光伏并网系统孤岛效应的研究

2013-08-22王可辉公茂法苏彦平刘丙乾李正光

科技视界 2013年26期

关键词：孤岛电网效应

王可辉公茂法苏彦平刘丙乾李正光

（山东科技大学，山东青岛 265900）

0 前言

在追求低碳社会的今天，太阳能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，光伏产业如雨后春笋般异军突起。国内外太阳能发电并入电网的报道屡见不鲜，在光伏并网过程中，孤岛效应问题已成为影响电能质量、稳定、安全的关键。

1 孤岛效应的定义与危害

所谓孤岛效应[1]是指当电网因电气故障、自然因数或者误操作而发生停电中断时，各用户端的光伏发电系统没有及时检测出停电状态并脱离市电网络，而是继续保持向电网输送电能，同时与负载形成独立的公共电网无法控制的自给自足的供电孤岛。

孤岛效应不仅给整个电网带来安全隐患，同时会降低整个光伏并网发电系统的工作效率，其主要影响表现在以下几个方面[2]：

1.1 当维修人员对正在对系统进行检修时，孤岛现象发生，由于光伏并网系统继续保持给负载供电，因此会危害维修人员的人身安全。

1.2 孤岛效应可能导致接地、相间短路等故障不能及时清除，从而导致电网设备的损害，干扰电网正常供电系统的自动或手动恢复。

1.3 当孤岛系统与市电电网恢复正常时，一方面，断路器等装置会因为光伏并网发电系统与电网发生不同步而损坏，另一方面，在并网恢复瞬间，因电压相位不同产生很强的冲击电流，损坏相关设备。

1.4 单相光伏并网发电系统可能会因孤岛效应的原因对三相负载进行供电，造成三相负载缺相运行，从而造成三相负载设备损害。

由上可知，当电网电气故障或者供电中断时，孤岛效应将会对整个电力系统中的各级用户和设备造成损害。所以，在光伏并网系统中必须装设具有反孤岛保护功能的装置，目的是实时检测孤岛效应并及时将光伏并网发电系统与电网进行切断。

2 孤岛效应的发生机理与条件

并网光伏发电系统的功率流图如图1所示。当电网运行正常，假设逆变器工作于单位功率因数正弦波模式下，负载采用并联RLC电路来模拟，并假设P、Q为光伏系统向负载提供的有功功率、无功功率；ΔP、ΔQ分别代表电网向负载提供的有功功率和无功功率；Pload为负载吸收的有功功率，Qload为负载吸收的无功功率。

图1 光伏并网发电系统功率流图

公共节点（PCC）处的功率，由能量守恒定律可以由以下公式表示：

依据孤岛效应发生时，整个系统的电压和频率均会发生大规模的波动，此时对系统电压或者频率进行检测便可以检测到孤岛效应。但在光伏系统提供的功率等于负载需要的功率时，即P=Pload，Q=Qload情况下，公共节点（PCC）处电压和频率变化波动都很小，难以通过系统检测来判断孤岛效应的发生。

孤岛效应形成后，逆变器控制系统负责监控公共节点（PCC）处电压瞬时值ua，逆变器为了保证输出端电压ua与电流iinv的同步，将驱使iinv改变频率，直到ua与iinv之间相位差为0，使iinv频率到达稳态值f0（负载谐振频率）。

电网故障后的无功功率平衡关系用相位的平衡关系来描述表示为：

其中，θinv为逆变器输出电流超前端电压的相位角，φload为负载的阻抗角。

对于选取RLC并联负载的系统中，负载阻抗角可表示为：

从上面的分析可知，光伏并网发电系统孤岛效应产生的必要条件是：

1）负载吸收的有功功率与光伏系统提供的有功功率相匹配；

2）负载吸收无功功率与光伏系统提供的无功功率相匹配，即满足相位平衡关系：

3 孤岛效应检测方法

孤岛效应检测方法主要有两种，基于通信的反孤岛检测方案[3]与局部反孤岛检测方案[3]。本文主要研究局部反孤岛策略。

3.1 被动式孤岛检测

3.1.1 过、欠电压反孤岛方案[4]（OVP/UVP）

过、欠电压反孤岛方案是指，当并网逆变器控制系统检测出PCC处的电压幅值超过正常范围U1(光伏并网系统输出的电压最大值)、U2(电压最小值)，通过控制命令断开与逆变器与市网的连接，从而实现反孤岛的一种被动式检测方法。当电网运行正常运行状态时，市网的输出功率是ΔP+jΔQ，逆变器输出功率是P+j Q，负载的功率是Pload＋j Qload；当断路器断开时，ΔP≠0，因负载吸收有功功率与逆变器输出的有功功率不匹配，PCC处电压幅值将会改变，如果偏移量很大，证明发生孤岛效应，从而系统从电网中断开有效的防治孤岛发生。

3.1.2 过、欠频率反孤岛效应方案[5]（OFP/UFP）

当光伏并网逆变器控制系统检测出PCC处的电压频率不在正常的频率范围内时，立即停止逆变器并网工作，这种反孤岛效应方案称之为过、欠频率反孤岛效应方案。假设正常工作的频率范围为f1、f2，f1、f2分别为电网正常工作的频率上、下限值。IEEE Std1547-2003标准规定[6]：当标准电网频率 f0=60Hz时，f1=59.3Hz、f2=60.5Hz。我国标准电网的频率是f0=50Hz，同理根据比例计算出电网频率正常范围的上下限为f1=49.4Hz、f2=50.4Hz。在图2中，当电网正常运行时，电网决定公共耦合点处的电压频率，只要电网不发生电气故障或维修中断，就不会出现频率波动。当电网断开时，如果ΔQ≠0，公共节点PCC处电压频率就会发生变化，如果偏移量超出正常范围，证明孤岛效应发生，从而系统发生保护动作。

优缺点：

过/欠电压、过/欠频率孤岛检测法成本低，但是可作用的范围广，既可以检测孤岛效应还可以保护用户设备，有利于并网光伏逆变器的并网。它作为被动式的检测方法，对电网电能的质量影响很小。缺点是这种检测方法的非检测区比较大。

3.2 主动式孤岛检测

3.2.1 主动频移反孤岛方法——AFD方案

主动频移反孤岛方法是主动式反孤岛方案中的一种，其原理是通过逆变系统向市网注入略有所畸变的扰动电流，形成一个频率连续改变的趋势，当光伏并网系统与市网正常连接时，频率是不会改变的；当分离后，并网逆变器输出端电压频率将会被迫发生偏移，由此确定孤岛效应的发生。

优缺点：

操作简单，比被动式检测方式的非检测区更小。缺点是降低了并网逆变器输出的电能的质量，容易对非连续的电流波形产生射频干扰，并且负载的阻抗特性可能阻止频率偏移，使孤岛检测失败。

3.2.2 主动电流干扰法

采用此种方法检测孤岛效应时，逆变器输出的电流幅值在逆变器控制系统的作用下发生周期性的改变，同时也改变了逆变器输出的有功功率P。因此，当电网电气故障或者中断时，负载吸收的有功功率与逆变器输出的有功功率将会不匹配，当PCC点的电流超出过、欠电压保护阈值时，就可以检测出孤岛效应。

优缺点：

采用电流干扰的方案在负载功率完全匹配时也不存在不可检测区，并网运行时不会向电网注入谐波。缺点是多台并网运行时，必须同步进行电流干扰，否则各扰动量会相互抵消而产生稀释效应，进入不可检测区，此外光伏电池输出的功率随光照强度而波动，人为加入的电流扰动会对并网光伏系统的输出效率产生影响。孤岛检测的阀值也很难选取。

3.2.3 阻抗测量法

在光伏并网发电系统与电网连接时，公共耦合点处的阻抗比较小;当电网与并网系统断开时，公共耦合点处的负载阻抗一般情况均都大于连接时的阻抗。因此，通过测量公共耦合点电路阻抗的变化范围,就可实现孤岛效应的检测。

优缺点：

总体来看，阻抗测量法虽然可以很好地检测孤岛的发生，但是持续扰动会影响电网质量；对于弱电网或电网本身扰动较大的情况，很难实现电网阻抗检测；多个并网逆变器并联运行时，检测信号会相互干扰，使阻抗估算错误。