光伏发电系统防孤岛检测方法分析

赵佳锴 朱健雍 杨松 张良利 沈道军

摘 要：本文主要从光伏系统角度出发，阐述了光伏的两大类型：离网型光伏发电系统和并网型光伏发电系统以及他们各自的特点。最后对光伏的安全性进行讨论，着重考虑了电路中的孤岛效应，分析不同检测方法的优缺点及可靠性。

关键词：光伏系统；离网并网型光伏发电系统；防孤岛检测

中图分类号：TM615 文献标志码：A

Abstract：In this paper， from the perspective of photovoltaic system， two types of photovoltaic： off-grid photovoltaic system and grid-connected photovoltaic system and their respective characteristics are described. Finally， the security of photovoltaic is discussed， and the islanding effect in the circuit is considered. The advantages and disadvantages of different detection methods and their reliability are analyzed.

Keywords：Photovoltaic system；Off grid grid connected photovoltaic power generation system；Anti islanding detection

0 引言

随着社会经济水平的快速提升，传统化石能源逐渐枯竭，绿色可再生能源的开发及利用逐渐引起人们的重视。太阳能是指太阳的热辐射能，作为最丰富的绿色可再生能源之一，对它进行开发利用是极其重要的，光伏发电应运而生。随着技术的进一步成熟，光伏变得越来越常见，其安全性能的可靠性也开始引起了人们的重视。在并网光伏系统中，最重大的隐患之一就是孤岛效应，本文着重介绍了防孤岛效应的检测方法，并对其优缺点进行分析。

1 光伏系统

1.1 并网型光伏发电系统

并网光伏发电系统与公共电网相连接，其结构如图1所示，整个系统由光伏组件阵列、逆变器、汇流箱、变压器等组成。这种发电方式比较灵活，当白天日照较强时，光伏发电系统不仅可以提供电能，多余的电能还能通过上网的方式卖给电网，增加收入；而当日照不足时，光伏发电系统可以提供部分电能，不够的部分再从电网索取。并网光伏系统又分为工商业光伏发电以及户用光伏发电，相对而言，工商业光伏发电更为适合，其屋顶面积大，发电量大，且工商业电费较为昂贵，白天光照条件好的情况下可以自给自足，不用再从电网购买电能，节约了资金。而户用发电较为灵活，投资较小，可以贴补家用。

1.2 离网型光伏发电系统

离网型光伏发电系统不与电网相连接，其结构如图2所示，它由光伏组件阵列、控制器、蓄电池组、逆变器组成。当白天光照充足时，光伏发电系统为负载提供电能，多余的电能会存储在蓄电池中，当到了晚上或者阴雨天，存储在蓄电池的电能可以释放，保证负载正常运行。

1.3 并网型与离网型光伏发电系统比较

并网型光伏发电系统和离网型光伏发电系统相比，并网型光伏发电系统不需要蓄电池，节约了成本。光伏阵列可以始终运行在最大功率点处，由电网来接纳太阳能所发的全部电能，提高了太阳能发电效率，同时可以为当地的电网减小压力。离网型发电系统适用于并网较为困难的山区，牧场以及比较落后的农村。其蓄电池可以储存电能，解决当地用电需求。同时减少电网压力，减少电缆以及电能运输成本。

2 光伏中的孤岛效应

2.1 孤岛效应介绍

随着光伏的普及，其安全性能是人们最关心的。而对于并网发电系统来说，孤岛效应无疑是一种巨大的危害。孤岛效应是指由于电气故障、误操作或自然因素等原因造成电网中断供电时，光伏并网发电系统仍在运行，并且与本地负载连接处于独立运行状态。其危害十分巨大，会对维修人员的生命安全造成威胁。当电网恢复供电时，会产生浪涌电流，可能会引起再次跳闸。如果电网与光伏发电系统相位（频率）不同步，会产生大的冲击电流，毁坏光伏发电装置，并且有可能会摧毁负载，造成损失。

2.2 国际国内孤岛检测标准

国际通行的光伏系统入网标准IEEE Std. 929-2000以及分布式电站入网标准IEEE1547，都对并网逆变器的孤岛检测功能做出了要求。

检测的公共点电能质量有两种异常，分别为电压异常和频率异常，929-2000 规定在公共点电压异常下逆变器停止供电时间标准见表1。

在IEEE Std 1547—2003標准中，60Hz作为电网电压的标准频率，系统运行的频率正常范围是59.3Hz～60.5Hz。

按照我国的光伏系统并网技术要求（GB/T 19939—2005），并网系统正常运行时，单相电压的允许偏差为额定电压的-10%～+7%，频率的偏差值允许±0.5Hz；总谐波电流应小于逆变器额定输出的5%；逆变器向电网馈送的直流电流分量不能超过其交流额定值的1%；分布式发电系统对电网异常电压的响应需在表2规定的时间内发生。

并在防孤岛效应方面做出如下规定：

（1）应设置至少一种主动和被动防孤岛效应保护。

（2）当电网失压时，防孤岛效应保护应在 2s 内动作，将光伏系统与电网断开。

（3）由于超限状态导致光伏系统停止向电网送电后，在电网的电压和频率恢复到正常范围后的20s～300s的时间范围内，光伏系统不应该向电网送电。

3 孤岛检测方法

为了防止孤岛效应，根据技术特征，有3类孤岛现象的检测方法。分别为被动检测法、主动检测法和开关状态监测方法（基于通信的方法）。其中最为常用的是被动检测法、主动检测法。

3.1 被动检测法

（1）过/欠电压与过/欠频率检测法

过/欠电压是利用电路的电压传感器检测电压，并与标准数值相比较，如果数值低于电网正常工作电压的最低值或者高于最高值，则可检测到孤岛发生，自动切断所有功率开关，且并网端的继电保护器被触发。过/欠频率检测法的原理和过/欠电压检测法相似，不过过/欠频率检测法检测的是电参量频率。这两种方法是最为普遍的检测方法，从经济角度上考虑较好，但是存在较大的盲区，需要配合其他检测方法一起使用。

（2）相位跳变率检测法

在光伏发电系統正常运行时，电流与电压应该频率相同，相位相同。当电网断开，发生孤岛现象，光伏发电系统单独给负载供电，这时，系统产生的有功功率与负载消耗不匹配，从而可以知道是否发生孤岛现象。其中，它的阈值确定十分重要，要能准确地区分电网失电造成的大波动和容性、感性负载投切，电机负载启动造成的常规波动。在缩小孤岛检测盲区和减少误操作之间很难做到完美。

（3）电压谐波检测法

当发电系统正常运行时，因为电网的网络阻抗小，因此电压总谐波比较稳定，当电网发生故障断开时，逆变器的输出电流直接与大量非线性设备相连接，产生谐波的变化。通过傅里叶变换后从两个方向对逆变器输出的电压以及电流信号进行分析，从而检测孤岛效应是否发生。但是对高品质因数RLC负载，其滤波特性能使失压后的电压谐波也保持在低水平，增加了判别孤岛的难度。

通过总结发现，被动检测方法存在阈值难以框定、检测盲区较大等问题。

3.2 主动检测法

为了改善孤岛效应的检测成功率，于是人们研究出了多种主动检测法。

（1）周期电流扰动检测法

每隔一段时间，主动去干扰降低逆变器的输出电流，从而改变输出有功功率。如果系统运行正常，则不会出现公共点电流的剧烈变化。但是当电网出现问题时，由于其电流全由逆变器提供，一旦出现电流降低，其输出功率会迅速降低。因此，在一定时间内可以检测出是否发生孤岛效应。但是长期在系统运行时改变输出功率，会对设备造成一定危害。

（2）移频移相结合检测法

移频即略微增加或者减少逆变器的输出电压的频率。当系统正常运行时，锁自环可以自动调节较小的电压误差，使系统正常运行，波形维持动态稳定。当发生孤岛现象时，锁自环失去作用，任由频率误差逐渐增大，最终超出设定范围而被检测出孤岛现象。但是当出现与负载本身的容性感性带来的相位差周期相抵消的情况时，该方法就会失效。

移相法的原理与移频法大致相似，区别在于其干扰相位而不是频率。将移频法和移相法相结合，由于盲区范围不同，可以减少孤岛效应的检测盲区，增加准确性和可靠性。

（3）电网阻抗法

因为发电系统由多设备组成，因此其阻抗远大于相应并入的低压配电网的阻抗。当电网失去电压，并联阻抗值会急剧增大，容易被检测出来。可以与低压配电网和发电系统并联一个小电阻和开关串联的检测支路，每隔固定时间接通开关检测小电阻两端电压变化，从而判断是否发生孤岛现象。

结语

孤岛检测方法中的被动检测法相对较简单，但是其检测盲区范围较大，并且存在判断误区。而主动检测法相对比较完善，但是部分检测方法长期使用可能会对设备造成损伤。综上所述，通过主动检测法与被动检测法相结合，可以更好地避免孤岛效应。

光伏发电对可再生能源的发展无疑是一种巨大的推动，其充分利用了闲置空间，不仅减缓了电网的压力，减少了电费的支出，更重要的是保护了环境，为地球的环保事业做出了贡献。因此，只有增加其安全性能，才可以有更好的发展。

参考文献

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