光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島技術(shù)

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，反孤島技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展。國內(nèi)外的研究者們提出了各種各樣的反孤島技術(shù)，這些技術(shù)主要可以分為三大類:外部孤島檢測技術(shù)(Remotetechniques，主動(dòng)孤島檢測技術(shù)(Active techniques，和被動(dòng)孤島檢測技術(shù)(Passivetechniques，其中主動(dòng)孤島檢測技術(shù)和被動(dòng)孤島檢測技術(shù)又統(tǒng)稱為內(nèi)部孤島檢測技術(shù) (Local techniques)。

外部孤島檢測技術(shù)是檢測電網(wǎng)端的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，這種技術(shù)可靠性高，盲區(qū)很小，但是成本高，對于小型光伏發(fā)電系統(tǒng)并不適應(yīng)。另外，外部孤島檢測技術(shù)需要依賴電網(wǎng)與逆變器的通信，這就需要裝置信號發(fā)生器和信號接收器，然而在電網(wǎng)端安裝設(shè)備的審批和手續(xù)很繁瑣。主動(dòng)孤島檢測技術(shù)對電網(wǎng)施加擾動(dòng)，成本低，可以有效減小盲區(qū)，但是擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電能質(zhì)量降低，擾動(dòng)力度太小，檢測速度慢，盲區(qū)大，擾動(dòng)力度大，則電能質(zhì)量差，也可能導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作，所以主動(dòng)孤島檢測技術(shù)要控制好擾動(dòng)力度。被動(dòng)孤島檢測技術(shù)，不影響電能質(zhì)量，成本也低，但是盲區(qū)太大。我國要求并網(wǎng)逆變器采用主動(dòng)孤島檢測技術(shù)和被動(dòng)孤島檢測技術(shù)至少各一種，兩者結(jié)合，互相彌補(bǔ) 。

我國對于防孤島措施要求采用主動(dòng)孤島檢測技術(shù)和被動(dòng)孤島檢測技術(shù)至少各一種。在常用的主動(dòng)孤島檢測技術(shù)中，主動(dòng)頻率偏移法(即AFD法)是應(yīng)用較多的技術(shù)之一。

傳統(tǒng)AFD法檢測原理：在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，公用電網(wǎng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)給負(fù)載供電，公用電網(wǎng)相當(dāng)于電壓源，光伏發(fā)電系統(tǒng)相當(dāng)于電流源，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，公用電網(wǎng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)起鉗制作用;孤島時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)將處于單獨(dú)給負(fù)載供電的狀態(tài)，不再受公用電網(wǎng)鉗制，所以系統(tǒng)的參數(shù)隨著負(fù)載和光伏發(fā)電系統(tǒng)有功、無功匹配程度不同而產(chǎn)生不同程度的波動(dòng)。

近年來，太陽能光伏發(fā)電順應(yīng)了當(dāng)今時(shí)代的需求，發(fā)展前景廣闊，發(fā)展的非常迅速。就2001年到2010年間，全球裝機(jī)容量一直處于持續(xù)增長狀態(tài)， 2010年全球裝機(jī)容量累計(jì)增長率可達(dá)72.63 070，作為可在生能源中的第三大發(fā)電技術(shù)，光伏發(fā)電的增長率超過了其他可再生能源，國際能源署(IEA)預(yù)測到2015年可再生能源發(fā)電量將增至總發(fā)電量的1/3，繼煤炭發(fā)電后的第二大電力來源，約占煤炭發(fā)電的1/2，到203年將趕上煤炭發(fā)電量。近年來，隨著能源結(jié)構(gòu)的逐步轉(zhuǎn)變，我國的光伏事業(yè)在政府的大力支持下的很快。我國的光伏產(chǎn)業(yè)正處于新興階段， 2010年中國光伏發(fā)電裝機(jī)容量比國內(nèi)光伏發(fā)電裝機(jī)容量增長迅速，也發(fā)展2009年翻兩番還多。但是科技水平離發(fā)達(dá)國家還有些距離，還在發(fā)展階段。太陽能光伏發(fā)電是太陽能的主要利用形式，它與電網(wǎng)并聯(lián)一同給負(fù)載供電，在陰天或夜晚電能不足時(shí)由電網(wǎng)供電，產(chǎn)能過剩時(shí)，不僅可以滿足用戶需求，還可以向電網(wǎng)供電，省去了蓄電池，不僅降低電力損耗，還可以節(jié)約占地空間 。

孤島防護(hù)作為光伏逆變系統(tǒng)安全工作的一個(gè)必要環(huán)節(jié)，是限制光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素之一。孤島是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中不可避免的現(xiàn)象，它的危害很大，嚴(yán)重時(shí)還可能會(huì)危及人身安全，所以我們必須重視孤島效應(yīng)帶來的危害，并采取相應(yīng)的防孤島措施。

1孤島效應(yīng)

當(dāng)電網(wǎng)正常工作時(shí)，電網(wǎng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)一同給負(fù)載供電，但是當(dāng)電網(wǎng)因檢修或者故障而停電時(shí)，系統(tǒng)處于光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)給負(fù)載供電的情況，此時(shí)系統(tǒng)失去了電網(wǎng)的控制，處于失控狀態(tài)，這種光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)給負(fù)載供電的情況叫做孤島效應(yīng)。

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)可等效為電流源，電網(wǎng)可以等效為電壓源，電網(wǎng)正常工作時(shí)，系統(tǒng)受到電網(wǎng)的鉗制作用，光伏發(fā)電系統(tǒng)總與電網(wǎng)保持一致。孤島后，系統(tǒng)不再受電網(wǎng)的控制。一旦發(fā)生孤島效應(yīng)，處十失控狀態(tài)的光伏發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)帶來很多危害。

2孤島效應(yīng)的危害

反孤島功能是光伏發(fā)電系統(tǒng)必須具備的重要功能之一，孤島效應(yīng)的發(fā)生帶來很多危害，使得孤島效應(yīng)不得不引起人們的重視，在光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，一旦發(fā)生孤島，可能導(dǎo)致的危害有:

(1)孤島發(fā)生后，電網(wǎng)停止工作，系統(tǒng)不再受電網(wǎng)控制，系統(tǒng)的參數(shù)會(huì)隨著逆變器與負(fù)載的功率匹配程度不同而產(chǎn)生不同程度的波動(dòng)，波動(dòng)大時(shí)，很可能損壞電力設(shè)備。

(2)電網(wǎng)停電后，電力維修人員進(jìn)行檢修時(shí)，很有可能發(fā)生觸電事故，同樣，用戶的人身安全也無法保障。

(3)孤島后，負(fù)載的運(yùn)行依靠逆變器單獨(dú)供應(yīng)，若逆變器的容量小而負(fù)載容量大時(shí)，逆變器很有可能因過載而燒毀，造成財(cái)產(chǎn)損失。

(4)電網(wǎng)恢復(fù)供電后，光伏發(fā)電系統(tǒng)重新并網(wǎng)，很有可能會(huì)發(fā)生光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)相位不同步的現(xiàn)象。

鑒于此，我們必須采取必要的措施來避免孤島的發(fā)生，防止孤島帶來的危害。

國內(nèi)外的學(xué)者們提出了各種各樣的孤島檢測方法，這些方法有可取之處，但是也存在缺點(diǎn)。外部檢測法可靠性高、盲區(qū)很小，但是審批和安裝比較麻煩，其高成本給光伏發(fā)電的發(fā)展增加了負(fù)擔(dān)，一般中小型發(fā)電系統(tǒng)不予考慮。主動(dòng)檢測法檢測盲區(qū)小，但是它對電網(wǎng)進(jìn)行干擾，強(qiáng)迫其發(fā)生變化，降低了電能質(zhì)量。被動(dòng)法成本低，不影響電能質(zhì)量，但是盲區(qū)大。當(dāng)負(fù)載和Pv的有功、無功接近或者匹配的時(shí)候，系統(tǒng)參數(shù)變化很小，處于正常閩值范圍內(nèi)，此時(shí)被動(dòng)法失效。所以我們需要突破的難點(diǎn)主要是無盲區(qū)、低成本、簡單易實(shí)現(xiàn)、對電能質(zhì)量無影響的新型孤島檢測方法。

光伏發(fā)電系統(tǒng)近幾年來的發(fā)展成果有目共睹，但是發(fā)展的還不夠完全成熟，成本仍然高于市電價(jià)格，所以對于孤島檢測技術(shù)，成本不能太高檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，對孤島檢測技術(shù)未來的需求趨勢是:

(1)降低孤島檢測技術(shù)的成本，降低光伏發(fā)電成本。原理簡單，容易實(shí)現(xiàn)，這樣不會(huì)加重DSP的負(fù)擔(dān)，影響運(yùn)行速度。

(2)克服被動(dòng)孤島檢測技術(shù)的可靠性低的缺點(diǎn)，盡量減小自區(qū)，提高孤島監(jiān)測技術(shù)的可靠性。主動(dòng)孤島檢測技術(shù)主問題是對電網(wǎng)的諧波污染較嚴(yán)重，我們需要降低諧波污染，此外主動(dòng)檢測技術(shù)可能還會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)降低，影響輸出效率等缺點(diǎn)，未來孤島檢測技術(shù)需要克服這些缺點(diǎn)。

(3)不僅適用十單個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)，對十多個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)也適用。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)各界尤其是政府的大力支持，光伏產(chǎn)業(yè)勢必越來越好，孤島檢測技術(shù)也會(huì)發(fā)展的越來越好 。2100433B

孤島效應(yīng)是指當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)所并的電網(wǎng)因故障、事故或停電維修跳閘時(shí)，用戶端的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能及時(shí)檢測出電網(wǎng)的停電狀態(tài)，沒有迅速將光伏發(fā)電系統(tǒng)切離所并聯(lián)電網(wǎng)，從而形成了由光伏發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負(fù)載形成的自給供電孤島。孤島現(xiàn)象發(fā)生時(shí)電網(wǎng)的運(yùn)行方式如下圖2所示。

孤島效應(yīng)發(fā)生后，電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、諧波可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，或都不出現(xiàn)，這受負(fù)載、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)置、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行狀態(tài)及其他一些情況的影響。所以定義任何一個(gè)能總是伴隨孤島效應(yīng)出現(xiàn)的現(xiàn)象是不可能的，但是必須在盡可能短的時(shí)間內(nèi)阻斷孤島的產(chǎn)生。這是因?yàn)楣聧u效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一系列問題：非三相運(yùn)行、有較大的諧波含量以及頻率不穩(wěn)，都將使孤島現(xiàn)象擴(kuò)大；孤島的電壓相量會(huì)相對于主網(wǎng)趨向漂移，當(dāng)電網(wǎng)快速恢復(fù)時(shí)，可能會(huì)干擾重合閘；對在孤島電網(wǎng)中進(jìn)行檢修工作的人員形成安全危害；可能出現(xiàn)由單相并網(wǎng)系統(tǒng)給三相負(fù)載供電的情況，造成三相負(fù)載的缺相運(yùn)行，形成危害。

采用必要的反孤島保護(hù)可以很好地解決這個(gè)問題，在檢測到電網(wǎng)失電后立即停止工作；當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)，聯(lián)網(wǎng)逆變器不會(huì)立即投入運(yùn)行，而是繼續(xù)檢測電網(wǎng)信號，直至在一定時(shí)間內(nèi)完全正常才會(huì)重新投入運(yùn)行。 2100433B

在微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行中，其中一個(gè)重要的問題就是在進(jìn)行防孤島檢測時(shí)盡可能的減少對電網(wǎng)的干擾影響。采用被動(dòng)式防孤島檢測對電能質(zhì)量基本沒有影響，所以在多機(jī)并聯(lián)的情況下，在能夠保證防孤島檢測的效能下，可以將部分逆變器采用被動(dòng)式防孤島檢測方案從而減小對電網(wǎng)的影響。

利用單機(jī)運(yùn)行的孤島檢測盲區(qū)分析可知，其部分采用純被動(dòng)式防孤島檢測時(shí)，對盲區(qū)影響較大，若是采用這種方案必須盡可能的減少其逆變器輸出功率的占比，從而減小對整體防孤島檢測效能的影響 。

在新能源電力系統(tǒng)中，并網(wǎng)變流器必須具有防孤島能力，否則，電網(wǎng)失電后會(huì)造成電網(wǎng)事故。孤島效應(yīng)檢測方法有主動(dòng)式孤島檢測方法和被動(dòng)式孤島檢測方法。被動(dòng)式孤島檢測方法在電網(wǎng)失電后，負(fù)載有功功率和并網(wǎng)變流器功率匹配會(huì)失效，進(jìn)而造成電網(wǎng)不安全。并網(wǎng)變流器在電網(wǎng)失電后 ，被動(dòng)式檢測孤島效應(yīng)的方法會(huì)失效 。