光伏并网发电系统中的孤岛检测

1 引言

面对世界性的能源短缺的现实状况及能源的可持续发展对当今社会的突出影响，光伏并网发电作为新型环保方式之一，越来越受人们的重视，而孤岛效应是光伏并网发电系统中普遍存在的一个问题。所谓孤岛效应是指当电网由于电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，各个用户端的太阳能发电系统未能及时检测出停电状态将自身脱离电网，则太阳能发电系统和负载形成一个公共电网系统无法控制的自给供电孤岛。光伏并网发电系统处于孤岛运行状态时会产生严重的后果：

（1）导致孤岛区域的供电电压和频率不稳定；

（2）影响配电系统的保护开关动作程序；

（3）光伏并网系统在孤岛状态下单相供电，引起本地三相负载的欠相供电问题；

（4）电网恢复供电时由于相位不同步导致的冲击电流可能损坏并网逆变器；

（5）可能导致电网维护人员在认为已断电时接触孤岛供电线路，引起触电危险。

所以，当电网停电后，必须立刻中止系统对电网的供电，防止孤岛效应的发生。研究孤岛检测方法和保护措施，对将孤岛产生的危害降至最低具有十分重要的现实。

2 孤岛效应的检测标准

孤岛现象的巨大危害使得并网发电系统必须要具备反孤岛的功能，ieee std.929-2000规定了相应的反孤岛检测标准，它给出了并网逆变器在电网断电后检测到孤岛现象并使并网逆变器与电网断开的时间限制。相应的我们国家也根据ieee的相关标准制定了我国的检测标准，gb/t15945-2008规定电力系统正常运行条件下频率偏差限值为±0.2hz，当系统容量较小时，偏差限值可以放宽至±0.5hz。gb/t19939-2005规定并网后的频率偏差值若超过±0.5hz范围时过/欠频保护应在0.2s内动作，使并网系统与电网断开，相应的系统对检测到异常电压时所做出的反应时间如附表所示，同时还规定在电网的电压和频率恢复到正常范围后的20s~5min，并网系统不影响电网送电。在这套标准中，unom代表电网电压的有效值，我国为220v。

3 光伏发电系统孤岛检测基本原理

图1为光伏并网发电系统框图，工作原理简述如下：

（1）当断路器s闭合时，并网系统正常工作。由于锁相环的作用，pv系统输出的电流和电网电压同频同相，因此可将pv系统看作电流源。公共节点a的电压由电网电压决定。如果负载有功功率大于pv阵列所提供的功率，不足处由电网补充。反之，多余的功率馈入电网。由于pv系统的功率因数为1，则负载所需的无功功率均由电网提供。

　　（2）当由于某种原因，断路器s断开时，发生孤岛效应。合闸时，pv系统向公共节点a输入的功率为p+jq，负载吸收的功率为pl+jql，则电网向公共节点a点发出的功率为：

△p=pl-p （1）

△q=ql-q （2）

式（3）、（4）是rcl负载的有功和无功功率的计算公式：

plaod=ua2/r （3）

qlaod=ua2 （1/ωal-ωac） （4）

由于pv系统的功率因数为1，因此，pv系统只向电网发送有功功率，则q=0，△q=ql。当孤岛效应发生瞬间，△p≠0，a点负载电压和频率发生变化。当δp、δq较大时，表明pv系统输出功率与负载功率不匹配，则pv系统输出电压或频率会发生很大的变化，当电压或频率变化超出正常范围，保护电路即可检测到孤岛的发生，继电器动作，将逆变器与电网切离，并封锁逆变器功率管，使光伏系统停止输出电能。但是，当δp或δq较小时，保护电路会因电压和频率未超出正常范围而检测不到孤岛的发生，进入检测盲区（ndz）。

4 光伏发电系统孤岛检测方法分析

反孤岛效应的关键是电网断电的检测，且检测时间越短效果越好。在电网的配电开关断开时，如果太阳能供电系统和电网负载需求量不平衡，则市电网中的电压、频率和相位将会产生较大的变动，此时可以利用电网电压的过/欠压保护和频率异常波动来保护检测电网断电，从而防止孤岛效应。孤岛检测方法一般可以分为被动式（无源）和主动式（有源）两类。

4.1 被动式（无源）孤岛检测方法

孤岛形成前后，系统的电气量一般都会发生变化。被动式检测方法就是通过检测并网系统与电网的公共耦合点（pcc）处的电压、频率以及相位的变化来判断是否有孤岛发生的。发生孤岛现象的系统一般会产生功率的变化：有功功率的不匹配会产生电压量的变化，无功功率的不匹配则会导致频率的变化。当变化超出我们设定的阈值，就可以认为是产生了孤岛。被动式检测方法不需要加入任何扰动，对电网无干扰，且对输出电能的质量无影响，是最基本的孤岛检测方法。常见的被动式（无源）检测方法有过/欠电压、高/低频检测，相位突变检测和电压谐波检测三种方法。

4.1.1 过/欠电压、高/低