1、所謂孤島效應(yīng)(Islanding)是指分布式能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，市電因人為切 斷或出現(xiàn)故障而停止向負載供電時分布式能源繼續(xù)并網(wǎng)工作，從而使電網(wǎng)局部負載仍處于供電狀態(tài)28 o由于光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)工作時，電網(wǎng)會因為故障、 設(shè)備檢修或者操作失誤等原因停止工作，也就是說孤島效應(yīng)是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 中普遍存在的一個問題。因此準確、及時的檢測出孤島效應(yīng)是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 設(shè)計中的一個關(guān)鍵性問題29 o孤島效應(yīng)的分析(1)孤島效應(yīng)概述圖 光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)鏈接示意圖圖是光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)工作的示意圖，如圖所示：電網(wǎng)正常工作情況 下，相當于開關(guān)S1, S2均閉合，電網(wǎng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)同時向圖中逆變器負

2、載和 電網(wǎng)負載供電；電網(wǎng)突然停止工作時，相當于開關(guān) S1閉合，S2打開，此時光伏 發(fā)電系統(tǒng)繼續(xù)向逆變器負載和局部電網(wǎng)負載供電，那么將會導(dǎo)致下列情況發(fā)生 30:光伏發(fā)電系統(tǒng)功率較小，如果電網(wǎng)停止工作會失去對光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電能 的平衡控制能力，系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量下降；危害到電力維護人員或用戶的人身安 全；當市電突然恢復(fù)時，光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)相位不同步造成的沖擊電流會損壞 發(fā)電裝置和設(shè)備；影響電網(wǎng)保護開關(guān)的動作，造成不必要的損失；因單相光伏并 網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)繼續(xù)供電，造成系統(tǒng)三相負載欠相工作。(2)孤島效應(yīng)特性分析逆變器與電網(wǎng)連接時功率流動情況如圖所示，其中變量名稱及符號如下表所 示，Lr，Cr和R是逆

3、變器的等效負載。P-逆變器輸出有功功率；P-電網(wǎng)正常時逆變器輸送到電網(wǎng)的有功功率Q-逆變器輸出無功功率；Q-電網(wǎng)正常時逆變器輸送到電網(wǎng)的無功功率；Ug- 電網(wǎng)電壓；Ui-逆變器輸出端電壓。a）電網(wǎng)正常工作如圖所示，電網(wǎng)正常工作狀態(tài)下，相當于開關(guān) S閉合。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸 出的有功功率P、無功功率Q的一部分提供給等效負載，另外一部分有功功率 P、 無功功率 Q傳遞給電網(wǎng)。根據(jù)逆變器輸出功率與負載功率平衡的關(guān)系有公式（）、（）存在，其中g(shù)為電網(wǎng)電壓的角頻率31 o()1gLr_2gCr Ug Q Q()b）電網(wǎng)停止工作如圖所示，電網(wǎng)突然斷電時，相當于開關(guān) S斷開。由于S關(guān)斷前后逆變器輸 出的有功

4、功率P、無功功率Q近似保持不變，根據(jù)功率平衡的關(guān)系可得到：()()G Ui2 Q其中i是逆變器輸出電壓的角頻率。根據(jù)逆變器輸出有功功率的平衡關(guān)系, 結(jié)合式（）、（）可得:根據(jù)逆變器輸出無功功率平衡的原理,g Ui22Ui2結(jié)合公式（）、（）可以推出:Q QQcc,u 2QQc-i-2g u g式中Qc是諧振電路中諧振電容Cr的無功功率，其大小為Q公式（）、（）可以得到：i PQi2Qcid2 1 一 一 1g PQgQggCrUg2()()結(jié)合()公式（）、（）表明孤島效應(yīng)發(fā)生時，逆變器的輸出電壓頻率及幅值與逆變器 輸出的有功功率、無功功率有關(guān)。c）特性分析如圖所示：當逆變器并網(wǎng)工作時，如果逆

5、變器輸出的有功功率全部落在局部 負載R上，止匕時P等于零。當孤島效應(yīng)發(fā)生時，從公式（）可以看出 Ug Ui,逆變器輸出電壓保持不變。如果P, Q均為零，那么公式（）可轉(zhuǎn)換為式（）()由公式（）可得g i。上述分析表明：電網(wǎng)停止工作時，如果逆變器并網(wǎng)運行時全部能量均提供給 了局部負載，逆變器輸出電壓、頻率均沒有變化；反之，逆變器輸出電壓或頻率 在電網(wǎng)斷電前后會發(fā)生變化。根據(jù)電壓、頻率的改變即可判斷出是否發(fā)生孤島效 應(yīng)。這也是被動式孤島效應(yīng)檢測法的工作原理。孤島效應(yīng)常用的檢測方法孤島效應(yīng)檢測方法主要分為被動式和主動式兩種。被動式孤島檢測方法通過 檢測逆變器的輸出是否偏離并網(wǎng)標準規(guī)定的范圍 （如電壓

6、、頻率或相位），判斷孤 島效應(yīng)是否發(fā)生。其工作原理簡單，實現(xiàn)容易，但在逆變器輸出功率與局部負載功率平衡時無法檢測出孤島效應(yīng)的發(fā)生。主動式孤島檢測方法是指通過控制逆變器，使其輸出功率、頻率或相位存在一定的擾動。電網(wǎng)正常工作時，由于電網(wǎng)的平衡作用，這些擾動檢測不到。一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，逆變器輸出的擾動將快速累積并超出并網(wǎng)標準允許的范圍，從而觸發(fā)孤島效應(yīng)的保護電路。該方法檢測精度高，檢測盲區(qū)（Non-detection Zone, NDZ） 小，但是控制較復(fù)雜且降低了逆變器輸出電能的質(zhì)量32， 33。（ 1）被動式檢測方法被動式孤島效應(yīng)檢測方法的工作原理上節(jié)已經(jīng)進行了分析。當電網(wǎng)發(fā)生故障時， 除逆變器

7、的輸出電壓、輸出頻率外，其輸出電壓的相位、諧波均會發(fā)生變化。因此被動式孤島效應(yīng)檢測法可以對逆變器上述輸出的變化進行檢測以判斷電網(wǎng)是否發(fā)生故障。a）電壓、頻率檢測光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行過程中，除了要防止孤島效應(yīng)的發(fā)生，還要保證逆變器輸出電壓與電網(wǎng)同步，因此對電網(wǎng)電壓幅值、頻率要不斷進行檢測，以防止出現(xiàn)過壓、欠壓、過頻或欠頻等故障，所以對電壓、頻率進行檢測的被動式孤島檢測方法只需利用已有的檢測參數(shù)進行判斷，無需增加檢測電路。該方法最大的缺點在于逆變器輸出功率與負載功率平衡時，電網(wǎng)斷電后逆變器輸出端電壓和頻率均保持不變，從而出現(xiàn)孤島檢測的漏判。b）相位檢測逆變器輸出電壓相位檢測方法原理與電壓、頻率

8、檢測方法相似：電網(wǎng)出現(xiàn)故障時， 光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器所帶的負載阻抗會發(fā)生變化，導(dǎo)致電網(wǎng)故障前后逆變器輸出電壓和輸出電流相位發(fā)生變化，系統(tǒng)根據(jù)相位的變化情況即可判斷電網(wǎng)是否出現(xiàn)故障。由于電網(wǎng)中感性負載較普遍，因此該方法在孤島效應(yīng)檢測中的效果優(yōu)于電壓、 頻率檢測方法。但是當負載為阻性負載或電網(wǎng)斷電前后負載阻抗特性保持不變時，該方法就失去了孤島檢測能力34 。c）諧波檢測諧波檢測方法是指當電網(wǎng)出現(xiàn)故障停止工作時，由于失去了電網(wǎng)的平衡作用，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電流在經(jīng)過變壓器等非線性設(shè)備時將會產(chǎn)生大量的諧波，根據(jù)諧波的變化情況便可判斷電網(wǎng)是否處于故障狀態(tài)。實驗研究及實際應(yīng)用表明該方法具有良好的檢測效果，但是

9、由于目前電網(wǎng)中存在大量的非線性設(shè)備，諧波變化復(fù)雜，因此很難確定一個統(tǒng)一的用于孤島效應(yīng)檢測的諧波標準35,36 。（2）主動式檢測方法主動式檢測方式是通過控制變流器輸出或外加阻抗等方式主動擾動系統(tǒng)。當發(fā)生孤島情況時，主動擾動將造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，即使是在發(fā)電輸出功率與負載功率平衡的狀態(tài)下，也會通過擾動破壞功率平衡狀態(tài)，造成系統(tǒng)的電壓、頻率有明顯變動，再通過控制單元檢測出來而將太陽能發(fā)電系統(tǒng)與市電隔離，防止孤島現(xiàn)象的發(fā)生。主動方法主要有下列幾種方式：a）輸出電能變動方式通過控制變流器的輸出，施以系統(tǒng)周期性的有功電能或無功電能擾動，當市電中斷時，由于系統(tǒng)失去穩(wěn)定的參考電源，擾動將造成系統(tǒng)電壓或頻率明顯的變動，而檢測出孤島現(xiàn)象。b）加入電感或電容器此方法是在電力系統(tǒng)輸配線路上加裝電感或電容器，當市電中斷或故障時，即將電感或電容器并入，通過無功功率破壞系統(tǒng)平衡狀態(tài)，達到對電壓、頻率的擾動， 使太陽能發(fā)電系統(tǒng)能檢測到