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技术平台光伏发电防孤岛保护配置方案分析刘春潇1，王子恒2（1.绥化电力设计院；2 国网绥化供电公司，黑龙江 绥化 152000）摘 要：发电站并网需要特殊防止发生的重要环节就是孤岛效应，他可能造成系统电压、频率等重要参数的变化间接影响用户的安全用电。
本文提出在光伏发电采用主动扰动抗干扰的方法防范孤岛效应的发生，并提出方案和模型。
关键词：光伏发电；孤岛效应光伏发电是一个将直流电逆变成交流电源的过程，通过升压与一定的保护措施后进行与系统电网并网，由于光伏发电的特殊性，保护措施有防功率器过流、防止欠压、滤波等保障措施，但是多少的光伏电站装机容量都相对较小，很难独立支撑一个区域的电力供应并且保证电能质量的安全，所以在电网故障状态时要考虑光伏电站的孤岛运行，即防孤岛效应。
0 引言孤岛效应的提出最早是美国Sandia实验室，它们论述在电力公司网络故障或因检修而停止电力供应的情况下，小型发电站脱离区域网络，形成自发自供并负载大面积供电的情况，如火力发电、水利发电、风力发电都会存在这种独立供电的情况，而这种情况下运行在配电系统负荷变化快、不稳定的条件下，会拉低发电机出力，造成电压不稳、频率不稳等电能质量问题，从而造成用电设备的损坏等不利影响，所以为了防止这种小型发电站并网后脱离系统网络独自承载供电的情况发生，便要设立防孤岛效应的措施以解决安全隐患问题。
1 孤岛保护的方式类型那么对防孤岛保护的要求有哪些呢?首先来讲防孤岛保护应具备主动式和被动式。
主动式包括频率偏高、有功和无功功率变动等。
被动式包括电压相位跳动、频率变化等。
孤岛保护跳闸出口一般接在并网断路器上，当出现孤岛现象时切断并网断路器。
因此防孤岛保护装置须具备精确检并网点的电压、频率，然后当电压、频率出现波动且大于定制时跳闸出口动作，断开并网开关。
2 孤岛过程的分析孤岛发生多数是电网断电后，发电站未能及时脱离系统，而短时间内继续发电并网的情况。
所以对于电网断电的判读速度和准确性对于孤岛现象的避免极为重要。
光伏发电系统并网的孤岛特征及反孤岛策略的研究光伏逆变器并网运行中可能发生的孤岛效应会给电力设备和电力员工带来不可估量的危害,因此相关标准规定凡是并网型的光伏发电系统中都一定要装配防孤岛的保护装置,孤岛效应特征与反孤岛策略的研究是当务之急。
分析孤岛效应的发生过程及各项检测标准是研究孤岛检测策略的基本条件,研究了NDZ的表达方式从而给孤岛检测策略的性能进行评价打下基础。
分析了主动移频式检测策略、Sandia频率偏移策略、滑模频率偏移策略这几种主动式反孤岛策略的基本理论、实现手段、盲区分布以及总谐波失真度,由于主动式反孤岛策略必须持续不断地给电网加入扰动量,必然降低并网逆变器输出电流的电能质量。
基于此种情况,本文构建了盲区预评估机制,提出了选择性地引入主动式反孤岛策略的复合式孤岛检测策略,将持续不断地施加扰动量优化成选择性地给输出电流施加扰动量。
该策略具有极小的NDZ,在某些负载情况下可以实现无盲区检测,同时能极大地改善因谐波带来的电能质量差的问题。
由于被动式检测策略无谐波污染的优势明显大于主动式检测策略,本文提出一种结合粒子群算法与BPNN的人工智能孤岛识别策略,实现无NDZ、无谐波污染的孤岛检测。
采用公共耦合点PCC处的电压、并网电流以及频率值三者的变化率作为神经网络的输入层的输入向量,引进PSO优化BPNN的训练过程,改善孤岛识别的准确性与实时性。
通过实验仿真发现,该策略能够准确识别系统的孤岛与各种非孤岛状态。
探讨光伏并网发电系统的孤岛效应在电网有误操作、电气故障出现或者自然因素出现供电中断的情况时，和公共电网连接的各个光伏发电系统无法及时的将停电现象检测出来，会导致光伏发电系统对某个区域单独进行供电，出现无法通过电力部门控制的孤岛效应，此情况出现会降低电网的安全标准，使得频率超出了规定的范围，会对孤岛上的检修人员和设备的安全造成大的安全隐患，因此对孤岛效应的控制策略和检测方法进行研究，有非常重要的现实意义。
1出现孤岛效应的主要原因图1光伏系统并网等效电路图通常情况下，可以使用RLC并联电路模拟光伏发电系统的负载，假如负载接入点的电压频率和电压分别为f和U，输出的无功功率和有功功率分别为Qpv 和Ppv，负载吸收的无功功率和有功功率分别为QL和PL，负载和光伏系统直接的功率偏差分别使用△P和△Q表示，那么光伏发电系统并网的等效电路如图1所示。
在光伏系统的运行状态为正常时，负载端电压是受公共电网电压制约的，而不是受并网逆变器输出电压影响，当电网有异常情况出现时，一旦逆变器的负载和输出功率不匹配，就会导致电网光伏系统的无功功率和有功功率出现比较大的变化，进而导致负载频率和负载电压出现较大的变化，电压频率和副值会在限定值以上，此时，检测系统就很容易出现孤岛，控制系统会立即把电网和逆变器切断，使光伏系统停止电能的输出。
在光伏发电系统的负载消耗功率和输出功率平衡时，由于电网频率f和RLC组成的负载谐振频率相同，次数并网逆变器的并网输出电流为零，当负载功率和并网逆变器的输出功率相同时，很难对孤岛效应进行检测，此时就会进入到检测盲区，导致光伏发电系统和负载进入到孤岛运行的状态。
2防止出现孤岛效应的方法一般情况下，会通过对电压幅指数、频率情况、相位偏移情况判断并网系统中的孤岛效应，在对孤岛效应进行检测的过程中，主要有主动检测和被动检测两种方法。
在使用主动方法进行检测时，会先将并网逆变器控制住，然后使输出功率、输出频率、相位出现扰动的情况，在电网实际运行的过程中，由于电网具有自我平衡的能力，扰动不能检测出来，而在电网工作停止时，并网逆变器的扰动会迅速积累，并超过并网的规定范围，触动电路保护，使用这种方法进行检测，具有检测盲区小，检测准确度高的优点。
光伏逆变器一孤岛效应目录1.前言 (1)1. 1.什么是孤岛效应? (1)2. 2.危害 (2)2.防孤岛的工作原理 (3)3.防孤岛检测 (3)3.1.概述 (3)3.2.被动式 (3)3.2.1. (1).概述33.2.2.电压和频率检测法 (4)3.2.3.电压谐波检测法 (4)3.2.4.电压相位突变检测法 (4)3.3.主动式 (5)3.3. 1.概述 (5)3.3.1.输出频率扰动法——AFD (6)3.3.2.频率偏移检测法 (6)3.3.4.滑模频漂检测法 (6)3.3.5.电流干扰检测法 (7)3.3.6.频率突变检测法 (7)3.3.7.其他方法 (7)1.前言11.什么是孤岛效应？在电子电路中，孤岛效应是指电路的某个区域有电流通路而实际没有电流流过的现象。
在通信网络中，无线移动基站的覆盖可能会存在的一种现象。
孤岛效应(ISIandingEffeCt)是指电网突然失压时,并网光伏发电系统仍保持对电网中的邻近部分线路供电状态的一种效应。
孤岛效应是指当电网的部分线路因故障或维修而停电时，停电线路由所连的并网发电装置继续供电，并连同周围负载构成一个自给供电的孤岛的现象。
当电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时，光伏并网发电系统（逆变器）仍然向周围的负载供电，从而形成一个无法控制的自给供电孤岛。
在电容器串联的电路里，只有与外电路相连接的两个极板（注意：不是同一电容器的极板）有电流流动（电荷交换），其他极板的电荷总量是不变的，所以称为孤岛。
孤岛是一种电气现象，发生在一部分的电网和主电网断开，而这部分电网完全由光伏系统来供电。
在国际光伏并网标准化的课题上这仍是一个争论点，因为孤岛会损害公众和电力公司维修人员的安全和供电的质量，在自动或手动重新闭合供电开关向孤岛电网重新供电时有可能损坏设备。
所以，逆变器通常会带有防止孤岛效应装置。
被动技术（探测电网的电压和频率的变化）对于平衡负载很好条件下通电和重新通电两种情况下的孤岛防止还不够充分，所以必须结合主动技术，主动技术是基于样本频率的移位、流过电流的阻抗监测、相位跳跃和谐波的监控、正反馈方法、或对不稳定电流和相位的控制器基础上的。
并网光伏发电系统的反孤岛研究与离网光伏发电系统相比较，并网太阳能发电系统具有更高的电能利用率，太阳能发电系统将光伏阵列发出的电能经逆变器逆变后输送到电网1，并网时需满足以下条件：发电系统的电压频率经逆变器逆变后与并网电压频率相同、系统输出电压的最大值与电网电压最大值相同、经逆变后的电压与电网电压的相角差为零2。
光伏并网发电技术作为快速进展的新能源技术之一，带来的孤岛效应问题也亟待解决。
根据现有的技术，孤岛解决方案分为主动方案和被动方案两种。
当并网断开时，发电系统逆变器输出端的电气参数会因为断开电网而变化，以检测电压、频率、相位变化为依据的是被动式方案，被动式方案在负载所需功率和太阳能发电系统输出功率相等时，频率的变化很小，从而无法检测到孤岛故障。
与被动式不同的是向电网注入扰动来检测孤岛效应的方法则是主动式反孤岛策略，该方法更容易实现，克服了被动式无法检测到频率变化的缺陷。
本文的正反馈主动式频率偏移法的提出加快了检测孤岛故障的速度。
1孤岛效应的发生与检测1.1孤岛效应的发生此处以测试原理图来解释孤岛故障，如图1所示。
从孤岛测试原理图中能够看出，太阳能发电系统经逆变后，经过电气设备与电网连接。
当太阳能发电系统正常工作时，用电感、电阻、电容的并联电路来表示发电系统的负载，太阳能发电系统的输出功率用P+jQ表示。
1.2孤岛效应的检测图2所示为太阳能并网发电结构图。
光伏阵列发出的电经IGBT逆变传送到电网，L1、C2组成滤波器能够同意特定的频率通过，用电容C、电阻R、电感L并联来表示负载。
C1充电后表示直流电源。
光伏阵列发出的电经过逆变器逆变后，能够与电网电压同频同相3，这样才能并网。
在图3所示的示意图中，若开关断开后，就会产生孤岛效应问题，开关断开后，发电系统的电压和频率无法操纵，对本地负载会造成危害，当开关重新闭合时，也会影响电网的电能质量。
局部反孤岛策略如图4所示，反孤岛策略主要分为以下两种：被动式方案是在电网发生断电时，以检测电路中的相关参数为依据的，这种方法检测不到电压频率的变化，造成漏检；主动式是向逆变器输出电流注入扰动引起电压频率变化来推断是否发生了孤岛现象4，对于负载来说，若电容过大或电感过大时会有检测盲区，无法检测到故障。
反孤岛解决方案1. 孤岛效应所谓孤岛效应，是指当电力公司因故障或停电维修而停止供电时，用户端的并网逆变器系统仍处于工作状态，使得并网逆变器和周围的负载形成了电力公司无法控制的自供电网络。
光伏并网发电系统处于孤岛运行状态时会产生严重的后果：（1）电网无法控制孤岛中的电压和频率，若电压和频率超出允许的范围，可能对用户的设备造成的损坏；（2）若负载容量大于光伏发电系统的容量，光伏发电系统过载运行，易被烧毁；（3）与光伏发电系统连接的电路仍会带电，对检修人员造成危险，降低电网的安全性；（4）对孤岛进行重合闸操作时会导致该线路再次跳闸，还有可能损坏光伏发电系统和其他设备。
因此，光伏并网逆变器具有孤岛检测和反孤岛的功能是很有必要的。
2. 孤岛检测检测孤岛效应的方法有很多种，主要分为两种：被动检测和主动检测。
被动检测就是光伏并网逆变器检测与电网连接处的电网电压或频率的异常来检测孤岛效应。
主动检测是有意的引入一些扰动信号，来监控系统中的电压、频率和阻抗的相应变化，以确定电网的存在与否。
比较被动检测和主动检测的区别，被动检测的软件实现比较简单，但是检测范围有限，无法满足并网发电系统反孤岛保护安全标准的要求，因此我们选择用主动检测的方法；而主动检测可以使孤岛检测的盲区尽可能的小，孤岛检测比较有效，但是软件实现比较复杂，并且会使并网发电系统的发电效率有所降低。
国际上对反孤岛检测方案和响应时间没有明确的规定， IEEE Std.929[2]和IEEE Std.1547[3]根据孤岛效应发生时的具体情况推荐了不同的孤岛效应检测时间。
表1为IEEE Std.1547[3]允许的孤岛效应检测时间。
n n n f 指电网电压的频率值。
对于中国的单相市电，n f 为50Hz 。
经研究讨论，根据逆变器的控制策略，我们选择了两种的孤岛检测的方法，滑膜频率偏移法（slip-mode frequency shift, SMS ）和主动电流扰动法。
光伏发电并网系统的孤岛效应及反孤岛策略近年来，随着能源的过度消耗，传统能源对环境带来的影响日益加重，人们逐渐意识到清洁能源的使用可以改善现有能源紧缺的状况，也可以改善能源使用对环境所带来的影响。
太阳能作为一种清洁、环保型的能源不仅无污染、可持续性强而且使用便捷，因此越来越多的人开始使用这种新型能源。
随着使用范围的扩大，它已经从补充型能源向替代型能源逐渐过渡。
孤岛效应是光伏发电中独有的故障，为了能够让清洁能源得到更好的利用，我们必须要制定对应的策略来改善孤岛效应带来的损害。
一、关于孤岛效应（一）概念它是指在光伏发电系统中，整个电力网络由于故障原因或是停电而出现跳闸断电的情况。
而此时各个分布式发电系统并没有检测出对应的故障问题，进而没有及时将光伏发电系统与电力网络断开，从而形成了一个以分布式发电系统以及其他负载组件共同形成的发电孤岛。
（二）危害1.一旦这种发电孤岛形成就会给系统内的电压和频率造成非常直接的影响，甚至会对相应的装置设备造成损害[1]。
2.而当故障解除之后，光伏发电系统在重新接入电力网络时又可能会出现电压不同步的情况，继而出现电流突变的情况，导致电力设备和其他器件受到损害。
3.断电之后的孤岛效应会造成接地故障无法彻底清除，给电力系统造成影响。
4.孤岛效应很容易给工作人员带来认知偏差，认为是电力网络断电，进而做出错误的判断，给工作人员的人身安全带来威胁。
为了避免孤岛效应给设备和工作人员造成危害，就必须要在出现此类情况时具备一定的防御保护能力，进而确保设备完好、人员安全。
二、关于孤岛效应危害的解决策略触发孤岛效应出现的必要条件就是光伏系统内的输出功率与其负载功率相互匹配。
依据孤岛效应的检测规定，当发电系统中所输出的有功功率和负载有功功率之间出现5%的误差且持续时间长达2s以上，便可以确定光伏发电的孤岛效应已经产生。
因此我们可以得出结论，孤岛效应的出现与功率数值是否匹配以及其所能够持续的时间有紧密的联系。
光伏孤岛装置的作用、光伏电站反孤岛保护装置的作用
国家电网针对分布式光伏电站有了更加明确的规定，就是根据光伏的安装容量大小和变压器的自身容量，加装反孤岛装置。
若不加装反孤岛，接入的光伏容量最多只能为变压器的25%，若加装反孤岛装置，可以增加到变压器的80%。
由此看来，加装反孤岛装置对于分布式光伏电站是非常重要的，起着非常重要的作用。
首先来说，反孤岛装置是一个柜子的形式出现，它不同于防孤岛装置。
防孤岛保护装置一般安装在并网柜中，当电网出现异常时候，跳开并网开关因此在防孤岛概念中有主动式防孤岛和被动式防孤岛之分。
反孤岛装置是一个配电柜。
里面的核心元件为扰动电阻，控制元件，反孤岛开关等。
其主要作用为当电网失电的情况下，如果400V母线依然有电，这时候启动反孤岛装置。
通过投入反孤岛来扰动400V母线电压，从而迫使逆变器停止运行。
保证检修人员的安全。
国家电网的典型设计规范如下图所示：
一般来讲，国家电网使用的JP柜都是三路馈线，这样一来，需要反孤岛装置配有三组开关来配合使用。
一般都是用于低压400V的电压等级。
如果是10KV或者更高的电压等级，使用的应该是防孤岛保护装置了。
如今集中式光伏电站逐渐减少。
屋顶式光伏电站逐渐增多。
而且对于大多数的扶贫项目来说，都是安装容量比较小的而且安装比较分散，使用的多为公变。
这样一来即时电网停电了。
逆变器也极大可能处于发电状态，这种孤网运行是不允许存在的，因此在检修前如电网有此现象，立即投入反孤岛。
孤岛效应分析光伏并网发电系统是利用光伏电池将光能转化为电能,并将转化来的电能传输给电网的装置,它除了具有和其它系统一样的保护功能如过流、过压、欠压、过热、过频、欠频外,还要求具有一种特殊的保护功能即反孤岛效应功能。
一、孤岛效应的含义当系统工作于直接并网方式时,除了具有基本的保护功能外,还应该具有预防孤岛效应的特殊功能。
根据美国sandia国家实验室提供的报告可知,所谓孤岛效应就是当电力公司的供电系统,因故障事故或停电维修等原因停止工作时,安装在各个用户端的光伏并网发电系统未能及时检测出停电状态而不能迅速将自身切离市电网络,而形成的一个由光伏并网发电系统向周围负载供电的一种电力公司无法掌控的自给供电孤岛现象。
光伏发电并网工作示意图如上图所示为光伏发电系统并网工作的示意图,孤岛状态的含义:当逆变器并网工作时,因为各种原因导致市电不能给本地负载供电,即图中开关断开,此时如果没有任何孤岛判断技术,逆变器会持续给本地负载和局部电网负载供电,这样就会造成很大的危险,这就是所说的出现了孤岛供电现象。
孤岛效应是并网发电系统特有的现象,具有相当大的危险性,不仅会危害到整个配电系统及用户端的设备,更严重的会造成输电线路维修人员的生命安全,这是因为:(l)当电网需要停电维修时,光伏发电系统将会危及维修人员的安全。
(2)当孤岛效应发生时,电网不能控制供电孤岛的电压和频率,电压幅值和频率的漂移会对用电设备带来破坏。
(3)由于并网系统输出电压和电网电压之间产生了相位差,所以当电网重新恢复供电时会产生浪涌电流,可能会引起再次跳闸或对光伏系统、负载和供电系统带来损坏。
因此,对光伏并网发电系统来说,具有反孤岛效应的功能是至关重要的。
反孤岛效应的关键是电网断电的检测,而检测时间越短效果越好。
根据国际标准IEEE std.2000一929和UL1741,光伏并网发电系统在电网断电后检测到孤岛现象并将并网发电系统与电网断开的最大时间限制,如下表所示：IEEE std.2000一929/ UL1741对孤岛最大检测时间的限制指电网电压的标准值，对于我国单相市电为交流220V（有效值），注：Vnorm指电网电压频率的标准值，对我国市电的频率为50Hz。
