基于光伏并網逆變器的反孤島效應控制策略特性分析

李滿

【摘 要】在簡述光伏并網系統的基本概念和反孤島效應的機理的基礎上，本文研究目前反孤島效應的控制策略特性的方法，通過分析各類控制策略的優點和缺點，展望未來光伏并網逆變器孤島效應控制策略發展趨勢。

【關鍵詞】光伏并網逆變器；反孤島效應；控制策略

目前，光伏并網發電技術在世界范圍內受到越來越多的重視，同時受到國家光伏優惠政策的鼓勵，光伏電站大規模并入國家電網。但在光伏發電系統并入國家電網后，電網和光伏發電站的接入點的調度呈現互相矛盾的現象，光伏并網發電系統存在的不連續性、頻率不一致性、相位不同步等問題給電網的電能質量和穩定性造成極大的危害，使得研究高效率、高可靠性的光伏并網發電技術成為目前光伏發電技術研究的焦點。其中光伏并網發電系統中孤島效應是影響電網的安全穩定運行的關鍵因素，因此快速、有效的孤島控制策略是提高光伏并網發電安全的首要任務，而光伏并網逆變器是光伏發電系統的核心設備，研究光伏并網逆變器反孤島控制策略成為重中之重。

一、光伏并網系統概況

光伏發電并網系統就是將光伏電池組件匯成的光伏陣列在陽光的直射下產生的直流電經過并網光伏逆變器轉換成，輸出與國家電網同頻率、同相位的三相交流電，并接入公共電網的系統[1]。它主要由光伏組件、并網逆變器、箱變、繼電保護設備等組成。光伏并網逆變器是光伏發電系統的關鍵元器件，研究光伏并網逆變器反孤島控制策略是本文研究的重點，也是解決孤島效應的關鍵。

二、孤島效應及反孤島效應控制策略

1.孤島效應及反孤島效應研究現狀

所謂的孤島就是當電網意外事故或停電而發生電網中斷時，并網光伏發電系統不能及時有效監測出停電狀態并及時、快速的脫離并網狀態，繼續發電并向電網注入電量，同時與負載形成電網無法控制的自供電現象。孤島效應下電力調度無法有效的控制光伏并網發電系統，給整個電網帶來安全危害，降低電網的工作效率[2]。主要危害表現以下幾個方面在：

1）效率孤島現象發生后，電力維修人員誤以為供電系統己斷電而接觸運行線路，從而導致觸電危險，危及人身安全；

2）孤島效應可能會導致光伏發電系統的輸出電壓及其頻率發生較大的波動，從而損壞與孤島運行線路相連的負載用電設備；

3）孤島后并網系統輸出電壓和電網電壓存在相位差，當電網恢復供電時會產生很大的沖擊電流，從而損壞發電裝置以及負載，甚至會引起電網重復跳閘停電事故；

4）孤島效應發生后導致故障無法清除，干擾發、配電系統上繼電保護開關的關、斷動作順序等，造成電網事故。

因此為了避免孤島現象，有效的控制電網的調度，在電網故障時，需要快速檢測到孤島現象的發生，并及時切斷并網逆變器的輸出，實現反孤島控制，從而保護電網的安全性和穩定性。目前，針對并網逆變器的反孤島策略主要有基于逆變器外部檢測法、逆變器內部無源檢測法以及逆變器內部有源檢測法三大類，本文主要針對光伏并網逆變器本身進行分析研究。

2.基于光伏并網逆變器的被動式反孤島控制策略分析

1）過/欠電壓、過/欠頻率反孤島控制策略

當并網逆變器輸出的三相交流電與電網頻率、幅值不相符合時，逆變器能夠快速響應，及時改變運行模式脫離電網從而實現反孤島保護的控制策略。該策略基本原理簡單，可以通過對并網點相關參數的檢測進行判斷，但是當負載和逆變器的輸出功率匹配時，電網電壓的頻率變化小、幅值變化小，該控制策略就完全失效。

2）電壓諧波檢測反孤島控制策略

該策略通過光伏發電系統注入國家電網的諧波進行判定是否出現孤島，該策略成功率較高，同時也避免過多的高次、低次諧波進入電網從而保證了電能質量。但是由于系統的非線性特點，難以確定檢測的出現孤島現象后的諧波范圍，無法有效的控制，因此應用較少。

3）相位突變檢測反孤島控制策略

通過檢測逆變器輸出電壓和輸出電流的相位差進行判斷是否出現孤島現象。該方法算法簡單易行，只檢測逆變器的輸出和并網點的相位就可以判定，由于只檢測并網點的參數，因此多適用于多臺逆變器并聯的系統，但是該方法判定檢測的參數范圍設定比較難以界定，使得在純電阻負載系統下無法進行控制，極易造成誤判。

4）關鍵電量變化率反孤島控制策略

通過逆變器輸出功率、輸出頻率的變化率進行系統的不穩定性判定，進而確定系統是否出現孤島現象。

3.基于光伏并網逆變器的主動式反孤島控制策略分析

主動式反孤島策略通過外加微小擾動來對逆變器輸出的電流進行周期性的擾動，在孤島發生時被逆變器檢測并不斷的累加打破逆變器系統和負載之間的平衡，導致并網公共點參數發生變化，觸發孤島保護。目前主要針對頻率、幅值、相位進行施加擾動，從而進行孤島現象的檢測[3]。

1）基于頻率擾動的反孤島控制策略

該策略通過在逆變器輸出電流上施加周期性的擾動，并網時接入點的頻率保持不變，電網停電時接入點電流受到畸變電流的影響，頻率上升或下降至過/欠頻保護，及時脫離電網從而實現孤島保護。

目前主要有正反饋的主動頻率偏移法、有源頻率偏移法、滑膜頻率偏移法、2N周期電流擾動法等。優點是實現簡單，盲區減小，甚至實現無盲區檢測。該方法的缺點是在引入外來干擾情況下降低了電能的質量。在多臺逆變器并網過程中需要保持每臺逆變器頻率變化方向一致，否則會降低檢測效率。

2）基于幅值擾動的反孤島控制策略

基于幅值擾動的反孤島策略主要是將逆變器輸出的電流、電壓、功率等注入周期性擾動，電網故障時可以引起電網的電流、電壓、功率變化，引發過/欠電流、電壓的保護，檢測出孤島現象的發生。

該方法控制簡單、不影響電能質量，但存在多臺逆變器并聯使用時，擾動信號的附加會出現不同步，存在延時，導致檢測的精度下降，可能會造成電網電壓的閃變、電網不穩定性。目前主要由電壓前饋正反饋擾動法、電流前饋正反饋擾動法、周期交流電流擾動法、主動電流擾動法、無功補償法等控制策略。

3）基于相位擾動的反孤島控制策略

基于相位擾動的反孤島策略利用正反饋檢測的原理，由于逆變器和電網的香味不可能存在理論上的絕對0相位誤差，因此加入相位差值擾動在電網發生故障時注入的相位值不斷累加，引發逆變器的輸出電壓與電網電壓相位差大于系統并網可以承受的相位誤差，來進行判斷是否出現孤島現象。

綜上所述，被動式的反孤島控制策略可以保證電網電能質量不會受到影響，適用于功率變動不大且與逆變器的輸出不匹配的場合。主動式反孤島策略可以做到減小甚至消除盲區，適用于輸出電壓波形質量要求不高，檢測速度要求較快的場合，但會向電網引入諧波，電能質量受到影響。

三、結束語

本文研究現有的孤島效應檢測方法，分析其適應場合和存在一些問題，探討其存在的有點和缺點。展望在未來的研究中需要深入研究不同的孤島效應檢測方法和控制策略，在相互兼顧的基礎上考慮混合式的孤島效應檢測策略，及引入的新控制方法比如自適應控制、混沌控制、無差拍控制、模糊控制等，或者主動式和被動式反孤島策略相結合的方法，提高孤島效應控制策略，提高并網逆變器運行性能，進而提高電網質量和穩定性。

【參考文獻】

[1]應戍狄. 光伏發電系統的單相并網逆變器研究[D].遼寧工業大學，2016.

[2]鄭天云，霍成義，鄭一超. 光伏發電反孤島效應的方法研究[D].電氣自動化，2014，36（5）：53-54.

[3]姚道如. 光伏并網逆變器反孤島檢測方法研究[J]. 安徽職業技術學院學報，2010，9（02）：20-23.