光伏并网孤岛效应的检测与分析

光伏并网孤岛效应的检测与分析

张博超

国网宝鸡供电公司,陕西宝鸡，721000

摘要：目前，分布式发电系统发展的规模口益扩大，更多的分布式光伏并网发电系统接入到公共电网的同时，出现孤岛效应的几率也随之增加。孤岛效应的产生不仅给分布式发电设备带来危害，而且影响了电能的质量，所以要求能够准确且快速的检出孤岛效应现象。

关键词：孤岛效应；主动频率；负载功率

1.引言

孤岛效应的检测一般是通过监控并网系统输出端电压的幅值和频率来实现的。当电网断开时，由于并网系统的输出功率和负载功率之间的差异会引起并网系统输出电压的幅值或频率发生较大的改变，这样通过监控系统输出的电压就可以很方便地检测出孤岛效应。然而，当负载消耗的功率与光伏系统相匹配的时候，通过这种被动的检测方法就会变得困难。该项目提出来周期性双向扰动主动频率偏移法无论是感性负荷还是容性负荷或者负载消耗的功率与光伏系统相匹匹配时的孤岛效应检测技术难题。有效的控制了光伏系统发生孤岛效应时，给相关的设备和维护人员带来的危险。

2.孤岛效应检测方法的分析与选择

孤岛是一种电气现象，发生在一部分的电网和主电网断开，而这部分电网完全由光伏系统来供电。因为孤岛会损害公众和电力公司维修人员的安全和供电的质量，在自动或手动重新闭合供电开关向孤岛电网重新供电时有可能损坏设备。逆变器通常会带有被动式防止孤岛效应装置。对于平衡负载很好条件下通电和重新通电两种情况下的孤岛防止还不够充分，所以必须结合主动技术，主动技术是基于样本频率的移位、流过电流的阻抗监测、相位跳跃和谐波的监控、正反馈方法、或对不稳定电流和相位的控制器基础上的。该研究项目解决了无论是感性负荷还是容性负荷或者负载消耗的功率与光伏系统相匹匹配时的孤岛效应检测技术难题。安全可靠的保证电力光伏发电设备和财产损失，提高电力系统的服务信誉，可有效维护社会稳定和电网安全。

3.周期性双向扰动主动频率偏移法基本原理

正反馈的主动频率偏移法是对对公共耦合点的频率运用了正反馈，提高了孤岛检测的速度。当孤岛效应发生时，PCC 处的电压频率变化会在反馈作用下加速偏移，能够更快地检测到孤岛，缩短检测时间。在该方法中，提出了如下的函数表达式：     

其中,初始固定扰动信号；k：反馈增益；，f 为 PCC 处的电压频率， 电网电压额定频率。尽管此方法提高了孤岛检测的速度，但与 AFD 检测法原理类似，施加的干扰信号cf 都是按照同一方向对逆变器输出电流的频率加以扰动。由于负载性质不同，当孤岛发生时，PCC  点电压频率可能与施加的扰动信号方向相反，可能会延长检测时间甚至无法检测出孤岛。

综上所述，在考虑负载特性对检测效果的影响下，本文提出了周期性双向扰动的AFDPF 孤岛效应检测方法，就是周期性地对逆变器输出的电流施加正反两方向的频率扰动信号，避免了检测结果对负载特性的依赖。 该检测方法能够针对不同的负载特性，在电网断开后逆变器输出的电流频率发生明显的波动，有效的避免了关于负载在单向频率扰动下所产生平衡作用的问题，对当前频率变化的趋势先做出判断，然后再施加相同方向的扰动信号，提高了检测效率。周期性双向扰动的AFDPF孤岛效应检测法流程图如下图所示。加入了两种不同向的扰动信号，分别为5%, -5%; , 为施加干扰信号后，逆变器输出的并网电流频率与公共藕合点PCC的电压频率之间的误差;.分别表示上一周期、本周期的PCC点电压频率。

周期性双向扰动的AFDPF孤岛效应检测法流程图

4.主动频率偏移法仿真设计

    通过以上的分析研究，在 Matlab/Simulink 环境下搭建了孤岛效应检测系统的仿真模型，编写检测控制的 S 函数模块来实现周期性双向扰动的 AFDPF 孤岛效应检测方法。孤岛效应检测系统的仿真模型如图2-3所示，取电网电压峰值 311V，直流电压 400V，逆变器输出参考电流峰值为 5A；频率保护阈值设置为 50±0.5Hz；滤波电感 L=6m H，R=0.01Ω；RLC 负载参数为：R=6.01Ω，L=7.65m H，C=1.3uF。为了观察仿真的结果，将原来电网电压的取值在示波器中缩小为原值的 1/5，将电流的幅值变为原值的8倍，来分析仿真实验结果。

周期性双向扰动的 AFDPF 孤岛效应检测仿真模型

            周期性双向扰动的 AFDPF 孤岛效应检测算法仿真结果

   由图4-2总可以看出当孤岛效应检测系统运行到 0.2 秒时，将电网断开，并网电流大约经过4个周期的时间变为零。PCC 点电压在 0.36 秒时变为零，共需要0.16秒即可检测出孤岛的发生。

负载为感性时的并网电流与 PCC 点电压频率

负载为容性时的并网电流与 PCC 点电压频率

由上图可知，当检测系统的负载性质呈感性时，电压频率逐渐变大，约经过0.08 秒 PCC 点电压频率到达 50.5Hz 时，并网电流迅速减小至零，负荷为容性时电压频率逐渐减小，约经过0.06秒 PCC 点电压频率到达 49.5Hz 时，并网电流迅速减小至零。

仿真结果证明了周期性双向扰动的AFDPF 孤岛效应检测方法对不同性质的负载均有较好的检测效果，同时并网电流谐波较小，具有良好的检测效果。

5.结语

经济效益

在电网故障或停电的情况下，可以迅速有效地控制孤岛效应，减少了电压及频率波动对线路元件及相关的电力设备造成的损坏，避免由于设备损坏所导致的高昂维修费用。

社会效益

光伏并网孤岛效应的检测与控制能够改善配电网可靠性，减少停电时间。当电网发生故障时或中断供电时，与电网分离，能尽快限制事故发展，保障运维检修人员安全，使电网故障能得到及时处理。在电网恢复正常运行时，光伏电站能可靠，安全并网，并网时对电网的扰动较小。为光伏电站的正常运行提供了保障。为提升客户满意度做出了贡献，在社会上树立了良好的形象。

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