吳芳　韓紅斌

【摘 要】在科技發(fā)展的今天，能源問(wèn)題已經(jīng)成為了一個(gè)全球性的問(wèn)題?；茉撮_發(fā)的局限性促使人們開始尋找新的能源來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源，而太陽(yáng)能以其清潔、可再生等特點(diǎn)受到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。在太陽(yáng)能并網(wǎng)光伏發(fā)電的過(guò)程中，難免會(huì)遇到一些問(wèn)題需要解決，孤島效應(yīng)就是一個(gè)。本文將簡(jiǎn)述幾種孤島效應(yīng)的檢測(cè)方法，包括主動(dòng)式孤島效應(yīng)和被動(dòng)式孤島效應(yīng)檢測(cè)，以及它們都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為以后的太陽(yáng)能并網(wǎng)光伏發(fā)電的孤島效應(yīng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能；光伏發(fā)電；孤島效應(yīng)檢測(cè)

1.前言

能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)。世界能源以化石能源為主的結(jié)構(gòu)特征，使得世界上的化石能源越來(lái)越少，甚至走向枯竭，而且化石能源應(yīng)用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生比較多的污染，這些問(wèn)題都一直困擾著人們。作為能源主體的化石能源如煤炭、石油、天然氣等是不可再生能源，這就表明了終有一天這些能源會(huì)用光用盡的。這種狀況更加劇了人們對(duì)不可再生能源走向枯竭的危機(jī)感。在這種情況下新能源的開發(fā)已經(jīng)成為了迫在眉睫的事情。目前，人們已經(jīng)找到了多種清潔能源，比如太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能、潮汐能能等，其中太陽(yáng)能以其清潔、限制性小、可再生等優(yōu)點(diǎn)得到了人們的廣泛的關(guān)注。太陽(yáng)能的利用形式主要有光熱利用、光伏發(fā)電利用和光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種形式，但光熱和光化學(xué)轉(zhuǎn)化具有很大的局限性，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電是以電能為最終輸出形式的，在通用性和可存儲(chǔ)性上的優(yōu)勢(shì)比較明顯。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電在并網(wǎng)過(guò)程中存在著一定的問(wèn)題，就是所謂的孤島效應(yīng)。在分布式光伏發(fā)電定義中，孤島效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)的部分線路因故障或維修而停電時(shí)，停電線路所連的并網(wǎng)發(fā)電裝置沒(méi)能及時(shí)的檢測(cè)到電網(wǎng)停電而繼續(xù)向周圍負(fù)載供電，這種情況下并網(wǎng)發(fā)電裝置同周圍負(fù)載構(gòu)成一個(gè)自給供電的孤島。孤島效應(yīng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)負(fù)載、用戶及工作人員造成不必要的傷害，所以我們要及時(shí)判斷孤島效應(yīng)，減小孤島效應(yīng)的危害。

2.孤島效應(yīng)檢測(cè)方法

在研究孤島效應(yīng)檢測(cè)的過(guò)程中，主要有兩種方法，一種是被動(dòng)式孤島效應(yīng)檢測(cè)法，一種是主動(dòng)式孤島效應(yīng)檢測(cè)法。被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法通過(guò)監(jiān)控公共點(diǎn)電壓等參數(shù)變化來(lái)識(shí)別孤島效應(yīng)的，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，成本較低，但檢測(cè)盲區(qū)較大。主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法對(duì)系統(tǒng)施加一定擾動(dòng)，使孤島狀態(tài)能通過(guò)參數(shù)變化反應(yīng)出來(lái)而得到辨識(shí)，大大減小了孤島檢測(cè)的盲區(qū)，但實(shí)現(xiàn)方式復(fù)雜，容易對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。

2.1被動(dòng)式孤島效應(yīng)檢測(cè)

被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法可以分為過(guò)/欠電壓檢測(cè)法，過(guò)/欠頻率檢測(cè)法，電壓相位突變法，電壓諧波檢測(cè)法，下面就對(duì)這些方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

過(guò)/欠電壓檢測(cè)法和過(guò)/欠頻率檢測(cè)法是檢測(cè)公共耦合點(diǎn)處的電壓，如果其電壓幅值或頻率超出了正常工作范圍，就立刻停止發(fā)電系統(tǒng)的工作。當(dāng)分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，負(fù)載消耗的功率是電網(wǎng)輸出功率與分布式發(fā)電系統(tǒng)輸出的功率之和，公共耦合點(diǎn)的電壓由電網(wǎng)決定。當(dāng)電網(wǎng)斷開時(shí)，如果分布式系統(tǒng)的有功功率和負(fù)載的有功功率不匹配，公共耦合點(diǎn)的電壓就會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)超出了正常的范圍時(shí)，孤島效應(yīng)就會(huì)被檢測(cè)出來(lái)。但是，當(dāng)分布式系統(tǒng)的有功功率和負(fù)載的有功功率匹配時(shí)，電壓的幅值和頻率都不會(huì)又太大的波動(dòng)，這時(shí)孤島效應(yīng)就沒(méi)有辦法檢測(cè)出來(lái)了。

電壓相位突變法是通過(guò)檢測(cè)逆變器輸出電流和分布式系統(tǒng)輸出電壓之間的相位差來(lái)檢測(cè)孤島效應(yīng)的。通過(guò)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)系統(tǒng)的工作原理我們知道，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器使輸出電壓與電網(wǎng)一致，但當(dāng)孤島效應(yīng)發(fā)生時(shí)，電網(wǎng)與負(fù)載斷開，由于負(fù)載阻抗角的作用，會(huì)使分布式系統(tǒng)的相位發(fā)生突變，超過(guò)正常范圍的時(shí)候，孤島效應(yīng)就可以被檢測(cè)出來(lái)。但是，相位差不會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤動(dòng)作的閾值很難確定，因?yàn)槟承┴?fù)載（尤其是電動(dòng)機(jī)）啟動(dòng)時(shí)，經(jīng)常引起瞬時(shí)相位突變，如果閾值選擇過(guò)低，就會(huì)引起誤動(dòng)作，如果閾值選擇過(guò)高，當(dāng)負(fù)載的阻抗角較小時(shí)，檢測(cè)就會(huì)失敗。

電壓諧波檢測(cè)法是通過(guò)檢測(cè)公共點(diǎn)處電壓的總諧波失真程度來(lái)檢測(cè)孤島效應(yīng)的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，逆變器產(chǎn)生的諧波電流流入的是一個(gè)低阻抗電網(wǎng)，這些小的諧波電流與低值的電網(wǎng)阻抗在耦合處的電壓響應(yīng)僅含有非常小的諧波。然而，當(dāng)系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于負(fù)載中存在非線性負(fù)載，這些非線性負(fù)荷的電壓響應(yīng)在電流諧波的激勵(lì)下將會(huì)出現(xiàn)高度失真，通常為三次諧波，當(dāng)諧波超過(guò)正常范圍時(shí)，孤島效應(yīng)就被檢測(cè)出來(lái)了。但是，同上種方法一樣，這種方法的閾值也很難確定，錯(cuò)誤的閾值選擇會(huì)使孤島效應(yīng)的檢測(cè)不夠準(zhǔn)確。

2.2主動(dòng)式孤島效應(yīng)檢測(cè)

主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法主要分為主動(dòng)移頻檢測(cè)方法，主動(dòng)移相檢測(cè)方法，電壓正反饋式孤島效應(yīng)檢測(cè)方法。

主動(dòng)移頻檢測(cè)法是通過(guò)不斷在輸出端加一個(gè)頻率擾動(dòng)，這個(gè)擾動(dòng)不能太大，否則會(huì)引起電能質(zhì)量的下降，當(dāng)大電網(wǎng)沒(méi)有斷電時(shí)，這個(gè)小的擾動(dòng)會(huì)由大電網(wǎng)糾正過(guò)來(lái)，對(duì)負(fù)載的供應(yīng)的電能并沒(méi)有太大的影響，但是一旦電網(wǎng)斷電，頻率擾動(dòng)就會(huì)迅速積累，能夠很快的超過(guò)閾值，孤島效應(yīng)就能被檢測(cè)出來(lái)。對(duì)于純阻性和感性負(fù)載，主動(dòng)移頻檢測(cè)法是沒(méi)有檢測(cè)盲區(qū)的，但是對(duì)于容性負(fù)載，電壓將與電流同頻但滯后于電流一定相位角，對(duì)頻率施加的擾動(dòng)會(huì)被負(fù)載相位角抵消了一部分。如果兩者正好相抵，則相鄰周期間電壓過(guò)零時(shí)間間隔不發(fā)生變化，頻率不會(huì)偏移，孤島檢測(cè)失敗。

主動(dòng)移相式孤島檢測(cè)方法是一種高效的主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法，其原理是通過(guò)對(duì)輸出電能相位施加一個(gè)小擾動(dòng)，在與大電網(wǎng)沒(méi)有斷電時(shí)，電網(wǎng)能強(qiáng)制的將這個(gè)擾動(dòng)糾正過(guò)來(lái)，使耦合點(diǎn)的電壓不受擾動(dòng)的影響，但是一旦與電網(wǎng)脫離，相位擾動(dòng)就會(huì)迅速疊加，直至超過(guò)閾值范圍，孤島效應(yīng)就被檢測(cè)出來(lái)了。該類方法與移頻法一樣有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、孤島識(shí)別率高等優(yōu)點(diǎn)，也有類似的弱點(diǎn)，即隨著負(fù)載品質(zhì)因數(shù)增加，孤島檢測(cè)的能力降低。

電壓正反饋式孤島檢測(cè)技術(shù)的工作機(jī)理是動(dòng)態(tài)地修改電流給定的幅值，一旦發(fā)現(xiàn)公共點(diǎn)電壓偏離閾值，就對(duì)電流給定的幅值作同向修改，使電壓的改變?cè)谠较蛏线M(jìn)一步增強(qiáng)，直到超出正常范圍而判斷孤島。電壓正反饋式檢測(cè)法通過(guò)檢測(cè)電流的波動(dòng)給定一個(gè)反饋系數(shù)，反饋系數(shù)的大小與負(fù)載阻抗的大小相關(guān)，與阻抗的性質(zhì)無(wú)關(guān)，但是這種檢測(cè)方法卻只適用于小功率負(fù)載（及小容量逆變器），不能適用于大功率負(fù)載（及大功率逆變器）。

被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法通過(guò)被動(dòng)地檢測(cè)電壓、電流等電量的異常變化來(lái)檢測(cè)孤島，是一種“環(huán)境友好型”孤島檢測(cè)方式，但有一定的檢測(cè)盲區(qū)；主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法通過(guò)人為添加擾動(dòng)并監(jiān)測(cè)電壓、頻率等電量的變化來(lái)檢測(cè)孤島，檢測(cè)更準(zhǔn)確有效，但容易“污染”電網(wǎng)。

2.3展望

太陽(yáng)能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源，隨著人們利用太陽(yáng)能的技術(shù)的發(fā)展和成熟，太陽(yáng)能必將成為解決人類能源問(wèn)題的重要方法之一。我們有理由相信，在不久的將來(lái)，隨著孤島效應(yīng)檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電必將有更為廣泛的應(yīng)用。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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