[科普中國(guó)]-光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島技術(shù)

簡(jiǎn)介近年來(lái)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電順應(yīng)了當(dāng)今時(shí)代的需求，發(fā)展前景廣闊，發(fā)展的非常迅速。就2001年到2010年間，全球裝機(jī)容量一直處于持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)， 2010年全球裝機(jī)容量累計(jì)增長(zhǎng)率可達(dá)72.63 070，作為可在生能源中的第三大發(fā)電技術(shù)，光伏發(fā)電的增長(zhǎng)率超過(guò)了其他可再生能源，國(guó)際能源署(IEA)預(yù)測(cè)到2015年可再生能源發(fā)電量將增至總發(fā)電量的1/3，繼煤炭發(fā)電后的第二大電力來(lái)源，約占煤炭發(fā)電的1/2，到203年將趕上煤炭發(fā)電量。近年來(lái)，隨著能源結(jié)構(gòu)的逐步轉(zhuǎn)變，我國(guó)的光伏事業(yè)在政府的大力支持下的很快。我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)正處于新興階段， 2010年中國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量比國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電裝機(jī)容量增長(zhǎng)迅速，也發(fā)展2009年翻兩番還多。但是科技水平離發(fā)達(dá)國(guó)家還有些距離，還在發(fā)展階段。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是太陽(yáng)能的主要利用形式，它與電網(wǎng)并聯(lián)一同給負(fù)載供電，在陰天或夜晚電能不足時(shí)由電網(wǎng)供電，產(chǎn)能過(guò)剩時(shí)，不僅可以滿足用戶需求，還可以向電網(wǎng)供電，省去了蓄電池，不僅降低電力損耗，還可以節(jié)約占地空間1。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)孤島防護(hù)作為光伏逆變系統(tǒng)安全工作的一個(gè)必要環(huán)節(jié)，是限制光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素之一。孤島是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中不可避免的現(xiàn)象，它的危害很大，嚴(yán)重時(shí)還可能會(huì)危及人身安全，所以我們必須重視孤島效應(yīng)帶來(lái)的危害，并采取相應(yīng)的防孤島措施。

1孤島效應(yīng)

當(dāng)電網(wǎng)正常工作時(shí)，電網(wǎng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)一同給負(fù)載供電，但是當(dāng)電網(wǎng)因檢修或者故障而停電時(shí)，系統(tǒng)處于光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)給負(fù)載供電的情況，此時(shí)系統(tǒng)失去了電網(wǎng)的控制，處于失控狀態(tài)，這種光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)給負(fù)載供電的情況叫做孤島效應(yīng)。

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)可等效為電流源，電網(wǎng)可以等效為電壓源，電網(wǎng)正常工作時(shí)，系統(tǒng)受到電網(wǎng)的鉗制作用，光伏發(fā)電系統(tǒng)總與電網(wǎng)保持一致。孤島后，系統(tǒng)不再受電網(wǎng)的控制。一旦發(fā)生孤島效應(yīng)，處十失控狀態(tài)的光伏發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)帶來(lái)很多危害。

2孤島效應(yīng)的危害

反孤島功能是光伏發(fā)電系統(tǒng)必須具備的重要功能之一，孤島效應(yīng)的發(fā)生帶來(lái)很多危害，使得孤島效應(yīng)不得不引起人們的重視，在光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，一旦發(fā)生孤島，可能導(dǎo)致的危害有:

(1)孤島發(fā)生后，電網(wǎng)停止工作，系統(tǒng)不再受電網(wǎng)控制，系統(tǒng)的參數(shù)會(huì)隨著逆變器與負(fù)載的功率匹配程度不同而產(chǎn)生不同程度的波動(dòng)，波動(dòng)大時(shí)，很可能損壞電力設(shè)備。

(2)電網(wǎng)停電后，電力維修人員進(jìn)行檢修時(shí)，很有可能發(fā)生觸電事故，同樣，用戶的人身安全也無(wú)法保障。

(3)孤島后，負(fù)載的運(yùn)行依靠逆變器單獨(dú)供應(yīng)，若逆變器的容量小而負(fù)載容量大時(shí)，逆變器很有可能因過(guò)載而燒毀，造成財(cái)產(chǎn)損失。

(4)電網(wǎng)恢復(fù)供電后，光伏發(fā)電系統(tǒng)重新并網(wǎng)，很有可能會(huì)發(fā)生光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)相位不同步的現(xiàn)象。

鑒于此，我們必須采取必要的措施來(lái)避免孤島的發(fā)生，防止孤島帶來(lái)的危害。

孤島的研究現(xiàn)狀隨著光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，反孤島技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外的研究者們提出了各種各樣的反孤島技術(shù)，這些技術(shù)主要可以分為三大類:外部孤島檢測(cè)技術(shù)(Remotetechniques，主動(dòng)孤島檢測(cè)技術(shù)(Active techniques，和被動(dòng)孤島檢測(cè)技術(shù)(Passivetechniques，其中主動(dòng)孤島檢測(cè)技術(shù)和被動(dòng)孤島檢測(cè)技術(shù)又統(tǒng)稱為內(nèi)部孤島檢測(cè)技術(shù) (Local techniques)。

外部孤島檢測(cè)技術(shù)是檢測(cè)電網(wǎng)端的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，這種技術(shù)可靠性高，盲區(qū)很小，但是成本高，對(duì)于小型光伏發(fā)電系統(tǒng)并不適應(yīng)。另外，外部孤島檢測(cè)技術(shù)需要依賴電網(wǎng)與逆變器的通信，這就需要裝置信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)接收器，然而在電網(wǎng)端安裝設(shè)備的審批和手續(xù)很繁瑣。主動(dòng)孤島檢測(cè)技術(shù)對(duì)電網(wǎng)施加擾動(dòng)，成本低，可以有效減小盲區(qū)，但是擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電能質(zhì)量降低，擾動(dòng)力度太小，檢測(cè)速度慢，盲區(qū)大，擾動(dòng)力度大，則電能質(zhì)量差，也可能導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作，所以主動(dòng)孤島檢測(cè)技術(shù)要控制好擾動(dòng)力度。被動(dòng)孤島檢測(cè)技術(shù)，不影響電能質(zhì)量，成本也低，但是盲區(qū)太大。我國(guó)要求并網(wǎng)逆變器采用主動(dòng)孤島檢測(cè)技術(shù)和被動(dòng)孤島檢測(cè)技術(shù)至少各一種，兩者結(jié)合，互相彌補(bǔ)2。

低諧波孤島檢測(cè)技術(shù)我國(guó)對(duì)于防孤島措施要求采用主動(dòng)孤島檢測(cè)技術(shù)和被動(dòng)孤島檢測(cè)技術(shù)至少各一種。在常用的主動(dòng)孤島檢測(cè)技術(shù)中，主動(dòng)頻率偏移法(即AFD法)是應(yīng)用較多的技術(shù)之一。

傳統(tǒng)AFD法檢測(cè)原理：在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，公用電網(wǎng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)給負(fù)載供電，公用電網(wǎng)相當(dāng)于電壓源，光伏發(fā)電系統(tǒng)相當(dāng)于電流源，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，公用電網(wǎng)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)起鉗制作用;孤島時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)將處于單獨(dú)給負(fù)載供電的狀態(tài)，不再受公用電網(wǎng)鉗制，所以系統(tǒng)的參數(shù)隨著負(fù)載和光伏發(fā)電系統(tǒng)有功、無(wú)功匹配程度不同而產(chǎn)生不同程度的波動(dòng)。

未來(lái)孤島檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和需求國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們提出了各種各樣的孤島檢測(cè)方法，這些方法有可取之處，但是也存在缺點(diǎn)。外部檢測(cè)法可靠性高、盲區(qū)很小，但是審批和安裝比較麻煩，其高成本給光伏發(fā)電的發(fā)展增加了負(fù)擔(dān)，一般中小型發(fā)電系統(tǒng)不予考慮。主動(dòng)檢測(cè)法檢測(cè)盲區(qū)小，但是它對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行干擾，強(qiáng)迫其發(fā)生變化，降低了電能質(zhì)量。被動(dòng)法成本低，不影響電能質(zhì)量，但是盲區(qū)大。當(dāng)負(fù)載和Pv的有功、無(wú)功接近或者匹配的時(shí)候，系統(tǒng)參數(shù)變化很小，處于正常閩值范圍內(nèi)，此時(shí)被動(dòng)法失效。所以我們需要突破的難點(diǎn)主要是無(wú)盲區(qū)、低成本、簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)、對(duì)電能質(zhì)量無(wú)影響的新型孤島檢測(cè)方法。

光伏發(fā)電系統(tǒng)近幾年來(lái)的發(fā)展成果有目共睹，但是發(fā)展的還不夠完全成熟，成本仍然高于市電價(jià)格，所以對(duì)于孤島檢測(cè)技術(shù)，成本不能太高檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)孤島檢測(cè)技術(shù)未來(lái)的需求趨勢(shì)是:

(1)降低孤島檢測(cè)技術(shù)的成本，降低光伏發(fā)電成本。原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，這樣不會(huì)加重DSP的負(fù)擔(dān)，影響運(yùn)行速度。

(2)克服被動(dòng)孤島檢測(cè)技術(shù)的可靠性低的缺點(diǎn)，盡量減小自區(qū)，提高孤島監(jiān)測(cè)技術(shù)的可靠性。主動(dòng)孤島檢測(cè)技術(shù)主問(wèn)題是對(duì)電網(wǎng)的諧波污染較嚴(yán)重，我們需要降低諧波污染，此外主動(dòng)檢測(cè)技術(shù)可能還會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)降低，影響輸出效率等缺點(diǎn)，未來(lái)孤島檢測(cè)技術(shù)需要克服這些缺點(diǎn)。

(3)不僅適用十單個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)十多個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)也適用。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)各界尤其是政府的大力支持，光伏產(chǎn)業(yè)勢(shì)必越來(lái)越好，孤島檢測(cè)技術(shù)也會(huì)發(fā)展的越來(lái)越好3。