光伏并网逆变器的孤岛效应及反孤岛策略优化方案

按照接入电网的电压等级，光伏并网发电系统可分为小型并网光伏发电系统（一般通过380V电压等级接入电网）和大中型并网光伏发电系统（通常通过10kV以上电压等级接入电网）。

在电网电压故障条件下，电力系统对于小型并网光伏发电系统和大中型并网光伏发电系统的控制保护要求不同：小型并网光伏发电系统一般被当作负载看待，电网不希望其从电网吸收或向电网发出无功功率。在电网频率和电压发生异常时，电网需要光伏发电系统具备快速监测孤岛和立即断开与电网连接的能力，以保证维修人员的人身安全；大中型并网光伏发电系统一般被视为发电装置，电网要求其具有低电压穿越能力，在电网电压跌落的短时间内，发电系统能够保持并网并输出一定的无功功率，以支撑电网。

值得一提的是，孤岛保护与低电压穿越具有不同的概念；孤岛是指发电系统与大电网完全断开，而与负载形成的孤立运行的局部电力网络；低电压故障是指由于大电网某处发生短路故障而导致的发电系统并网点处电压出现跌落（严重时会出现零电压）的现象，故障期间，发电系统并未与大电网断开。因此，孤岛保护和低电压穿越的需求并不矛盾，可在同一新能源并网发电系统中同时实现这两种需求。从并网导则的具体要求来看，孤岛保护和低电压穿越的需求有以下不同之处：

1）孤岛保护与低电压穿越具有不同的保护动作时间，孤岛保护要求并网系统在电网停止供电之后2s左右检测出停电状态并与电网断开，而低电压穿越一般要求并网系统在电网电压故障发生之后的500ms内保持并网。

2）孤岛保护与低电压穿越具有不同的保护范围，孤岛保护只针对电网电压完全断开的故障状态，而低电压穿越要求覆盖所有的电网电压对称跌落与不对称跌落故障。

3）孤岛保护与低电压穿越是电网中不同层面的保护功能，孤岛保护重点在于保证小型发电单元的用户安全，低电压穿越重点在于保证大型发电系统在电网故障期间的稳定与安全。

本书的重点内容为低电压穿越，为方便读者的对比学习和理解，本节将对并网光伏发电系统的孤岛效应及保护的相关概念和方法做简单介绍。

孤岛效应是指如下的一种状态：在图4-16所示的分布式发电系统中，当电网因故障事故或停电维修而停止供电时，位于用户端的分布式发电单元（Distributed Generation，DG，如光伏发电、风力发电或燃料电池发电单元等）未能及时检测出停电状态而未与市电网络断开，形成由分布式发电系统和负载组成的自给供电的孤岛发电系统。

图4-16 分布式发电系统的孤岛效应示意图(www.xing528.com)

光伏并网发电系统孤岛效应发生的充要条件是：

1）发电装置输出的有功功率与负载的有功功率需求相匹配；

2）发电装置输出无功功率与负载的无功功率需求相匹配。

为了能及时、有效地检测出孤岛状态，发电单元必须能识别出由不同负载和不同分布式发电装置（如光伏发电、风力发电等）组成的不同孤岛系统结构，并能针对不同的运行状况采取特定的反孤岛策略；发电装置还必须在规定时间内检测到孤岛状态，并在电力系统重合闸前停止工作。

孤岛检测系统的典型结构如图4-17所示^[25]，图中采用RLC并联阻抗模拟系统负载，改变RLC阻抗值以测试并网逆变器在不同负载条件下的孤岛保护能力。

图4-17 孤岛检测系统的典型结构

并网光伏发电系统中，基于并网逆变器的反孤岛策略主要有两类：一类为被动式反孤岛策略，如监测电网电压的幅值、频率、相位和谐波等变化，以判别孤岛状态；第二类为主动式反孤岛策略，如主动频率偏移法和输出功率扰动法等。第一类方法的检测盲区较大，仅在电源和负载功率不匹配程度较大时有效；第二类方法的检测盲区较小，该类方法通过人为注入扰动并检测相关变量的变化以确定孤岛状态。如频率偏移法，通过在控制信号中人为注入扰动信号，孤岛状态时，迫使电网电压的频率或者相位发生偏移，从而检测出孤岛状态。