孤岛效应：太阳能光伏技术及应用

孤岛效应问题是包括光伏发电在内的分布式发电系统存在的一个基本问题，所谓孤岛效应是指：在如图10．48所示的分布式发电系统中，当电网供电因故障事故或停电维修而跳脱时，各个用户端的分布式并网发电系统（如光伏发电、风力发电、燃料电池发电等）未能即时检测出停电状态而将自身切离市电网络，并能形成由分布电站并网发电系统和其相连负载组成的一个自给供电的孤岛发电系统。

孤岛效应的发生会给系统设备和相关人员带来如下危害：

图10．48　分布式发电系统的孤岛效应示意

（1）孤岛效应使电压及其频率失去控制，如果分布式发电系统中的发电装置没有电压和频率的调节能力，且没有电压和频率保护继电器来限制电压和频率的偏移，孤岛系统中的电压和频率将会发生较大的波动，从而对电网和用户设备造成损坏；

（2）孤岛系统被重新接入电网时，由于重合闸时系统中的分布式发电装置可能与电网不同步，可能使电路断路器装置受到损坏，并且可能产生很高的冲击电流，从而损害孤岛系统中的分布式发电装置，甚至导致电网重新跳闸；

（3）孤岛效应可能导致故障不能清除（如接地故障或相间短路故障），从而可能导致电网设备的损害，并且干扰电网正常供电系统的自动或手动恢复；

（4）孤岛效应使得一些被认为已经与所有电源断开的线路带电，这会给相关人员（如电网维修人员和用户）带来电击的危险；

由上可知，当主电网跳闸时，分布式发电装置的孤岛运行将对用户以及配电设备造成严重损害，因此在包括并网光伏等系统在内的分布式系统中，其并网发电装置必须具备反孤岛保护的功能，即具有检测孤岛效应并及时与电网切离的功能。

10．8．2．1 孤岛效应发生的机理

下面以典型的并网光伏发电系统为例分析其孤岛效应发生的机理，并阐述孤岛效应发生的充要条件。

图10．49　并网光伏发电系统的功率流图

图10．49是并网光伏发电系统的功率流图，并网光伏发电系统由光伏阵列和逆变器组成，该发电系统通常通过一个变压器（可能安装在逆变器外或不安装）和断路器K连接到电网。当电网正常运行时，假设图10．49系统中的逆变器工作于单位功率因数正弦波控制模式，而相关的局部负载用并联RLC电路来模拟，并且假设：逆变器向负载提供的有功功率、无功功率分别为P，Q，电网向负载提供的有功功率、无功功率分别为ΔP，ΔQ，负载需求的有功功率、无功功率为Pload，Qload。

根据能量守恒原理，公共连接点PCC（Point of Common Coupling）处的功率流具有以下规律

当电网断电时，通常情况下由于并网系统的输出功率和负载功率之间的巨大差异会引起系统的电压和频率的较大变化，因而通过对系统电压和频率的检测，可以很容易地检测到孤岛效应。但是如果逆变器提供的功率与负载需求的功率相匹配，即Pload＝P，Qload＝Q，那么当线路维修或故障而导致网侧断路器K跳开时，公共耦合点PCC处电压和频率的变化很小，很难通过对系统电压和频率的检测来判断孤岛的发生，这样逆变器可能继续向负载供电，从而形成由并网光伏发电系统和周围负载构成的一个自给供电的孤岛发电系统。

孤岛系统形成后，PCC处电压瞬时值ua将由负载的欧姆定律响应确定，并受逆变器控制系统的监控。同时逆变器为了保持输出电流iinv与端电压ua的同步，将驱使iinv的频率改变直到iinv与ua之间的相位差为0，从而使iinv的频率到达一个（且是唯一的）稳态值，即负载的谐振频率f0。显然，这是电网跳闸后RLC负载的无功需求只能由逆变器提供（即Qload＝Q）的必然结果。(www.xing528.com)

这种因电网跳闸而形成的无功功率平衡关系可用相位平衡关系来描述，即

式中：θinv是逆变器输出电流超前于端电压的相位角，φload是负载阻抗角。

在并联RLC负载的假设情况下有：

从以上分析可以看出，并网发电系统孤岛效应发生的充要条件是：

（1）发电装置提供的有功功率与负载的有功功率相匹配；

（2）发电装置提供的无功功率与负载的无功功率相匹配，即满足相位平衡关系：φload＋θinv＝0。

10．8．2．2 孤岛效应的检测

了解孤岛效应发生的机理后，重要的是要能够及时而有效地检测出孤岛效应，即：

（1）必须能够检测出不同形式的孤岛系统，每个孤岛系统可能由不同的负载和分布式发电装置（如光伏发电、风力发电等）组成，其运行状况可能存在很大差异。一个可靠的反孤岛方案必须能够检测出所有可能的孤岛系统。

（2）必须在规定时间内检测到孤岛效应。这主要是为了防止并网发电装置不同步的重合闸。自动开关通常在0．5～1s的延迟后重新合上，反孤岛方案必须在重合闸发生之前使并网发电装置停止运行。

已经研究出多种反孤岛方案，其中一些已经应用于实际或集成在并网逆变器的控制中。

已有的反孤岛方案可以主要分为两类，即基于通信的反孤岛策略和局部反孤岛策略，如图10．50所示。第一类基于通信的反孤岛策略主要是利用无线电通信来检测孤岛效应，第二类局部反孤岛策略是通过监控并网发电装置的端电压以及电流信号来检测孤岛效应。局部反孤岛策略又可以进一步分为被动式和主动式两种：被动式方案仅根据所测量的系统电压或频率的异常来判断孤岛的发生，通常被动式方案存在相对较大的不可检测区NDZ（non－detection zone）；而主动式方案则通过向电网注入扰动，并利用扰动引起的系统电压、频率以及阻抗等的相应变化来判断孤岛的发生，主动式方案虽然有效地减少了不可检测区，但会或多或少地影响电能质量。

图10．50　反孤岛策略的分类