光伏并网发电系统中孤岛现象的研究

蔡志达

辽河油田电力集团公司检修试验工区

光伏并网发电系统中孤岛现象的研究

蔡志达

辽河油田电力集团公司检修试验工区

本文主要对光伏并网发电系统中的孤岛效应进行了研究，并对反孤岛效应的方法进行分析，提出主动频率偏移法和双向频率的主动频率偏移法，并进行了比较和实验验证，实验结果表明，双向频率的主动频率偏移法更能缩小孤岛效应检测盲区并提高检测的速度。

光伏并网；孤岛效应；主动频率偏移法；双向频率的主动频率偏移法

引言

分布式能源并网发电的时候，公共电网由于人为断电或者是由于故障断电的时候，分布式能源将会继续并网运行，导致公共电网部分负载依然处在接受供电的状态，这种现象叫做孤岛效应。因为太阳能发电系统和公共电网并联运行的时候，公共电网很可能由于发生故障、设备修理以及操作错误等情况断电，所以孤岛效应可以说是太阳能并网发电时极易发生的问题。顾及到用电的安全和电能的质量，精确并且快速的发现孤岛状况是太阳能并网发电技术的重要课题[1]。

1 孤岛效应的具体分析

图1 太阳能并网发电结构

图1是太阳能并网发电结构,在S闭合公共电网正常运行的情况下，公共电网以及太阳能并网发电系统共同给负载提供电能。然而在开关S打开，公共电网断电的情况下，太阳能发电系统将会继续给负载提供电能，这就会导致孤岛效应[4]。孤岛效应是分布式并网发电系统独有的情况，其危害性非常大[2]：光伏发电系统的功率比较小，缺少了公共电网的支持，光伏发电系统提供的电能品质很难符合标准需求，直接导致输出电能质量下降；很可能造成电力维修工作人员误认为已经断电，然后触碰到孤岛供电线路引发危险；在公共电网恢复供电的时候，因为相位的不同步而造成的冲击电流会损坏设备；站在管理部门的角度，孤岛效应属于无法控制且极具隐患现象。

2 反孤岛效应方法的分析

太阳能并网发电系统通常经由检测输出电压的幅值改变、频率以及相位的偏移等方式来判断孤岛效应。

通常孤岛效应的检测分成被动式检测及主动式检测。被动式孤岛效应检测方式就是通过公共电网停止工作时，并网逆变器的输出电压、频率、相位或者谐波的改变来判断孤岛。其优势：原理比较简单且易于实现。不足：当太阳能并网发电系统的输出功率和局部的负载功率相等时，此方式就会失效。主动式孤岛效应检测方式就是控制并网逆变器，让它的输出功率、频率或者相位产生扰动。在公共电网正常运行的时候，因为公共电网具有平衡能力将无法检测到以上扰动。但是当公共电网停止工作的时候，并网逆变器所输出的扰动会迅速的累积然后超过并网标准规定的范畴，进而触发保护电路。此法优势：检测精度非常高并且盲区比较小。不足：此法的控制比较复杂同时也降低了并网逆变器的输出电能品质[5]。

2.1 被动式

被动式孤岛检测方式的原理是，在公共电网停止工作的时候，并网逆变器输出电压的相位以及谐波都会产生变化，所以通过对这些变化的检测就能够判断出公共电网是否断电。一般按照参数的不一样分：

2.1.1 电压频率孤岛效应检测法

这种方式是检测并网逆变器的输出电压和公共电网电压以及频率正常与否来判断孤岛状况。当公共电网正常工作时，并网逆变器和公共电网连接处的电压以及频率不会发生变化;当公共电网停止运行时，倘若并网逆变器在和公共电网断电之前输出的功率以及负载不匹配，那么并网逆变器的输出电压以及频率都会改变，进而系统判断发生孤岛状况，触发保护电路。然而如果并网逆变器的输出功率和负载功率一致，就会由于光伏发电系统的电压和频率的改变太小而检测不到。

2.1.2 相位偏移孤岛效应检测法

相位偏移检测法是检测逆变器的输出电压和电流的相位差的改变，以此来判断孤岛状况。公共电网正常工作时，并网逆变器的输出电流和公共电网电压同频同相;公共电网停止工作时，并网逆变器的输出电流和电压的相位差取决于控制电路，一旦相位的偏移超出规定，就代表公共电网故障，这时就要把太阳能发电系统和电网断开。

2.1.3 电压谐波孤岛效应检测法

电压谐波检测法是检测逆变器输出电压的谐波含量，以此判断孤岛状况，此法适合电流控制型逆变器。由于电流控制型逆变器的参考信号是公共电网的电压，并网逆变器馈入公共电网的电能正常的时候，并网逆变器的输出电压谐波成分很少;但是公共电网故障的时候，因为缺少了公共电网支持，会导致逆变器的输出电压波形失真，然后这个波形再反馈给并网逆变器作为输出电流的参考波型，这将会导致并网逆变器输出电压谐波含量大大增加，就能够判断孤岛状况。虽然此法有效，可是现实应用时适合的谐波触发值很难确定。

2.2 主动式

逆变器并网运行时，主动式检测就是使它的输出具有周期性的扰动。当公共电网正常运行的时候，由于公共电网的平衡作用使得并网逆变器的输出与公共电网同步;当公共电网断电的时候，扰动量就会慢慢的累积一直到超出并网标准的规定，就可以判断公共电网故障。现阶段常用的主动式孤岛效应检测法分为: 输出功率变化测量法、滑动频率移相法和主动频率偏移法。

2.2.1 功率变化测量法

给并网逆变器输出的有功功率施加一定扰动,由于公共电网的平衡作用，负载的功率不受其干扰,然而倘若公共电网断电造成孤岛效应,就能够从负载侧检测到扰动。此法检测盲区极小，然而顾及太阳能并网发电系统现实使用时容易受到阳光照射强度等因素干扰，系统太阳能组件的输出功率一直都存在波动，其可看作给并网逆变器施加了有功功率扰动，会使太阳能阵列以及并网逆变系统的效率变低。

2.2.2 滑动频率移相法

滑动频率移相法和下面将要介绍的主动频率偏移法的原理相似，区别是滑动频率移相法是针对并网逆变器输出电压的相位施加扰动的。

2.2.3 主动频率偏移法

当前常用的孤岛效应检测方式是主动频率偏移法，主动频率偏移法的工作原理：

a.光伏发电系统控制并网逆变器让它输出电压的频率和公共电网电压的频率产生一定的误差△f。

b.在公共电网正常运行的情况下，因为锁相环电路具有矫正功能，使得并网逆变器输出电压的频率和公共电网电压的频率之间的误差△f一直都在极小的范围里。

c.在公共电网发生故障的情况下，并网逆变器的输出电压频率finv就会产生改变，接下来的一工频周期之内，光伏发电系统会将finv作为基准值，再累加已经给出的误差，以此来控制输出电压频率，这就加大了并网逆变器输出电压频率和公共电网电压的频率之间的误差。反复此过程，一直到并网逆变器输出端电压的频率超过标准规定，便会触发保护电路，使并网逆变器和公共电网断开[3]。

图2 主动频率偏移法控制原理流程图

其中公共电网电压的频率fgrid为50Hz，并网逆变器输出端电压的频率用finv表示，控制系统所设定的频率扰动量用△f表示。

图3 主动频率偏移法频率扰动波形

图2是主动频率偏移法控制原理流程图。图3是主动频率偏移法频率扰动的波形。纵坐标表示电流，横坐标表示时间。设置电压等于零的时间段用tZ表示，tZ和基波控制信号1/2周期Tgrid之间的比叫做扰动信号（cf），即：

因为主动频率偏移法中的扰动信号都是单方向给并网逆变器的输出频率施加扰动。一旦公共电网断电的时候，受到负载性质影响并网逆变器输出电压的频率改变方向也许会和cf反向，此种情况可能会造成并网逆变器的输出频率误差值的累积时间过长进而使得孤岛效应的检测耗时随之变长。甚至可能会在某种特殊状况下，负载对于并网逆变器输出频率的平衡能力将扰动频率抵消掉，导致出现漏判孤岛的状况[1]。

AFD和SMS是主动频率检测法，当局部电网包含多个分布式光伏并网发电系统的时候，依然可以检测到孤岛效应，然而RLC负载时，就可能由于谐振频率的影响而导致漏判的情况。

2.2.4 主动频率偏移法的不足

太阳能并网发电系统在正常运行状态时见图4。电网故障孤岛产生时状况见图5。

图4 公共电网正常运行

图5 电网故障时功率流向图

上述电路里面的负载是RLC并联负载，所以在电网故障孤岛产生的时候负载里面LC电抗为：

其中ωi表示孤岛状况产生的时候并网逆变器输出电压的角频率。

负载里面的LC电抗也能表示成：

其中Pi表示系统输出的有功功率；Qi表示系统输出的无功功率。

由式(2)及(3)可知：

根据式(4)变型可以得出孤岛状况产生的时候并网逆变器输出电压的频率函数如下：

从式（6）能够看出：在孤岛效应产生的时候，并网逆变器输出电压的频率就取决于并网逆变器输出的有功功率、无功功率还有负载的性质。若发电系统输出的无功功率Qi是负的，则负载是容性的，那么孤岛现象产生时并网逆变器输出电压的频率就会降低；若发电系统输出的无功功率Qi是正的，并网逆变器输出电压的频率就会升高。

综上所述：当孤岛现象产生时，并网逆变器负载的性质会干扰并网逆变器输出电压的频率。光伏并网发电系统选取AFD法检测孤岛，因为受到并网逆变器负载特性的影响，所以当cf方向一样的时候，并网逆变器输出的频率将产生如下改变（设定cf=5%）：

（1）当阻性负载的时候，并网逆变器的输出频率改变方向将按照cf方向改变。

（2）当容性负载的时候，并网逆变器的输出频率比阻性负载的时候要低一些。

（3）当感性负载的时候，并网逆变器的输出频率比阻性负载的时候要高一些。

2.3 双向频率的主动频率偏移法

要缩小孤岛效应检测盲区并提高检测的速度，我们以主动频率偏移法为基础，提出改进的方法即双向频率的主动频率偏移法(AFDBDF)。

AFDBDF就是在公共电网正常运行时，持续周期性的对并网逆变器输出电压施加正反双向的频率扰动，这就解决了负载对于单向频率扰动产生平衡作用的问题，也就是说首先对频率变化的趋势做出判断，然后再给出对应的扰动信号。双向频率主动频率偏移法流程图如图6所示，加入了两种不同向的扰动信号cf＝5%及cf/=-5%，并网逆变器和公共电网间输出误差是Δf及Δf/，然后对Δf及Δf/之间的大小做比较，在发生孤岛情况的时候，以误差值比较大的扰动信号作为基准，再施加正反馈，有式子：

cfn+1=cfn+Δcf （7）

其中Δcf表示反馈信号。这样重复操作，并网逆变器输出电压的频率变快，于是就可以在很短的时间里超过并网发电的标准规定范围，进而触发孤岛保护电路，使断电电网和并网逆变器断开[1]。

图6 双向频率的主动频率偏移法孤岛效应检测方法流程图

综上所述，选用双向频率的主动频率偏移法时，一旦孤岛现象产生，无论何种负载，并网逆变器输出电压的频率始终能够产生明显改变，进而解决了负载对单方向扰动信号的AFD存在影响的问题。光伏并网发电系统给误差比较大的cf反复实现正反馈让其误差更大，这样就大大减小孤岛效应检测盲区并且提高检测功效。

3 实验结果

当阻性负载时，并网逆变器由AFDBDF法控制所输出电压频率变化的仿真波形见图7。

图7 电网正常运行时，孤岛检测仿真波形

图8 双向频率的主动频率偏移法下逆变器输出频率仿真波形

结果说明：

a. 控制系统先对比各扰动信号的扰动功效同时选取扰动的方向，这个过程要用2周期即0.04秒来完成；

b. 实施扰动信号正反馈，在14周期之后，并网逆变器的输出频率会超出50.5Hz(0.28秒)；

c. 要保证频率误差确实是孤岛所导致的，按照IEEE Std.1547-2003的规定，并网逆变器必须持续运行6个工频周期。若并网逆变器输出电压的频率依然超出并网标准规定的范围，那么光伏发电系统就会判断发生了孤岛情况。

综上所述：光伏发电系统从公共电网断电一直到检测出孤岛现象发生耗时0.40秒，这满足并网标准的规定。

从仿真结果看：

（1）当公共电网正常运行的时候，扰动信号对于并网逆变器输出电压的频率不产生任何干扰；

（2）当发生孤岛现象的情况下，因为扰动信号的作用使得并网逆变器输出电压的频率产生改变。当扰动信号cf=5%的时候，并网逆变器输出电压的频率改变是0.13Hz，当扰动信号cf=-5%的时候，并网逆变器输出电压的频率改变是0.05Hz，因为扰动信号是5%的时候并网逆变器输出电压的频率误差比较大一些，所以发电系统就选取了正的扰动信号作为扰动方向见图8。

在非线性负载情况下的光伏发电系统的工作过程和以上所描述的过程非常类似。在感性负载情况下的并网逆变器输出电压的频率改变如图9所示。

在容性负载情况下并网逆变器输出电压的频率改变如图10所示。

图9 双向频率的主动频率偏移法下逆变器输出频率仿真波形

图10 双向频率的主动频率偏移法下逆变器输出频率仿真波形

由图能够发现，当孤岛状况产生时，并网逆变器输出电压的频率改变的大小以及方向不一样，必须按照频率的改变来选取合适的扰动信号做后面的正反馈，具体见表1。

表1 检测孤岛时各种负载性质下的仿真数据

4 结语

和主动频率偏移法比较，双向频率的主动频率偏移检测法因为选取了双向的cf，就解决了负载对于单向cf具有平衡作用的问题，加大了并网逆变器的输出频率的变化量。然后重复这个过程，这样就提高了检测速率，得到很好的检测功效。

[1]杨丽.基于DSP的太阳能光伏并网发电 系统的研究.硕士论文，2008，11(01).

[2]Szwoda＆Revieowf the third generatio n sola r cells[J].semiconduMcatogr azine,2008 ， 16(1)：53-55.

[3]邱晓燕，刘天琪编著.硅太阳能电池及 其应用[M].中国电力出版社，2004(8):13-23.

[4]李代广.太阳能揭秘[J].化学工业出版社，2009，6(01)：52-57.

THE RESEARC OF ISLAND PHENOMENON IN PHOTOVOLTAIC (PV) GRID POWER SYSTEM

this paper mainlyf or photovolta(ipc v) grid generatiosn ystem of island effect are studie d,and the methodo f inversei sland effect, the article analyzest he active frequencyo ffset methoda nd two-way frequency of active frequencoy ffset methoda, nd comparets hem and experimentt, he experimentrael sults show that the active two-way frequencyc arrier frequency offset methodc an more narrowi sland effect detection and improve the speed of blind detection.

photovolta(ipc v) grid, Island effect. Active frequencyo ffset methodB, i-directionafrl equency of active frequency offset method

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.11.012

TM615

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