基于光伏并网逆变器的反孤岛效应控制策略特性分析

李满

【摘 要】在简述光伏并网系统的基本概念和反孤岛效应的机理的基础上，本文研究目前反孤岛效应的控制策略特性的方法，通过分析各类控制策略的优点和缺点，展望未来光伏并网逆变器孤岛效应控制策略发展趋势。

【关键词】光伏并网逆变器；反孤岛效应；控制策略

目前，光伏并网发电技术在世界范围内受到越来越多的重视，同时受到国家光伏优惠政策的鼓勵，光伏电站大规模并入国家电网。但在光伏发电系统并入国家电网后，电网和光伏发电站的接入点的调度呈现互相矛盾的现象，光伏并网发电系统存在的不连续性、频率不一致性、相位不同步等问题给电网的电能质量和稳定性造成极大的危害，使得研究高效率、高可靠性的光伏并网发电技术成为目前光伏发电技术研究的焦点。其中光伏并网发电系统中孤岛效应是影响电网的安全稳定运行的关键因素，因此快速、有效的孤岛控制策略是提高光伏并网发电安全的首要任务，而光伏并网逆变器是光伏发电系统的核心设备，研究光伏并网逆变器反孤岛控制策略成为重中之重。

一、光伏并网系统概况

光伏发电并网系统就是将光伏电池组件汇成的光伏阵列在阳光的直射下产生的直流电经过并网光伏逆变器转换成，输出与国家电网同频率、同相位的三相交流电，并接入公共电网的系统[1]。它主要由光伏组件、并网逆变器、箱变、继电保护设备等组成。光伏并网逆变器是光伏发电系统的关键元器件，研究光伏并网逆变器反孤岛控制策略是本文研究的重点，也是解决孤岛效应的关键。

二、孤岛效应及反孤岛效应控制策略

1.孤岛效应及反孤岛效应研究现状

所谓的孤岛就是当电网意外事故或停电而发生电网中断时，并网光伏发电系统不能及时有效监测出停电状态并及时、快速的脱离并网状态，继续发电并向电网注入电量，同时与负载形成电网无法控制的自供电现象。孤岛效应下电力调度无法有效的控制光伏并网发电系统，给整个电网带来安全危害，降低电网的工作效率[2]。主要危害表现以下几个方面在：

1）效率孤岛现象发生后，电力维修人员误以为供电系统己断电而接触运行线路，从而导致触电危险，危及人身安全；

2）孤岛效应可能会导致光伏发电系统的输出电压及其频率发生较大的波动，从而损坏与孤岛运行线路相连的负载用电设备；

3）孤岛后并网系统输出电压和电网电压存在相位差，当电网恢复供电时会产生很大的冲击电流，从而损坏发电装置以及负载，甚至会引起电网重复跳闸停电事故；

4）孤岛效应发生后导致故障无法清除，干扰发、配电系统上继电保护开关的关、断动作顺序等，造成电网事故。

因此为了避免孤岛现象，有效的控制电网的调度，在电网故障时，需要快速检测到孤岛现象的发生，并及时切断并网逆变器的输出，实现反孤岛控制，从而保护电网的安全性和稳定性。目前，针对并网逆变器的反孤岛策略主要有基于逆变器外部检测法、逆变器内部无源检测法以及逆变器内部有源检测法三大类，本文主要针对光伏并网逆变器本身进行分析研究。

2.基于光伏并网逆变器的被动式反孤岛控制策略分析

1）过/欠电压、过/欠频率反孤岛控制策略

当并网逆变器输出的三相交流电与电网频率、幅值不相符合时，逆变器能够快速响应，及时改变运行模式脱离电网从而实现反孤岛保护的控制策略。该策略基本原理简单，可以通过对并网点相关参数的检测进行判断，但是当负载和逆变器的输出功率匹配时，电网电压的频率变化小、幅值变化小，该控制策略就完全失效。

2）电压谐波检测反孤岛控制策略

该策略通过光伏发电系统注入国家电网的谐波进行判定是否出现孤岛，该策略成功率较高，同时也避免过多的高次、低次谐波进入电网从而保证了电能质量。但是由于系统的非线性特点，难以确定检测的出现孤岛现象后的谐波范围，无法有效的控制，因此应用较少。

3）相位突变检测反孤岛控制策略

通过检测逆变器输出电压和输出电流的相位差进行判断是否出现孤岛现象。该方法算法简单易行，只检测逆变器的输出和并网点的相位就可以判定，由于只检测并网点的参数，因此多适用于多台逆变器并联的系统，但是该方法判定检测的参数范围设定比较难以界定，使得在纯电阻负载系统下无法进行控制，极易造成误判。

4）关键电量变化率反孤岛控制策略

通过逆变器输出功率、输出频率的变化率进行系统的不稳定性判定，进而确定系统是否出现孤岛现象。

3.基于光伏并网逆变器的主动式反孤岛控制策略分析

主动式反孤岛策略通过外加微小扰动来对逆变器输出的电流进行周期性的扰动，在孤岛发生时被逆变器检测并不断的累加打破逆变器系统和负载之间的平衡，导致并网公共点参数发生变化，触发孤岛保护。目前主要针对频率、幅值、相位进行施加扰动，从而进行孤岛现象的检测[3]。

1）基于频率扰动的反孤岛控制策略

该策略通过在逆变器输出电流上施加周期性的扰动，并网时接入点的频率保持不变，电网停电时接入点电流受到畸变电流的影响，频率上升或下降至过/欠频保护，及时脱离电网从而实现孤岛保护。

目前主要有正反馈的主动频率偏移法、有源频率偏移法、滑膜频率偏移法、2N周期电流扰动法等。优点是实现简单，盲区减小，甚至实现无盲区检测。该方法的缺点是在引入外来干扰情况下降低了电能的质量。在多台逆变器并网过程中需要保持每台逆变器频率变化方向一致，否则会降低检测效率。

2）基于幅值扰动的反孤岛控制策略

基于幅值扰动的反孤岛策略主要是将逆变器输出的电流、电压、功率等注入周期性扰动，电网故障时可以引起电网的电流、电压、功率变化，引发过/欠电流、电压的保护，检测出孤岛现象的发生。

该方法控制简单、不影响电能质量，但存在多台逆变器并联使用时，扰动信号的附加会出现不同步，存在延时，导致检测的精度下降，可能会造成电网电压的闪变、电网不稳定性。目前主要由电压前馈正反馈扰动法、电流前馈正反馈扰动法、周期交流电流扰动法、主动电流扰动法、无功补偿法等控制策略。

3）基于相位扰动的反孤岛控制策略

基于相位扰动的反孤岛策略利用正反馈检测的原理，由于逆变器和电网的香味不可能存在理论上的绝对0相位误差，因此加入相位差值扰动在电网发生故障时注入的相位值不断累加，引发逆变器的输出电压与电网电压相位差大于系统并网可以承受的相位误差，来进行判断是否出现孤岛现象。

综上所述，被动式的反孤岛控制策略可以保证电网电能质量不会受到影响，适用于功率变动不大且与逆变器的输出不匹配的场合。主动式反孤岛策略可以做到减小甚至消除盲区，适用于输出电压波形质量要求不高，检测速度要求较快的场合，但会向电网引入谐波，电能质量受到影响。

三、结束语

本文研究现有的孤岛效应检测方法，分析其适应场合和存在一些问题，探讨其存在的有点和缺点。展望在未来的研究中需要深入研究不同的孤岛效应检测方法和控制策略，在相互兼顾的基础上考虑混合式的孤岛效应检测策略，及引入的新控制方法比如自适应控制、混沌控制、无差拍控制、模糊控制等，或者主动式和被动式反孤岛策略相结合的方法，提高孤岛效应控制策略，提高并网逆变器运行性能，进而提高电网质量和稳定性。

【参考文献】

[1]应戍狄. 光伏发电系统的单相并网逆变器研究[D].辽宁工业大学，2016.

[2]郑天云，霍成义，郑一超. 光伏发电反孤岛效应的方法研究[D].电气自动化，2014，36（5）：53-54.

[3]姚道如. 光伏并网逆变器反孤岛检测方法研究[J]. 安徽职业技术学院学报，2010，9（02）：20-23.