孤島系統:簡介,孤島效應危害,發生機理及原因,反孤島檢測策賂,被動式檢測法,主動式

孤島效應是指當電網因電氣故障、自然因數或者誤操作而發生停電中斷時，各用戶端的光伏發電系統沒有及時檢測出停電狀態並脫離市電網路，而是繼續保持向電網輸送電能，同時與負載形成獨立的公共電網無法控制的自給自足的供電孤島，而此時形成的系統稱為孤島系統。

基本介紹

中文名：孤島系統
外文名： islanded system
成因：孤島效應，停電中斷
領域：併網發電系統

簡介,孤島效應危害,發生機理及原因,反孤島檢測策賂,被動式檢測法,主動式檢測法,電網側反孤島檢測法,

簡介

孤島效應是指當電網因故障事故或停電維修等原因而跳脫時，各個用戶端的太陽能併網發電系統未能及時檢測出停電狀態而將自身切離市電，形成由太陽能併網發電系統和周圍負載形成的一個電力公司無法掌握的自給供電孤島。孤島效應是併網發電系統特有的現象，具有相當大的危害性，不僅會危害到整個配電系統及用戶端的設備．更嚴重的是會造成輸電線路維修人員的生命安全。

目前，分散式電源日趨增長，尤其是太陽能發電更是發展迅速當有許多光伏井網系統同時向公共電網供電時，發生孤島效應的機率也隨之增加。因此解決孤島問題顯得尤為重要。

孤島效應危害

孤島效應不僅給整個電網帶來安全險患，同時會降低整個光伏併網發電系統的工作效率，其主要影響表現在以下幾個方面：

（1）當維修人員對正在對系統進行檢摻時，孤島現象發生，由於光伏併網系統繼續保持給負載供電，因此會危害維修人員的人身安全。

（2）孤島效應可能導致接地、相間短路等故障不能及時清除，從而導致電網設備的損害，干擾電網正常供電系統的自動或手動恢復。

（3）當孤島系統與市電電網恢復正常時，一方面，斷路器等裝置會因為光伏井網發電系統與電網發生不同步而損壞，另一方面，在併網恢復瞬間，因電壓相位不同產生很強的衝擊電流，損壞相關設備。

（4）單相光伏併網發電系統可能會因孤島效應的原因對三相負載進行供電，造成三相負載缺相運行，從而造成三相負載設備損害。

由上可知，當電網電氣故障或者供電中斷時，弧島效應將會對整個電力系統中的各級用戶和設備造成損害。所以，在光伏井網系統中必須裝設具有反孤島保護功能的裝置，目的是實對檢測弧島效應並及時將光伏併網發電系統與電網進行切斷。

發生機理及原因

光伏併網系統與本地負載相連，通過投閘開關連線到配電網上，如圖所示。

孤島效應可能是以下一種或幾種情況所造成的後果：

(1)電網檢測到故障，導致網側分離開關跳開，但是分散式發電裝置沒有檢測到故障而繼續運行；

(2)由於電網設備故障而導致正常供電的意外中斷；

(3)電網維修造成的供電中斷；

(4)工作人員的誤操作或蓄意破壞；

(5)自然災害。

孤島效應發生的充要條件是：

(1)光伏併網發電裝置提供的有功功率與負載的有功功率相匹配；

(2)光伏併網發電裝置提供的無功功率與負載的無功功率相匹配，即滿足相位平衡關係：

。

反孤島檢測策賂

孤島效應是併網發電系統特有的現象，具有相當大的危害性，不僅會危害到整個配電系統及用戶端的設備、更嚴重的是會造成輸電線路維修人員的生命安全。

目前，分散式電源日趨增長，尤其是太陽能發電更是發展迅速，當有許多光伏併網系統同時向公共電網供電時，發生孤島效應的機率也隨之增加。因此解決孤島問題顯得尤為重要，應當尋求行之有效的方法來防止孤島效應的發生。

孤島效應檢測技術在併網逆變器側主要可分為主動式檢測、被動式檢測和電網側檢測。被動式檢測對電網無干擾，輸出電能質量無影響；但當負載和逆變器輸出功率匹配，存在較大的檢測盲區；而且檢測時間長，需要同主動式檢測相結合。

孤島效應檢測是逆變器併網不可缺少的保護檢測之一。孤島的檢測是併網安全性需要考慮的重要因素，採用合適有效的檢測方法十分重要。本節對各種反孤島策略進行了分析，並結合實際選取主動頻率漂移法(AFD)作為本項目的反孤島檢測方案。

被動式檢測法

被動式方法利用電網斷電時逆變器輸出端電壓、頻率、相位或諧波的變化進行孤島效應檢測。但當光伏系統輸出功率與局部負載功率平衡，則被動式檢測方法將失去孤島效應檢測能力，存在較大的非檢測區域(Non—Detection Zone，簡稱NDZ)。併網逆變器的被動式反孤島方案不需要增加硬體電路，也不需要單獨的保護繼電器。

1.過/欠壓，過/欠頻檢測方案

所有的併網逆變器都要採用過/欠壓、過/欠頻保護方案。通常在異地開關由於故障或是檢修而跳閘時，如果併網逆變器輸出功率(有功功率、無功功率)與負載需求功率不匹配即

並且

，電壓或頻率特產生偏移，一旦超出正常範圍，此時可以利用系統軟硬體所規定的電網電壓的過(欠)電壓保護設定點及過(欠)頻率保護設定點來進行檢測，將本地開關跳閘(也就是逆變器併網開關)，逆變器就將停止運行，從而防止孤島的產生。但當負載和光伏系統輸出功率匹配或者AP很小時，這時保護電路因為電壓波動很小，未超出正常範圍而檢測不到孤島的發生。逆變器工作時電壓、頻率的工作範圍要合理設定，允許電網電壓和頻率的正常波動，一般對220V，50Hz電網，電壓和頻率的工作範圍分別為194V< V<242V、49.5Hz<f<50.5Hz。

此種孤島檢測方法簡單易於實現，低成本，作用不只限於檢測孤島效應，還可以用來保護用戶設備，並且其它產生異常電壓或頻率的反孤島方案，也依靠過/欠壓、過/欠頻保護方案來觸發併網逆變器停止工作。但是存在較大的非檢測區，且這種方案的反應時間是不可預測的。

2.相位跳變檢測方案

相位跳變方案是通過監控併網逆交器端電壓與輸出電流之間的相位差來檢測孤島效應。為實現單位功率因數運行，正常情況下併網逆變器總是控制其輸出電流與電網電壓同相，併網逆變器端電壓與輸出電流間相位差的突然改變意味著主電網跳閘，不能再維持併網逆變器的端電壓，端電壓的相位已經跳變為負載的阻抗角。

該方案的主要優點是算法簡單、易於實現。由於併網逆變器本身就需要鎖相環用於同步，執行該方案只需增加在併網逆變器輸出電流v與va間的相位差超出閾值時使逆變器停止工作的功能就可以了。同時做為被動式反孤島方案，相位跳變不會影響併網逆變器輸出電能的質量，也不會干擾系統的暫態回響。此外和其它被動式方案一樣，在系統連線有多合併網逆變器時，不會產生稀釋效應。

然而該方案很難選擇不會導致誤動作的閾值。如果閉值設定的太低，將導致併網逆變器的誤跳閘，當負載阻抗角接近零，即負載近似呈阻性時，由於所設閥值的限制，該方法失效。

3.電壓諧波檢測方案

電壓諧波檢測方案的原理是併網逆變器監控電壓Va的總諧波失真(total harmonic distortion—THD)，如果THD超過範圍，併網逆變器就停止運行。

PV發電系統併網工作時，其輸出電流諧波將通過公共耦合點a點流入電網。由於電網的網路阻抗很小，因此a點電壓的總諧波畸變率通常較低，一般此時vo的THD總是低於閉值(一般要求併網逆變器的THD小於額定電流的5%)。

電網斷開後，PV發電系統輸出的電流諧波流入負載。由於井網逆變器產生的諧波電流以及負載阻抗通常要比電網阻抗大得多，因此a點電壓(諧波電流與負載阻抗的乘積)將產生很大的諧波，故可以通過檢測電壓諧波或諧波的變化來判斷PV系統是否處於孤島狀態。

理論上，電壓諧波檢測方案能在很大範圍內檢測孤島效應，在系統連線有多台逆變器的情況下不會產生稀釋效應，並且即使在功率匹配的情況下，也能檢測到孤島效應。但在實際套用中，由於非線性負載等因素的存在，電網電壓諧波很大，諧波檢測的動作閾值不易確定，因此，該方法有局限性。

主動式檢測法

主動式孤島檢測方法是指通過控制逆變器，使其輸出功率、頻率或相位存在一定的擾動。電網正常工作時，由於電網的平衡作用，檢測不到這些擾動。一旦電阿出現故障。逆變器輸出的擾動將快速累積並超出允許範圍，從而觸發孤島效應檢測電路。該方法檢測精度高，非檢測區小，但是控制較複雜，且降低了逆變器輸出電能的質量。目前併網逆變器的反孤島策略都採用被動式檢測方案加上一種主動式檢測方案相結合。

1.輸出功率擾動法

輸出功率擾動法其原理為逆變器通過對其輸出電流施加擾動，使其輸出功功率發生變化，進而使其輸出電壓產生改變。

該方案的主要優點是對局部負載阻抗大於電網阻抗的單台併網逆變器來說，不可檢測區域非常小。如果電網跳閘時負載和併網逆變器輸出功率匹配，輸出變動方案將干擾這種匹配狀況，導致欠壓保護。並且不會給電網注入諧波，但是會影響逆變器的輸出功率，還會產生稀釋效應並且在局部地區併網逆變器數量增多時影響更大。這意味著輸出變動方案只適用於單合併網逆變器的小系統，不能在多台併網逆變器的小系統或單台併網逆變器的大系統中有效的工作。

2.無功功率補償檢測法

無功功率補償檢測法也是一種輸出功率擾動方案，是利用可調節的無功功率輸出實現孤島檢測。系統併網運行時，負載端電壓受電網電壓鉗制，而基本不受逆變器輸出的無功功率多少的影響。當系統進入孤島狀態時，一旦逆變器輸出的無功功率和負載需求不匹配，負載電壓幅值或者頻率將發生變化。由於逆變器輸出的無功電流可調節，而負載無功需求在一定的電壓幅值和頻率條件下是不變的，因此將逆變器輸出設定為對負載的部分無功補償或波動補償可避免系統在孤島條件下的無功平衡，從而使得負載電壓或者頻率持續變化達到可檢測閾值，最終確定孤島的存在。

3.滑模頻移檢測法

滑模頻移檢測是對併網逆變器輸出電流一電壓的相位運用正反饋使相位偏移進而使頻率發生偏移的方案，電網頻率不受反饋的影響。

對DSP控制的併網逆變器來說，滑模頻移方案很容易實現，只是對本來就需要檢測的參數進行略微修正。同時與其它主動式方案相比，該方案對孤島效應的檢測非常有效，不可檢測區域相對小。在連線有多台併網逆變器的系統中，不會產生稀釋效應，並且兼顧考慮了檢測的可靠性、輸出電能質量以及對整個系統暫態回響的影響。相對於被動式方案來說，滑模頻移方案還是略降低了輸出電能的質量，並且在併網逆變器發電量高以及反饋環的增益大的情況下，該方案可能帶來整體供電質量下降以及暫態回響等問題，這些現象在使用正反饋的反孤島方案中普遍存在。

4.頻率跳變檢測法

頻率跳變是主動式頻移檢測法的一個修正，在該方案中，死區按預先設定的模式被插入輸出電流被形，但不是每個周期，而是每間隔幾個周期插入一次死區。當電網連線時，頻率跳變導致併網逆變器的輸出電流i_inv，偶而失真，但是電網控制了Va的電壓波形。在電網跳閘後，頻率跳變方案可以和主動式頻移方案一樣，通過驅動頻率偏移來禁止孤島效應，也可以通過檢測與併網逆變器輸出電流波形一致的電壓Va的頻率來檢測孤島效應。

當單合併網逆變器系統採用頻率跳變方案時，如果採用足夠複雜的電流波形，該方案具有相對有效的孤島檢測性能。該方案與阻抗測量以及主動式頻移方案一樣，在連線有多台併網逆變器的系統中會產生稀釋效應，除非電流波形的變化同步進行。

電網側反孤島檢測法

1.阻抗插入檢測法

阻抗插入法通過在電網中可能發生的孤島效應的區域內安裝一個低阻抗元件(通常是電容器組)來實現。

只要在電網跳閘和插入電容器組之間允許適當的時間延遲以確保電容器組的插入不會導致併網逆變器與負載的功率平衡，該方案對孤島效應的檢測非常有效。此外需要的電容器組很容易獲得，並且還可以進行無功補償。

然而阻抗插入法也存在四個嚴重的缺點：

（1）電容器組增加了成本，使得採用該方案的併網逆變器經濟上不可行，同時如果系統中多合併網逆變器的安裝時間不同，無法確定誰來負責電容器組的費用：

（2）電網存在多個串聯開關，它們都有導致孤島效應發生的可能，也就是說可能形成不同結構和形式的孤島系統，那么採用該方案時每個開關處都不得不配備一個電容器組；

（3）由於電容器組的投入需要延遲，回響的速度要比其它方案慢，可能不滿足併網標準對檢測時間的規定；

（4）該方案需要將電容器組安裝在電網側，使得安裝過程複雜化，同時這種安排對電網也有不利影響。

2.遠程通訊監控手段

利用電力載波通訊PLCC(power line carrier communictio）、網路監控數據採集系統SCADA等遠程通訊手段監控線路、電網、分布電站上所有繼電器狀態，及時檢測出孤島區。

孤島系統