础之上，能够有效的避免检测盲区，扩大检测范围，利用孤岛检测技术对光伏并网发电系统进行检测。

关键词： 光伏系统；并网发电；孤岛检测；盲区；并网逆变器

一、孤岛效应及发生原因

随着人类生活水平的日益提高，人们对各种资源的需求急剧增加，那么如何在正常的电力供给结构基础之上提高供电量是电力发展的一个重要议题，全世界的目光集中在了可再生能能源的开发上，取之不尽用之不竭的太阳能成了炙手可热的开发热点，也由此产生了太阳能光伏发电技术，将太阳能光伏发电系统并入到电网系统上，从而提高发电量和发电效率，在这种供电模式下，如何在太阳能光伏发电系统并入电力系统后对电力系统进行保护，也由此产生了在电力供给系统行业的代名词“孤岛效应”[1]。

孤岛效应产生的前提是，电力供给系统由于天气条件的原因或者是一些电路故障等一些外部因素的客观条件的影响，从而导致了电力供给系统向用户中断了电力供应，但并入到电力系统的光伏发电系统仍然运转，向用户持续供电，这样就在电力中断的这个区域形成了孤岛，电力系统无法对这一用电区域进行控制，这一断电区域长时间没有在电力系统的控制范围内对电路的电压和频率进行调节，就会使断电区域的电力系统处于孤岛运行状态，导致用户的负载用电设备没有在额定功率下工作，对用户用电设备造成永久性的损坏，甚至会发生短路，产生电弧，对用户或者是电力维修人员的人身安全造成了威胁。所以在电力系统发生产生孤岛效应时，快速的对孤岛进行检测和维修，是现代电力系统安全运行的主要保障。

孤岛检测方法有两种，一种是无源孤岛检测方法，另一种是有源孤岛检测方法，本文通过对现有的两种孤岛检测方法进行比较分析后，并提出了一种新的孤岛检测方法，可以在电力系统发生故障之后，根据电力系统在断电后实际运行的电压电流等运行参数，快速的检测出电力系统故障，且对并网后的光伏发电系统影响较小。另外，如果在单个电力系统运行的基础之上，并入多个光伏电力系统，该方法仍然适用[2]。

二、无源检测

（一）相位突跳检测

进行无源检测中相位突跳检测的工作原理是在电力系统和光伏发电系统进行并网后，两者工作的单位功率因素相同，也就是说电力系统和光伏发电系统在并网后的电流电压的频率相同，相位相同。但如果电力系统因为外部客观因素关闭后，光伏发电系统就会给负载设备单独供电，也就出现了孤岛效应，此时对负载设备进行供电的电力系统的电压大小由流经负载的电流和负载的阻抗决定。由于锁相环的作用，对负载设备进行单独供电的电力系统中的电流和电压只会在过零点相同，在电力系统过零点时，实际的电流大小会由于原先的电力系统的电流而不发生变化，所以，对于阻抗较小的负载设备，在进行电力系统的并网后其电压的相位并不会发生变化，所以根据这一原理可采用相位突跳法来检测孤岛现象。这种对并网后的电力系统进行相位突跳检测的方法虽然方便快捷，但如果并网后的电力系统中的负载阻抗角趋于无穷小时，也就是说电力系统中的负载近似呈阻性时，阈值范围会超出实际的测量范围，相位突跳检测方法检测孤岛效应也就不再适用。

（二）电压谐波检测

当电力系统中并入光伏发电系统时，并网电力系统的输出电流谐波会在公共耦合点流入电网，由于电网的网络阻抗很小，因此并网后电压的总谐波畸变率通常较低，在电力系统从并网电力系统中断开时，并网电力系统所有的电流谐波会流入负载，导致了分离后的电力系统中负载的阻抗增加，造成公共耦合点的电压的谐波会呈指数倍增加，所以可以利用对并网后的电力系统的电压谐波进行检测，来判断连接负载设备的电力系统是否发生了孤岛效应。由于在并网后电力系统中非线性负载因素的原因，会造成电网中的谐波较大，在进行电压谐波的阈值范围检测时，其阈值范围不确定，所以，利用电压谐波检测孤岛效应也就有了局限性[3]。

三、有源檢测

（一）主动频率偏移

并网后电力系统中电流和电压的的频率和相位取决于PPL的公共点，通过改变并网电力系统中逆变器的电流频率，使得逆变器公共点的电压频率增加，达到实际的阈值范围后，再次调低逆变器公共点电压频率，从而确定在进行并网后发生孤岛效应时电力系统的电压频率。如果在进行公共点电压频率的测试时，并网电力系统的电流出现了半波，电压频率也没有过零点，这时应对并网后的电力系统中的电流进行调零，直到并网电力系统的电压周期能够到达零点，电流在整个的并网系统中呈现出半波趋势，所以，并网后的电力系统在正常工作时，公共点耦合点的电压会因电网钳制作用不会发生变化，在电力系统关闭并脱离并网系统时，公共耦合点的电压的大小会由电力系统中负载设备的阻抗决定，公共耦合点的频率会因电力系统中电流频率的改变而发生变化，其变化的阈值范围最终会被过频检测器或欠频检测器监测到，以此来判断并网系统是否发生了孤岛效应。

（二）输出功率扰动

输出功率扰动方法原理为控制光伏系统周期性地输出有功功率或无功功率扰动，如果电力系统关闭并从并网电力系统中脱离出来，对电力系统的输出功率进行扰动时，会使得电力系统中的电压大小和频率大小发改变，所以只需要对输出功率扰动后的电力系统的电压和频率大小的阈值单位进行测量后，与并网时的电压和频率大小的阈值范围进行对比，就可以判断电力系统是否发生了孤岛效应。对电力系统的输出功率进行扰动的方法判断孤岛现象，要求多台光伏系统同步进行，而光伏系统之间的同步需要通信才能实现，如果光伏系统之间的扰动发生误差，就会导致测量的失败。

（三）周期交替电流扰动

可以对并网系统的电流周期进行检测，利用电流扰动设备对周期电流进行扰动可以监测处电力系统是否发生孤岛效应，对于前一个的电压周期，在进行电流扰动时，正负半周的扰动电流对称，而且被扰动的电力系统的电流频率比电压频率要大。在利用周期交替电流扰动的方法检测电力系统的孤岛效应时，同样需要注意的是电流扰动器要同步进行，并在电流的正负半周的尾部进行调零，一旦电力系统中电压频率出现增大的趋势，电力系统中就发生了孤岛效应。如果去掉正负半周的电流区间，电力系统的电压频率变小，也是电力系统产生孤岛效应的判断条件之一。

总结：本文分析了孤岛状态产生的原理及其带来的负面效应，阐述了各种本地孤岛检测方法的工作原理，并就每种方法的 NDZ、适用范围、对系统电能质量

及暂态响应的影响等进行了论述。 如何在减少孤岛检测对系统影响的基础上， 实现高效检测并减小或消除 NDZ，将是今后研究的重点之一。

参考文献

[1]MINZUNO T， NODA Y， KOIZUMI H， et al. The experimental results of an islanding detection method for Japanese AC modules [C]//3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion， Osaka， Japan， 2003： 2058-2061.

[2] IEEE std 929-2000 IEEE recommended practice for utility interface of Photovoltaic （PV） Systems[S].

[3] 禹华军， 潘俊民. 并网发电逆变系统孤岛检测新方法的研究[J].