蔡志達

遼河油田電力集團公司檢修試驗工區(qū)

光伏并網發(fā)電系統中孤島現象的研究

蔡志達

遼河油田電力集團公司檢修試驗工區(qū)

本文主要對光伏并網發(fā)電系統中的孤島效應進行了研究，并對反孤島效應的方法進行分析，提出主動頻率偏移法和雙向頻率的主動頻率偏移法，并進行了比較和實驗驗證，實驗結果表明，雙向頻率的主動頻率偏移法更能縮小孤島效應檢測盲區(qū)并提高檢測的速度。

光伏并網；孤島效應；主動頻率偏移法；雙向頻率的主動頻率偏移法

引言

分布式能源并網發(fā)電的時候，公共電網由于人為斷電或者是由于故障斷電的時候，分布式能源將會繼續(xù)并網運行，導致公共電網部分負載依然處在接受供電的狀態(tài)，這種現象叫做孤島效應。因為太陽能發(fā)電系統和公共電網并聯運行的時候，公共電網很可能由于發(fā)生故障、設備修理以及操作錯誤等情況斷電，所以孤島效應可以說是太陽能并網發(fā)電時極易發(fā)生的問題。顧及到用電的安全和電能的質量，精確并且快速的發(fā)現孤島狀況是太陽能并網發(fā)電技術的重要課題[1]。

1 孤島效應的具體分析

圖1 太陽能并網發(fā)電結構

圖1是太陽能并網發(fā)電結構,在S閉合公共電網正常運行的情況下，公共電網以及太陽能并網發(fā)電系統共同給負載提供電能。然而在開關S打開，公共電網斷電的情況下，太陽能發(fā)電系統將會繼續(xù)給負載提供電能，這就會導致孤島效應[4]。孤島效應是分布式并網發(fā)電系統獨有的情況，其危害性非常大[2]：光伏發(fā)電系統的功率比較小，缺少了公共電網的支持，光伏發(fā)電系統提供的電能品質很難符合標準需求，直接導致輸出電能質量下降；很可能造成電力維修工作人員誤認為已經斷電，然后觸碰到孤島供電線路引發(fā)危險；在公共電網恢復供電的時候，因為相位的不同步而造成的沖擊電流會損壞設備；站在管理部門的角度，孤島效應屬于無法控制且極具隱患現象。

2 反孤島效應方法的分析

太陽能并網發(fā)電系統通常經由檢測輸出電壓的幅值改變、頻率以及相位的偏移等方式來判斷孤島效應。

通常孤島效應的檢測分成被動式檢測及主動式檢測。被動式孤島效應檢測方式就是通過公共電網停止工作時，并網逆變器的輸出電壓、頻率、相位或者諧波的改變來判斷孤島。其優(yōu)勢：原理比較簡單且易于實現。不足：當太陽能并網發(fā)電系統的輸出功率和局部的負載功率相等時，此方式就會失效。主動式孤島效應檢測方式就是控制并網逆變器，讓它的輸出功率、頻率或者相位產生擾動。在公共電網正常運行的時候，因為公共電網具有平衡能力將無法檢測到以上擾動。但是當公共電網停止工作的時候，并網逆變器所輸出的擾動會迅速的累積然后超過并網標準規(guī)定的范疇，進而觸發(fā)保護電路。此法優(yōu)勢：檢測精度非常高并且盲區(qū)比較小。不足：此法的控制比較復雜同時也降低了并網逆變器的輸出電能品質[5]。

2.1 被動式

被動式孤島檢測方式的原理是，在公共電網停止工作的時候，并網逆變器輸出電壓的相位以及諧波都會產生變化，所以通過對這些變化的檢測就能夠判斷出公共電網是否斷電。一般按照參數的不一樣分：

2.1.1 電壓頻率孤島效應檢測法

這種方式是檢測并網逆變器的輸出電壓和公共電網電壓以及頻率正常與否來判斷孤島狀況。當公共電網正常工作時，并網逆變器和公共電網連接處的電壓以及頻率不會發(fā)生變化;當公共電網停止運行時，倘若并網逆變器在和公共電網斷電之前輸出的功率以及負載不匹配，那么并網逆變器的輸出電壓以及頻率都會改變，進而系統判斷發(fā)生孤島狀況，觸發(fā)保護電路。然而如果并網逆變器的輸出功率和負載功率一致，就會由于光伏發(fā)電系統的電壓和頻率的改變太小而檢測不到。

2.1.2 相位偏移孤島效應檢測法

相位偏移檢測法是檢測逆變器的輸出電壓和電流的相位差的改變，以此來判斷孤島狀況。公共電網正常工作時，并網逆變器的輸出電流和公共電網電壓同頻同相;公共電網停止工作時，并網逆變器的輸出電流和電壓的相位差取決于控制電路，一旦相位的偏移超出規(guī)定，就代表公共電網故障，這時就要把太陽能發(fā)電系統和電網斷開。

2.1.3 電壓諧波孤島效應檢測法

電壓諧波檢測法是檢測逆變器輸出電壓的諧波含量，以此判斷孤島狀況，此法適合電流控制型逆變器。由于電流控制型逆變器的參考信號是公共電網的電壓，并網逆變器饋入公共電網的電能正常的時候，并網逆變器的輸出電壓諧波成分很少;但是公共電網故障的時候，因為缺少了公共電網支持，會導致逆變器的輸出電壓波形失真，然后這個波形再反饋給并網逆變器作為輸出電流的參考波型，這將會導致并網逆變器輸出電壓諧波含量大大增加，就能夠判斷孤島狀況。雖然此法有效，可是現實應用時適合的諧波觸發(fā)值很難確定。

2.2 主動式

逆變器并網運行時，主動式檢測就是使它的輸出具有周期性的擾動。當公共電網正常運行的時候，由于公共電網的平衡作用使得并網逆變器的輸出與公共電網同步;當公共電網斷電的時候，擾動量就會慢慢的累積一直到超出并網標準的規(guī)定，就可以判斷公共電網故障?，F階段常用的主動式孤島效應檢測法分為: 輸出功率變化測量法、滑動頻率移相法和主動頻率偏移法。

2.2.1 功率變化測量法

給并網逆變器輸出的有功功率施加一定擾動,由于公共電網的平衡作用，負載的功率不受其干擾,然而倘若公共電網斷電造成孤島效應,就能夠從負載側檢測到擾動。此法檢測盲區(qū)極小，然而顧及太陽能并網發(fā)電系統現實使用時容易受到陽光照射強度等因素干擾，系統太陽能組件的輸出功率一直都存在波動，其可看作給并網逆變器施加了有功功率擾動，會使太陽能陣列以及并網逆變系統的效率變低。

2.2.2 滑動頻率移相法

滑動頻率移相法和下面將要介紹的主動頻率偏移法的原理相似，區(qū)別是滑動頻率移相法是針對并網逆變器輸出電壓的相位施加擾動的。

2.2.3 主動頻率偏移法

當前常用的孤島效應檢測方式是主動頻率偏移法，主動頻率偏移法的工作原理：

a.光伏發(fā)電系統控制并網逆變器讓它輸出電壓的頻率和公共電網電壓的頻率產生一定的誤差△f。

b.在公共電網正常運行的情況下，因為鎖相環(huán)電路具有矯正功能，使得并網逆變器輸出電壓的頻率和公共電網電壓的頻率之間的誤差△f一直都在極小的范圍里。

c.在公共電網發(fā)生故障的情況下，并網逆變器的輸出電壓頻率finv就會產生改變，接下來的一工頻周期之內，光伏發(fā)電系統會將finv作為基準值，再累加已經給出的誤差，以此來控制輸出電壓頻率，這就加大了并網逆變器輸出電壓頻率和公共電網電壓的頻率之間的誤差。反復此過程，一直到并網逆變器輸出端電壓的頻率超過標準規(guī)定，便會觸發(fā)保護電路，使并網逆變器和公共電網斷開[3]。

圖2 主動頻率偏移法控制原理流程圖

其中公共電網電壓的頻率fgrid為50Hz，并網逆變器輸出端電壓的頻率用finv表示，控制系統所設定的頻率擾動量用△f表示。

圖3 主動頻率偏移法頻率擾動波形

圖2是主動頻率偏移法控制原理流程圖。圖3是主動頻率偏移法頻率擾動的波形?？v坐標表示電流，橫坐標表示時間。設置電壓等于零的時間段用tZ表示，tZ和基波控制信號1/2周期Tgrid之間的比叫做擾動信號（cf），即：

因為主動頻率偏移法中的擾動信號都是單方向給并網逆變器的輸出頻率施加擾動。一旦公共電網斷電的時候，受到負載性質影響并網逆變器輸出電壓的頻率改變方向也許會和cf反向，此種情況可能會造成并網逆變器的輸出頻率誤差值的累積時間過長進而使得孤島效應的檢測耗時隨之變長。甚至可能會在某種特殊狀況下，負載對于并網逆變器輸出頻率的平衡能力將擾動頻率抵消掉，導致出現漏判孤島的狀況[1]。

AFD和SMS是主動頻率檢測法，當局部電網包含多個分布式光伏并網發(fā)電系統的時候，依然可以檢測到孤島效應，然而RLC負載時，就可能由于諧振頻率的影響而導致漏判的情況。

2.2.4 主動頻率偏移法的不足

太陽能并網發(fā)電系統在正常運行狀態(tài)時見圖4。電網故障孤島產生時狀況見圖5。

圖4 公共電網正常運行

圖5 電網故障時功率流向圖

上述電路里面的負載是RLC并聯負載，所以在電網故障孤島產生的時候負載里面LC電抗為：

其中ωi表示孤島狀況產生的時候并網逆變器輸出電壓的角頻率。

負載里面的LC電抗也能表示成：

其中Pi表示系統輸出的有功功率；Qi表示系統輸出的無功功率。

由式(2)及(3)可知：

根據式(4)變型可以得出孤島狀況產生的時候并網逆變器輸出電壓的頻率函數如下：

從式（6）能夠看出：在孤島效應產生的時候，并網逆變器輸出電壓的頻率就取決于并網逆變器輸出的有功功率、無功功率還有負載的性質。若發(fā)電系統輸出的無功功率Qi是負的，則負載是容性的，那么孤島現象產生時并網逆變器輸出電壓的頻率就會降低；若發(fā)電系統輸出的無功功率Qi是正的，并網逆變器輸出電壓的頻率就會升高。

綜上所述：當孤島現象產生時，并網逆變器負載的性質會干擾并網逆變器輸出電壓的頻率。光伏并網發(fā)電系統選取AFD法檢測孤島，因為受到并網逆變器負載特性的影響，所以當cf方向一樣的時候，并網逆變器輸出的頻率將產生如下改變（設定cf=5%）：

（1）當阻性負載的時候，并網逆變器的輸出頻率改變方向將按照cf方向改變。

（2）當容性負載的時候，并網逆變器的輸出頻率比阻性負載的時候要低一些。

（3）當感性負載的時候，并網逆變器的輸出頻率比阻性負載的時候要高一些。

2.3 雙向頻率的主動頻率偏移法

要縮小孤島效應檢測盲區(qū)并提高檢測的速度，我們以主動頻率偏移法為基礎，提出改進的方法即雙向頻率的主動頻率偏移法(AFDBDF)。

AFDBDF就是在公共電網正常運行時，持續(xù)周期性的對并網逆變器輸出電壓施加正反雙向的頻率擾動，這就解決了負載對于單向頻率擾動產生平衡作用的問題，也就是說首先對頻率變化的趨勢做出判斷，然后再給出對應的擾動信號。雙向頻率主動頻率偏移法流程圖如圖6所示，加入了兩種不同向的擾動信號cf＝5%及cf/=-5%，并網逆變器和公共電網間輸出誤差是Δf及Δf/，然后對Δf及Δf/之間的大小做比較，在發(fā)生孤島情況的時候，以誤差值比較大的擾動信號作為基準，再施加正反饋，有式子：

cfn+1=cfn+Δcf （7）

其中Δcf表示反饋信號。這樣重復操作，并網逆變器輸出電壓的頻率變快，于是就可以在很短的時間里超過并網發(fā)電的標準規(guī)定范圍，進而觸發(fā)孤島保護電路，使斷電電網和并網逆變器斷開[1]。

圖6 雙向頻率的主動頻率偏移法孤島效應檢測方法流程圖

綜上所述，選用雙向頻率的主動頻率偏移法時，一旦孤島現象產生，無論何種負載，并網逆變器輸出電壓的頻率始終能夠產生明顯改變，進而解決了負載對單方向擾動信號的AFD存在影響的問題。光伏并網發(fā)電系統給誤差比較大的cf反復實現正反饋讓其誤差更大，這樣就大大減小孤島效應檢測盲區(qū)并且提高檢測功效。

3 實驗結果

當阻性負載時，并網逆變器由AFDBDF法控制所輸出電壓頻率變化的仿真波形見圖7。

圖7 電網正常運行時，孤島檢測仿真波形

圖8 雙向頻率的主動頻率偏移法下逆變器輸出頻率仿真波形

結果說明：

a. 控制系統先對比各擾動信號的擾動功效同時選取擾動的方向，這個過程要用2周期即0.04秒來完成；

b. 實施擾動信號正反饋，在14周期之后，并網逆變器的輸出頻率會超出50.5Hz(0.28秒)；

c. 要保證頻率誤差確實是孤島所導致的，按照IEEE Std.1547-2003的規(guī)定，并網逆變器必須持續(xù)運行6個工頻周期。若并網逆變器輸出電壓的頻率依然超出并網標準規(guī)定的范圍，那么光伏發(fā)電系統就會判斷發(fā)生了孤島情況。

綜上所述：光伏發(fā)電系統從公共電網斷電一直到檢測出孤島現象發(fā)生耗時0.40秒，這滿足并網標準的規(guī)定。

從仿真結果看：

（1）當公共電網正常運行的時候，擾動信號對于并網逆變器輸出電壓的頻率不產生任何干擾；

（2）當發(fā)生孤島現象的情況下，因為擾動信號的作用使得并網逆變器輸出電壓的頻率產生改變。當擾動信號cf=5%的時候，并網逆變器輸出電壓的頻率改變是0.13Hz，當擾動信號cf=-5%的時候，并網逆變器輸出電壓的頻率改變是0.05Hz，因為擾動信號是5%的時候并網逆變器輸出電壓的頻率誤差比較大一些，所以發(fā)電系統就選取了正的擾動信號作為擾動方向見圖8。

在非線性負載情況下的光伏發(fā)電系統的工作過程和以上所描述的過程非常類似。在感性負載情況下的并網逆變器輸出電壓的頻率改變如圖9所示。

在容性負載情況下并網逆變器輸出電壓的頻率改變如圖10所示。

圖9 雙向頻率的主動頻率偏移法下逆變器輸出頻率仿真波形

圖10 雙向頻率的主動頻率偏移法下逆變器輸出頻率仿真波形

由圖能夠發(fā)現，當孤島狀況產生時，并網逆變器輸出電壓的頻率改變的大小以及方向不一樣，必須按照頻率的改變來選取合適的擾動信號做后面的正反饋，具體見表1。

表1 檢測孤島時各種負載性質下的仿真數據

4 結語

和主動頻率偏移法比較，雙向頻率的主動頻率偏移檢測法因為選取了雙向的cf，就解決了負載對于單向cf具有平衡作用的問題，加大了并網逆變器的輸出頻率的變化量。然后重復這個過程，這樣就提高了檢測速率，得到很好的檢測功效。

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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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