太阳能光伏发电：孤岛运行检测

当太阳能光伏系统与电力系统的配电线并网运行，系统由于某种原因发生异常而停止工作时，如果不使太阳能光伏系统停止工作，则会向配电线继续供电，这种运行状态被称为孤岛运行状态 (Islanding Operation)。当电力系统事故或检查而停止运行时，太阳能光伏系统处在孤岛运行发电状态下，发电功率与负荷功率平衡时容易发生这种现象。

如果停电时太阳能光伏系统向电力系统反送电，电力公司的作业人员有触电的危险，因此孤岛运行状态时会威胁到作业人员的人身安全。它不仅妨碍停电原因的调查以及正常运行的尽早恢复，而且有可能给配电系统的某些部分造成损害。为了确保停电作业者的安全以及消除系统恢复供电时的障碍，电力系统停电的时候，必须使太阳能光伏系统与电力系统自动分离。

检测出孤岛运行状态的功能称为孤岛运行检测。检测出孤岛运行状态，并具有使太阳能光伏系统停止运行的功能称为孤岛运行防止。一般来说，孤岛运行检测功能除了对电压、频率进行监视外，还必须具有主动式、被动式这两种孤岛运行检测功能。这是因为: 系统停电时，通常根据系统电压、频率的异常检测出是否停电，但当太阳能光伏系统所产生的电能与用户的消费一致时，不会引起系统的频率、电压变化，此时无法检测出电力系统是否停电。

1. 被动式孤岛运行检测方式

被动式是一种实时监视电压的相位、电压以及频率变化率等状态，检测出孤岛运行状态的方法。即检测出太阳能光伏系统与电力系统并网时的状态与电力系统停电时向孤岛运行过渡时的电压波形、相位等变化，从而检测出孤岛运行状态。

被动式孤岛运行检测方式有电压相位跳跃检测方式、三次谐波电压畸变急增检测方式以及频率变化率急变检测方式等。电压相位跳跃检测方式比较常用。

(1) 电压相位跳跃检测方式。

当太阳能光伏系统向孤岛运行过渡时，由于发电出力与负荷的不平衡会导致电压的相位产生急变，因此可检测并网点处电压的相位的变化来判断孤岛运行。

(2) 三次谐波电压畸变急增检测方式。

系统停电时，功率控制器的输出正弦电流流向变压器，此时发生的电压由于变压器的磁特性的作用使三次谐波激增，可通过检测并网点处的三次谐波激增现象来判断孤岛运行。

(3) 频率变化率急变检测方式。

当太阳能光伏系统向孤岛运行过渡时，负载的阻抗会导致电压的频率急变，可通过检测并网点处电压的频率变化来判断孤岛运行。

目前，通常用电压相位跳跃检测方式，如图6.25所示，其方法是: 周期地测出逆变器的交流电压的周期，如果周期的偏移超过某值以上时，则可判定为孤岛运行状态，此时使功率控制器的逆变器停止运行。通常，与电力系统并网的逆变器在功率因素为1 (电力系统电压与逆变器的输出电流同相) 的情况下运行，逆变器不向负载供给无功功率，而由电力系统供给无功功率。但孤岛运行时电力系统无法供给无功功率，逆变器不得不向负载供给无功功率，其结果是使电压的相位发生急变，因此，可检测出电压的相位变化，判断出孤岛运行状态。

2. 主动式孤岛运行检测方式

主动式的原理是: 功率控制器时常发出如频率、输出功率的变化量，根据出现的结果、状态变化检测出孤岛运行状态。太阳能光伏系统与电力系统处于并网状态时不会出现频率、输出功率的变化量，孤岛运行时则会出现这些变化量，因此可由检测出的这些变化量确定是否为孤岛运行。

图6.25 电压相位跳跃检测方式

主动式孤岛运行检测方式有频率偏移方式、有功功率变动方式、无功功率变动方式以及负载变动方式等。频率偏移方式以及无功功率变动方式比较常用。(www.xing528.com)

(1) 频率偏移方式。

并网时，以逆变器的输出电流的频率为中心并以一定的范围周期地增减输出电流的频率。当向孤岛运行过渡时，对由输出电流与负荷的阻抗而产生的电压的周期性频率变化进行控制，使正反馈作用增加然后检测孤岛运行。

(2) 有功功率变动方式。

在并网的情况下，使有功功率周期性地变化，对向孤岛运行过渡时所产生的周期性的电压、电流以及频率变化进行控制，使正反馈作用增加然后检测孤岛运行。

(3) 无功功率变动方式。

在并网的情况下，使无功功率周期性地变化，对向孤岛运行过渡时所产生的周期性的电压、电流以及频率变化进行控制，使正反馈作用增加然后检测孤岛运行。

(4) 负载变动方式。

对功率控制器的输出瞬时、周期性地插入 (并联) 负载阻抗，检测孤岛运行时出现的输出电压、输出电流的变化以判断是否为孤岛运行。

判断孤岛运行常用频率偏移方式，它是根据孤岛运行中的负荷状态，使出力的频率在额定值上下缓慢地进行平移的方式。即在系统的频率允许变化范围内使太阳能光伏系统的频率变化，根据系统是否跟随其变化来判断是否为孤岛运行。图6.26为频率偏移方式方框图。使逆变器的输出频率相对于系统频率变动正负0.1Hz，在与系统并网时，此频率的变动会被系统所吸收，因此，系统的频率不会改变。而孤岛运行时，此频率的变动会引起系统频率的变化，根据检测出的频率可以判断出孤岛运行。一般地，当频率在所定值范围外的状态持续0.5秒以上时，则使逆变器停止运行，并使与系统并网的继电器 (并网继电器) 断开，与系统分离。

图6.26 频率偏移方式

3. 独立运行系统

当电力系统停电时，与电力系统并网的太阳能光伏系统被分离后的运转状态称为独立运行 (Isolated Operation)。它可以在地震、火灾等灾害时，当电力系统停电时为负载供用。前面所述的孤岛运行是指电力系统事故或检查而停止运行时，太阳能光伏系统处在孤岛运行发电，并仍在向电力系统输电的状态，二者是不同的。

独立运行系统一般分为无蓄电池的系统和有蓄电池的系统。电力系统停电时，太阳能光伏系统自动与电力系统分离的同时，将逆变器的控制方法由电流控制变为电压控制。

图6.27为带有蓄电池、并具有独立运行功能的太阳能光伏系统。配线用断路器MCCB1和电磁接触器MC1处于常闭状态，系统并网运行，电力系统向蓄电池充电，此时由于电磁接触器MC2处于断开状态，因此蓄电池与太阳电池处于分离状态。电力系统停电时，配线用断路器MCCB1断开，逆变器从电流控制变为电压控制，运行自动开始。如果将电磁接触器MC2闭合，则蓄电池也被启用同时为独立运行负载供电。

图6.27 带有独立运行功能的太阳能光伏系统