光伏发电并网系统孤岛检测的研究

朱亮亮

摘 要：伴随国家能源政策的调整，光伏发电产业和技术都有了长足发展，光伏发电并网系统随之出现。作为光伏发电并网系统中最关键技術之一的孤岛检测技术，一直以来都是一个研究热点，国内外专家学者针对该技术的研究取得了非常不错的成果。本文结合国内外光伏发电系统实际情况，对现有孤岛检测技术进行研究和比较，旨在给出一些应对建议。

关键词：光伏发电 孤岛检测

Research on Islanding Detection of Photovoltaic Power Generation Grid-connected System

Zhu Liangliang

Abstract：With the adjustment of the national energy policy， the photovoltaic power generation industry and technology have made great progress， and photovoltaic power generation grid-connected systems have emerged. As one of the most critical technologies in photovoltaic power generation grid-connected systems， island detection technology has always been a research hotspot， and domestic and foreign experts and scholars have achieved very good results in the research of this technology. Based on the actual situation of photovoltaic power generation systems at home and abroad， this paper conducts research and comparison of existing islanding detection technologies， and aims to give some countermeasures.

Key words：photovoltaic power generation， island detection

光伏发电作为一种典型的可再生能源发电技术，依靠国家的大力支持和可灵活布置等优势，在近些年实现了飞速发展。在太阳能资源丰富的地区，供电系统中光伏发电所占比例已实现逐年递增，根据研究显示这一比例在未来还会持续增长。随着光伏发电系统大规模并网，系统安全稳定问题也随之而来。

孤岛现象是由于光伏发电装置等分布式电源大规模接入负荷侧所带来的电网运行问题，它是由于自然或人为原本因造成电网某一供电区域失去系统电源时，由该区域接入的分布式电源继续向负荷供电，进而形成一个独立且不可控的自给式区域供电系统。孤岛现象会对威胁到整个配电系统设备及用户端的设备正常运行，包括危害设备检修人员的生命安全，影响保护开关动作，破坏供电系统及用电设备等。如何快速、有效检测出孤岛效应，是近年来分布式光伏发电系统的重要研究课题，本文将对现有孤岛检测技术进行研究和比较，旨在给出一些应对建议。

现阶段，按照技术手段可以将孤岛检测的方法分为三种：被动检测法、主动检测法和现代远程监控检测法。

1 孤岛效应被动检测法

当系统处于孤岛状态时，通常会发生一些参数的非正常改变。被动式孤岛检测法就是实时检测公共连接点处的一些电信号的异常变化。共有四种方法：

1.1 过/欠频率（OUF）和过/欠电压（OUV）检测法

在孤岛现象发生时，如果光伏发电装置的输出功率与本地负载的功率需求不匹配时，系统中的频率和电压数值会产生偏离。控制器对公共连接点处的当频率和电压信号实时采样，发现异常后，切断逆变器输出。该方法优点是仅利用控制器的采样功能进行孤岛检测而不需要增加额外的保护电路。该方法的缺点在于当功率接近平衡或平衡时，频率、电压信号变化不明显，检测不够准确，这也是被动检测的通病。

1.2 电压相位突变检测法（PJD）

正常运行时，逆变器的输出电流和电网电压同频、同相，没有相位偏移，但孤岛现象发生时，公共连接点处电压与逆变器输出电流之间会产生瞬时的相位偏移，控制器发现偏移后切断逆变器输出，此方法理论上可行，但有偏移过小难以检测、难以确定动作阈值、针对纯阻性负载系统无效等明显的问题。

1.3 谐波检测法（HD）

电网断电后，检测公共连接点处电压的谐波失真度，判断失真度是否增大并超过了5%的阈值，就能知道是否存在孤岛现象。该方法理论上可行。但实际运行过程中，不同类型负载导致的电压谐波失真度差异巨大，该方法也难以确定动作阈值，很少单独使用。

1.4 被动式检测方法比较

综上所述，三种检测方法存在各自特点，在不同的场景，能各自发挥优势。在此对这三种方法进行综合性分析，下表1是对这三种被动式检测方法的对比。

2 孤岛效应主动式检测方法

主动式检测方法，是指通过控制逆变器，使逆变器输出功率、频率或相位存在一定正常情况下无法被检测的扰动。当孤岛现象发生后，失去电网平衡作用的扰动会累积变大，从而被检测到。

主动检测方法精度高，非检测区小，且能够自动检测，但是技术要求高，还会降低逆变器输出电能质量。目前的主动检测方法主要有以下几种：

2.1 频率偏移法

它是通过主动的频率偏移尝试干扰系统运行频率，进而判断是否发生了孤岛现象。频率偏移法可分为以下几种方法。

2.1.1 主动频移法（ADF）

在检测到逆变器输出电流变化后，電网会自动发出零序电流分量来促使电网频率进行偏移。在孤岛状态下，频率会发生明显变化。利用这一方法进行精准检测时，需要提高LC负载的品质因数，这样才能避免检测盲区，进而提高检测灵敏度。

2.1.2 滑动模式频率偏移法（SMS）

它是利用在公共接入点位置施加正反馈，促使逆变器相位产生偏移。孤岛现象时，公共连接点的电压频率发生改变，相位偏移增大，导致频率变化进一步增大，系统检测到孤岛现象。

2.1.3 Sandia频移法（SFS）

这种方法是主动频移法的改进，基本原理是在公共连接点施加正反馈，这会带来电压频率的偏移，进而检测到孤岛现象。

2.1.4 结合脉动斩波因数的主动式频移法（AFDPCF）

这种检测方法的提出基于斩波因数，通过形成交替的脉冲，促使发生频率偏移，进而检测到孤岛现象。

2.1.5 GE频移法（GEFS）

通过施加设计好的正反馈，增大无功功率，当存在孤岛现象时，无功功率进一步变化，会导致频率发生异常，进而检测到孤岛现象。

2.1.6 无功功率变化（RPV）

通过加入谐波信号来扰动无功电流，利用扰动变量来调整电压频率，进而检测孤岛现象。但无功电流变化困难，该办法很难实现。

2.2 电压漂移法

施加电压正反馈，电网断电时，公共连接点的电压下降，会导致逆变器输出电压与输出功率下降，孤岛现象时，电压值持续下降，系统检测到孤岛现象。

2.3 电网阻抗估算法

其基本原理就是通过扰动来观察电网阻抗值，进而判断孤岛问题。主要操作是注入和提取谐波电流与谐波电压，操作相对简单，但是必须保证在谐波发生装置与电流控制器之间的信号不相互干扰。

2.4 现代远程监控检测法

利用网络数据采集与监视控制系统、电力线路载波通信等远程通讯手段，监控公共连接点处开关的运行状态，直接判断是否发生孤岛现象。配电开关动作时，信号发送装置将开关状态信号发送至光伏控制器内的信号接收装置，控制器根据公共连接点处开关的状态控制逆变器的启、停。远程监控检测虽大大提高了提高检测的效率，但成本较高，是将来的发展方向。

2.5 主动式检测法比较

在本文的研究过程中，对多种不同的主动式检测法进行了比对，具体如表2所示[1]。

3 孤岛检测方法的改进和优化

从以上对比分析中可以得出，各类孤岛检测方法拥有各自的优势，也存在明显的不足之处。在此，我提出使用，这种检测方法在主动频率偏移法的基础上，再进行频率与耦合点的正反馈来检测孤岛现象，该方法基本原理是：在出现孤岛现象时，耦合点处的电压频率会出现一定偏移，这种偏移能够被迅速捕捉，进而判断是否产生孤岛现象。

4 结语

本文的重点是进行孤岛检测技术研究，在对常见的几种孤岛检测方法进行比对分析之后，提出了施加正反馈的主动频率偏移法，经过仿真试验后，发现这种方法能够较好的满足孤岛效应检测需要。

参考文献：

[1]张玉亮.光伏发电系统最大功率的跟踪和孤岛检测技术研究[D].河北科技大学，2019.

[2]王同文.光伏发电系统非计划孤岛问题的研究[J].电力系统保护与控制，2020年，48（5）.

[3]焦丹.光伏发电系统的最大功率点跟踪及孤岛检测的研究[D].哈尔滨理工大学，2015.

[4]孙鹏伟，等.光伏电站进孤岛后系统稳定性风险量化评估[J]. 电力工程技术， 2018，37（6），93-97.