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隨著綠色能源可再生能源的大規(guī)模開發(fā)和利用，太陽能憑借其獨特的優(yōu)點得到了更多的關(guān)注。太陽能是當(dāng)前世界上最清潔、最現(xiàn)實、大規(guī)模開發(fā)利用最有前景的可再生能源之一。其中太陽能光伏利用受到世界各國的普遍關(guān)注，而太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽能光伏利用的主要發(fā)展趨勢，必將得到快速的發(fā)展。本論文就是在此背景下，對太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中最大功率跟蹤控制技術(shù)、并網(wǎng)控制策略、孤島效應(yīng)檢測方法等進行了研究，具有重要的現(xiàn)實意義。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的兩個核心部分是太陽能電池板的最大功率點跟蹤（MPPT）控制和光伏并網(wǎng)逆變控制。本文重點對光伏發(fā)電的逆變器最大功率點跟蹤技術(shù)、孤島檢測技術(shù)以及光伏電站并網(wǎng)控制技術(shù)進行了討論，并且預(yù)測了光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢。 1研究背景 傳統(tǒng)電能的生產(chǎn)百分之六七十都采用的火電形式，火電是用煤發(fā)電，有大量的溫室氣體和有毒氣體產(chǎn)生，這些氣體的排放破壞生態(tài)平衡，并且全球各國工業(yè)對煤、石油、天然氣等化石能源的需求量急劇增長，而這些不可再生能源的儲量是有限的，越來越少，不該作為燃料耗盡。太陽能具有分布廣泛，資源可再生，易采集，清潔、干凈、污染小，建造靈活方便，擴容方便，具有通用性，有可存儲性等特點。太陽能系統(tǒng)可以加入蓄電池儲存電能，光伏建筑集成，把太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)直接與建筑物相結(jié)合，這樣能節(jié)省發(fā)電站使用的土地面積、減少了傳輸成本。最后太陽能光伏具有分布式特點，光伏發(fā)電系統(tǒng)的分布式特點既可以提高整個能源系統(tǒng)的安全可靠性，特別是從抵御自然災(zāi)害和戰(zhàn)備的角度看，更具有明顯的意義。 2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本介紹 2.1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本原理 太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)是將太陽能光伏陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為與公共電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電，因此該系統(tǒng)是既能滿足本地負(fù)載用電又能向公共電網(wǎng)送電。一般情況下，公共電網(wǎng)系統(tǒng)可看作是容量為無窮大的交流電壓源。當(dāng)太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中太陽能光伏陣列的發(fā)電量小于本地負(fù)載用電量時，本地負(fù)載電力不足部分由公共電網(wǎng)輸送供給；當(dāng)光伏電池陣列的發(fā)電量大于本地負(fù)載用電量時，太陽能光伏系統(tǒng)將多余的電能輸送給公共電網(wǎng)，實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。
2.2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成 太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)組成如圖所示，該系統(tǒng)一般由太陽能電池光伏陣列、MPPT控制、DC/DC變換器、驅(qū)動電路以及控制器組成，其中變換器可將太陽能光伏陣列發(fā)出的直流電逆變成正弦交流電并入公共電網(wǎng)?？刂破髦饕刂颇孀兤鞑⒕W(wǎng)電流的波形、功率以及光伏電池最大功率點的跟蹤，以便向電網(wǎng)傳送的功率與太陽能光伏電池陣列所發(fā)的最大功率電能相匹配。
2.3光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方式 如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，則相當(dāng)于是電壓源與電壓源并聯(lián)運行；如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電流控制，就相當(dāng)于電流源與電壓源并聯(lián)運行。逆變器采用電流控制時，只需控制逆變器的輸出電流跟蹤電網(wǎng)電壓，控制輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，這樣系統(tǒng)的功率因數(shù)為1。目前，光伏并網(wǎng)逆變器一般都采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式。 太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變器通常采用電流控制模式，這樣整個系統(tǒng)系統(tǒng)實際上就是一個電壓源和電流源并聯(lián)的系統(tǒng)。逆變器并網(wǎng)運行的主要控制目標(biāo)是要保證逆變器輸出電流與公共電網(wǎng)電壓同頻同相，并且還能實時跟蹤電網(wǎng)電壓實現(xiàn)最大功率跟蹤控制。通過采用鎖相控制技術(shù)實現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)輸出的并網(wǎng)電流與公共電網(wǎng)電壓相位同步，保證系統(tǒng)輸出的功率因數(shù)為1。逆變器并網(wǎng)運行時還要控制并網(wǎng)電流的總畸變失真要低，以減小對電網(wǎng)的諧波影響，使并網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率輸出達到最大。 2.4光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的分類 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以按照系統(tǒng)功能分為兩類：一種為不含蓄電池環(huán)節(jié)的不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；另一種為含有蓄電池組的可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如1．1所示 可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)增加了儲能環(huán)節(jié)，系統(tǒng)首先對蓄電池進行充電，然后根據(jù)需要將系統(tǒng)用作并網(wǎng)或者經(jīng)逆變后獨立使用，系統(tǒng)工作時間和并網(wǎng)功率大小可以人為設(shè)定?？烧{(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)雖然在表面上看來比不可調(diào)度式系統(tǒng)功能齊全，但由于增加了儲能環(huán)節(jié)，帶來了很多嚴(yán)重的問題，這是因為： (1)由于采用蓄電池作為儲能設(shè)備，系統(tǒng)必須增加蓄電池的充電裝置，這就增加了成本并且降低了系統(tǒng)的可靠性。 (2)蓄電池組的壽命較短。目前免維修蓄電池在良好環(huán)境下的工作壽命通常為5年，而光伏陣列穩(wěn)定工作的壽命則在25~30年之問，這樣就需要定期更換蓄電池組，又增加了許多系統(tǒng)的投入。 (3)蓄電池組較為笨重，需要占用較大空間，同時要防止泄露出腐蝕性液體，另外報廢的蓄電池組要專門處理，否則會造成污染。 基于上述原因，目前的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主要以不可調(diào)度式系統(tǒng)為主。不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的集成度高，其安裝和調(diào)試相對方便，可靠性也高。
并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)其所產(chǎn)生的電能能否返送到電力系統(tǒng)，可以分為逆流型，無逆流型，切換型，直、交流型，混合型和地域型等。 （1）直、交流型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)就是將光伏發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的直流電直接供用電設(shè)備使用。該系統(tǒng)有時與電力系統(tǒng)并用，主要目的是為了提高供電的可靠性。 （2）混合并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)太陽能光伏發(fā)電所提供的電力不足(如遇到連續(xù)陰雨天氣、冬季日照時間過短等)，需要使用其他能源來補充時，可以將風(fēng)力發(fā)電、燃料電池發(fā)電等其他發(fā)電系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)并用，這樣的系統(tǒng)叫做混合并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，如太陽能光伏、燃料電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)、光互補型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)：①太陽能光伏、燃料電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，為綜合利用能源，提高能源的綜合利用率，節(jié)約電費，減少環(huán)境污染，有時將燃料電池與太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)在一起，構(gòu)成太陽能光伏、燃料電池并網(wǎng)系統(tǒng)；②風(fēng)、光互補型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)利用光伏發(fā)電提供的電力不足時，可以利用風(fēng)力發(fā)電；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電不足時，可以利用光伏發(fā)電，這樣的系統(tǒng)稱為風(fēng)、光互補式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。 風(fēng)光互補系統(tǒng)同時利用太陽能和風(fēng)能發(fā)電，因此對氣象資源的利用更加充分?？蓪崿F(xiàn)晝夜發(fā)電。在適宜氣象條件下，風(fēng)光互補系統(tǒng)可提高系統(tǒng)供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。由于通常夜晚無陽光時恰好風(fēng)力較大，所以互補性好，可以減少系統(tǒng)的太陽能板配置，從而大大降低系統(tǒng)造價，單位容量的系統(tǒng)初投資和發(fā)電成本均低于獨立的光伏系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)電有余時可向電網(wǎng)系統(tǒng)供電(賣電)；當(dāng)該系統(tǒng)所發(fā)出的電能不足時，可以由電網(wǎng)系統(tǒng)供電(買電)。 逆流型太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能充裕時，可將剩余電能向電網(wǎng)系統(tǒng)供電；當(dāng)太陽能光伏系統(tǒng)提供的電力不足時，可利用外接電力系統(tǒng)供電。這種系統(tǒng)稱為逆流式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。 無逆流型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，即使發(fā)電充裕也不向電力系統(tǒng)供電，但當(dāng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)供電不足時，可以利用外接電力系統(tǒng)供電。這種系統(tǒng)稱為無逆流式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。 (5)切換型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可分為以下兩種：①切換型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)多云、陰雨、日光不足、晚間或蓄電池容量不足時，切換器能自動地?fù)Q向電力系統(tǒng)一側(cè)，由電網(wǎng)直接向負(fù)載供電。設(shè)計時，若采用大容量的蓄電池，投資費用增大；采用切換器可使用小容量的蓄電池，則成本可以明顯降低。②自運行切換型并網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)電力系統(tǒng)因多種原因突然停電時，光伏系統(tǒng)可以通過保護裝置自動使電力系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)分離。 3光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的核心技術(shù) 為了最大限度的利用好太陽能資源，現(xiàn)階段太陽能光伏并網(wǎng)技術(shù)的研究方向為最大功率點跟蹤技術(shù)，并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)，孤島檢測技術(shù)。 3.1最大功率點跟蹤技術(shù)（MPPT） 最大功率點跟蹤技術(shù)是通過調(diào)整光伏陣列端電壓，使光伏陣列在不同的光照和溫度下實現(xiàn)最大功率輸出，目前常用的MPPT方法主要有恒電壓跟蹤方法，干擾觀測法和電導(dǎo)增量法 3.1.1恒電壓跟蹤方法 雖然光伏陣列的最大功率點功率隨著光照強度的增強而增大.但最大功率點電壓基本變化不大。因此，只要通過光伏陣列生產(chǎn)商提供的光伏陣列的特性數(shù)據(jù)或者通過實際測量就可以得到近似最大功率點電壓U..系統(tǒng)只需將光伏陣列的輸出電壓固定在U.上.就可以使光伏陣列以近似最大功率輸出。這樣就將最大功率點跟蹤控制簡化成穩(wěn)壓控制，光伏陣列的工作點比較穩(wěn)定，實現(xiàn)方法簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。 但是.這種方法忽略了溫度對光伏陣列工作特性的形響。當(dāng)溫度上升時，光伏陣列的最大功率點電壓下降，并且變化較大。如果仍然采用固定電壓法控制.光伏陣列的輸出功率將損失較大.無法充分發(fā)揮作用，效率下降.因此，在冬夏、早晚等溫度變化較大時.采用固定電壓控制并不合適，此時，可以通過以下方法根據(jù)實際情況改變Um： 1)根據(jù)冬夏、早晚的實際情況，手工調(diào)整Um.由于需要人工維護，費時費力，因此較少采用。 2)將光伏陣列在不同溫度下對應(yīng)的Um.存儲在系統(tǒng)的存儲器內(nèi)。根據(jù)溫度傳感器測量得到的溫度相應(yīng)的將光伏陣列輸出電壓固定在此溫度下對應(yīng)的Um。 3)根據(jù)光伏陣列的最大功率點電壓與開路電壓之間存在近似的比例關(guān)系這一特性改變Um。 根據(jù)以上分析，可知因定電壓法的特點如下: 1)原理簡單，控制方法容易實現(xiàn).只需耍將光伏陣列輸出電壓固定在近似最大功率點電壓Um處即可。 2)由于光伏陣列輸出電壓固定在某一特定值，因此系統(tǒng)比較穩(wěn)定.不易出現(xiàn)振蕩. 3)在外部環(huán)境發(fā)生變化的情況下控制精度較低.因此適用子外部環(huán)境(光照強度、溫度等)變化不大的場合，如太空。 3.1.2干擾觀測法 擾動觀察法是一種通過主動改變光伏陣列工作點、根據(jù)改變前后的輸出功率的變化來確定最大功率跟蹤方向的一種方法.它的工作原理是:給光伏陣列的工作點施加一定的擾動.然后判斷光伏陣列輸出功率的變化.如果輸出功率增大.則保持?jǐn)_動方向不變繼續(xù)擾動;如果輸出功率減小.則反方向擾動。 擾動觀察法的特點如下： 1)跟蹤算法簡單，容易實現(xiàn)； 2)光伏陣列最終會在最大功率點附近振蕩.造成部分功率損失； 3)跟蹤步長會對跟蹤精度及跟蹤速度產(chǎn)生影響.即跟蹤步長過大.可以提高跟蹤速度，但會使跟蹤精度下降，功率損失增大:跟蹤步長過小，可以最終提高跟蹤精度，但是過小的步長會使系統(tǒng)長時間工作在非最大功率點附近，即蹤速度級慢； 4）在外部環(huán)境發(fā)生急劇變化時，系統(tǒng)會發(fā)全誤判現(xiàn)象，但是能夠最后自我修正。 3.1.3電導(dǎo)增量法 電導(dǎo)增量法是另外一種比較常用的最大功率點跟蹤方法.，通過光伏陣列的P-U曲線可以看出:當(dāng)光伏陣列的工作點位于最大功率點的左側(cè)時。dP/dU>O:當(dāng)光伏陣列的工作點位于最大功率點時，dP/dU-0:當(dāng)光伏陣列的工作點位于最大功率點的右側(cè)時，dPIdU<O.因此.只要確定了dP/dU的大小，就可以判斷出光伏陣列的工作點的位置，也就可以確定應(yīng)該如何調(diào)控光伏陣列的工作點。 擾動觀察法類似的是，當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生劇烈變化時.電導(dǎo)增量法也會發(fā)生“誤判”現(xiàn)象.甚至有可能導(dǎo)致無法完成最大功率點跟蹤。根據(jù)電導(dǎo)增量法原理，判斷dP/dU=0，工作點被錯誤的認(rèn)定為最大功率點。如果外部環(huán)境不再發(fā)生變化.光伏陣列將保持在此工作點工作，從而導(dǎo)致最大功率點跟蹤失敗。只有當(dāng)外部環(huán)境再次發(fā)生變化時，電導(dǎo)增最法才會自我修正到正確的跟蹤方向。根據(jù)以上分析，可以看山電導(dǎo)增量法含有復(fù)雜的除法運算，這對于致字處理器的實時處理形響較大。如果能夠去除除法運算，程序的運算效率將大大提高.實時性也將更強。 總結(jié)電導(dǎo)增量法的特點如下： 1)與擾動觀察法不同.電導(dǎo)增量法在達到最大功率點后將穩(wěn)定在此工作點工作，控制效果較好，控制精度較高； 2)對采樣參數(shù)精度要求高。致硬件成本高； 3)算法比較復(fù)雜，存在除法運算，運算量大.經(jīng)過改進后可以去除除法運算，提高程序運行效率； 4)跟蹤步長會對跟蹤精度及跟蹤速度產(chǎn)生影響.跟蹤步長過大，可以提高跟蹤速度.但不易實現(xiàn)在最大功率點處穩(wěn)定工作，導(dǎo)致在最大功率點附近產(chǎn)生振蕩:跟蹤步長過小會使系統(tǒng)長時間工作在非最大功率點附近.跟蹤速度緩慢； 5)在外部環(huán)境發(fā)生急劇變化時，系統(tǒng)會發(fā)生“誤判”現(xiàn)象，極端情況會導(dǎo)致最大功率點跟蹤失敗。 3.2并網(wǎng)逆變器控制技術(shù) 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為正弦交流電，從而向電網(wǎng)供電的裝置，它實際上是一個有源逆變系統(tǒng)。光伏并網(wǎng)控制目標(biāo)是：控制逆變電路輸出的交流電流為穩(wěn)定的高質(zhì)量的正弦波，且與電網(wǎng)電壓同頻、同相。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器按控制方式分類，可以分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制四種方式。電壓源型逆變器是采用電容作為儲能元件，在直流輸入側(cè)并聯(lián)大電容用作無功功率緩沖環(huán)節(jié)，構(gòu)成逆變器低阻抗的電源內(nèi)阻特性，即電壓源特性。以電流源為輸入方式的逆變器，其直流側(cè)需串聯(lián)一個大電感作為無功元件儲存無功功率，構(gòu)成逆變器高阻抗的電流源特性，提供穩(wěn)定的直流電流輸入，但是串入大電感往往會導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)差，因此，目前世界范圍內(nèi)大部分并網(wǎng)逆變器均采用以電壓源輸入為主的方式。 并網(wǎng)逆變器中逆變部分控制的關(guān)鍵量是矢量圖中的電流，可以通過對輸出電壓的控制完成對I的控制或者直接對I進行控制，完成對交流側(cè)電流、功率因數(shù)的控制。因此，根據(jù)電流控制方法的不同，可以將電流控制方式分為以下兩種控制模式： 1)間接電流控制：它是根據(jù)穩(wěn)態(tài)電流向量的給定、PWM基波電壓向量的幅值和相位，分別進行閉環(huán)控制，進而通過電壓控制實現(xiàn)對并網(wǎng)電流的控制。該控制策略雖然簡單且不需檢測并網(wǎng)電流，但動態(tài)響應(yīng)慢，存在瞬時直流電流偏移，尤其是瞬態(tài)過沖電流幾乎是穩(wěn)態(tài)值的兩倍；從穩(wěn)態(tài)向量關(guān)系進行電流控制，其前提條件是電網(wǎng)電壓不發(fā)生畸變，而實際上由于電網(wǎng)內(nèi)阻抗、負(fù)載的變化以及各種非線性負(fù)載擾動等情況的存在，尤其是在瞬態(tài)過程中電網(wǎng)電壓的波形會發(fā)生畸變。電網(wǎng)電壓波形的畸變會直接影響著系統(tǒng)控制的效果，因此間接電流控制方法控制電路復(fù)雜、信號運算過程中要用到電路參數(shù)、對系統(tǒng)參數(shù)有一定的依賴性、系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度也比較慢。 2)直接電流控制：通過運算求出交流電流，再引入交流電流反饋，通過對交流電流的直接控制，使其跟蹤指令電流值。對于并網(wǎng)型逆變器來說為了獲得與電網(wǎng)電壓同步的給定正弦電流波形，通常用電網(wǎng)電壓信號乘以電流有功給定，產(chǎn)生正弦參考電流波形，然后使其輸出電流跟蹤這一指令電流。具有控制電路相對簡單、對系統(tǒng)參數(shù)的依賴性低、系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點。 3.3孤島檢測技術(shù) 3.3.1孤島效應(yīng)概念 所謂孤島效應(yīng)，根據(jù)美國Sandia國家實驗室(SandiaNationalLaboratories)提供的報告指出：當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因中斷供電時，各個用戶端的太陽能發(fā)電系統(tǒng)未能及時檢測出停電狀態(tài)將自身脫離市電電網(wǎng)，則太陽能發(fā)電系統(tǒng)和負(fù)載形成一個公共電網(wǎng)系統(tǒng)無法控制的自給供電孤島。事實上，不只太陽能發(fā)電系統(tǒng)會有這個問題的存在，只要是分散式的發(fā)電系統(tǒng)，例如：風(fēng)力發(fā)電、燃料電池發(fā)電等，或是一般并聯(lián)在市電的發(fā)電設(shè)備都會有此問題產(chǎn)生。
孤島現(xiàn)象可能產(chǎn)生的三種方式包括： 1．大電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)停止運行導(dǎo)致整個電網(wǎng)停電，例如開關(guān)K3斷開，但是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仍通過投閘開關(guān)連接在電網(wǎng)上,其輸出容量遠(yuǎn)小于供電電網(wǎng)系統(tǒng)容量，在短時間內(nèi)形成的孤島系統(tǒng)就會崩潰。 2．大電網(wǎng)或配電網(wǎng)某處線路斷開或開關(guān)跳閘，例如K2斷開造成光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與所連接負(fù)載(包括配電網(wǎng)上的部分負(fù)載)形成獨立供電系統(tǒng)，并可能進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。 3．光伏并網(wǎng)系統(tǒng)投閘開關(guān)K1自主或意外斷開,但是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與本地網(wǎng)絡(luò)仍舊形成孤島運行。 一旦孤島產(chǎn)生以后，將可能對配電系統(tǒng)設(shè)備及用戶端的設(shè)備造成不利的影響，包括： (1)電力公司輸電線路維修人員的安全危害。 (2)影響配電系統(tǒng)上的保護開關(guān)動作程序。 (3)電力孤島區(qū)域所發(fā)生的供電電壓與頻率的不穩(wěn)定現(xiàn)象。 (4)當(dāng)電力公司供電恢復(fù)時所造成的相位不同步問題。 當(dāng)光伏系統(tǒng)輸出有功與負(fù)載有功不匹配時，負(fù)載端電壓將發(fā)生變化；當(dāng)系統(tǒng)輸出無功與負(fù)載無功不匹配時，頻率將發(fā)生變化。當(dāng)功率不匹配程度足夠大，而引起的負(fù)載電壓頻率值超過逆變器的過壓（OV），欠壓（UV）、過頻（OF）和欠頻（UF）的保護范圍時，孤島保護將動作，系統(tǒng)將停止工作。反之，當(dāng)功率差異較小，負(fù)載電壓頻率變化在允許范圍之類，則系統(tǒng)保護失效，進入檢測盲區(qū)，系統(tǒng)進入孤島狀態(tài)。 3.3.2孤島檢測方法 在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，一般是通過檢測輸出端電壓的幅值和頻率來判斷是否發(fā)生了孤島效應(yīng)。此外，還包括電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控保護等方法。因此，孤島的檢測方法一般可以分為遠(yuǎn)程和本地兩種檢測方式，而本地檢測可以分為主動式和被動式兩種。大多數(shù)的遠(yuǎn)程檢測方法基于電網(wǎng)與光伏系統(tǒng)的通信實現(xiàn)，這種方法沒有檢測盲區(qū)，且檢測完全而準(zhǔn)確。主動式檢測是指光伏發(fā)電系統(tǒng)通過控制并網(wǎng)電流，對電網(wǎng)施加一些干擾信號，然后通過檢測公共節(jié)點處電網(wǎng)電壓的各項指標(biāo)來判斷是否發(fā)生了孤島效應(yīng)；被動式檢測是指依靠監(jiān)控公共節(jié)點處電壓的運行狀態(tài)，如幅值、頻率、相位變化等參數(shù)來判斷是否出現(xiàn)了孤島狀態(tài)。 一、遠(yuǎn)程孤島檢測方法 1．電力線載波通信方式(PLCC) 電網(wǎng)通過PLCC系統(tǒng)傳送一個低能量的通信信號給光伏系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)通過接收器可以通過判斷是否收到正確的通信信號來檢測孤島，PLCC方法技術(shù)沒有降低光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)質(zhì)量，可應(yīng)用于多種光伏系統(tǒng)并聯(lián)運行，也包括其他的一些分布式發(fā)電系統(tǒng)中。其缺點在于通訊信號的選取困難，而且由于電力載波信道的有限性，不易被電網(wǎng)公司所采用。 2．監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集方式(SCADA) SCADA技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，其通過檢測每一個開關(guān)節(jié)點的輔助觸點來監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)孤島產(chǎn)生以后，SCADA系統(tǒng)能迅速判斷出孤島區(qū)域，從而做出判斷。這種方法要求光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)間要有緊密的聯(lián)系，同時，和PLCC方法一樣，也加大了光伏系統(tǒng)的投資成本和復(fù)雜性。 二、本地孤島檢測方法 孤島效應(yīng)偵測技術(shù)已有相當(dāng)?shù)难芯?，防止孤島效應(yīng)的基本點和關(guān)鍵點是電網(wǎng)斷電的檢測。本地孤島檢測方法一般分為被動法和主動法。被動法是通過不斷檢測系統(tǒng)的輸出狀態(tài)（如電壓、頻率）來判斷是否產(chǎn)生孤島，主要包括電壓頻率檢測法、電壓諧波檢測法、相位跳變檢測法；主動法是通過控制逆變器輸出或者外加阻抗等方式主動擾動系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生孤島時，主動干擾將造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，造成系統(tǒng)的電壓、頻率發(fā)生明顯的變化，由此來檢測電網(wǎng)響應(yīng)來判斷是否發(fā)生孤島，主要包括PQ擾動法、更改阻抗法、頻率偏移法。 被動式本地孤島檢測方法： 檢測輸出電壓幅值和頻率 光伏逆變器一般會裝置有過壓保護(OVR)、欠壓保護(UVR)、過頻保護(OFR)、欠頻保護(UFR)四種基本保護電路，這四種保護是檢測孤島效應(yīng)的最基本、最直接的方法，一旦輸出電壓的幅值、頻率變化超過檢測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍，即啟動保護，將并網(wǎng)系統(tǒng)切離電網(wǎng)。如果負(fù)載與光伏系統(tǒng)輸出完全匹配，即ΔP=ΔQ=0，系統(tǒng)將無法判斷出孤島狀態(tài)。實際系統(tǒng)中，ΔP和ΔQ不可能完全為零，如果在孤島形成后，逆變器的頻率和幅值變化量不足以啟動OVR/UVR和OFR/UFR，系統(tǒng)同樣不能判斷出孤島狀態(tài)。因此，單獨配置的OVR/UVR和OFR/UFR保護用于孤島檢測是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。 電壓諧波檢測法 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)電流的參考信號是電網(wǎng)電壓，當(dāng)電網(wǎng)停電時，由于并網(wǎng)系統(tǒng)中變壓器的非線性特性、本地的非線性負(fù)載等將會使輸出電流在負(fù)載側(cè)產(chǎn)生失真的電壓波形，含有很大的電壓諧波，失真的電壓波形又作為電流的參考信號，這樣通過連續(xù)的監(jiān)控輸出端電壓，當(dāng)諧波增大時，能有效地檢測出孤島效應(yīng)現(xiàn)象。理論上，電壓諧波檢測法在很寬的范圍內(nèi)都能成功的檢測到孤島，且不會受到光伏系統(tǒng)并聯(lián)的影響，但實際上實現(xiàn)很困難，因為其動作閾值不易確定，不同負(fù)載相同電流THD下產(chǎn)生的電壓THD值是不同的。 電壓相位突變檢測(PJD) 當(dāng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)正常運行時，系統(tǒng)通過鎖相環(huán)，確保系統(tǒng)輸出功率因數(shù)為1，輸出電流和電網(wǎng)電壓的頻率、相位完全一致。輸出電壓和電流的相位差為零。當(dāng)電網(wǎng)停電時，負(fù)載的功率完全由光伏并網(wǎng)系統(tǒng)提供，電壓和電流的相位差完全由負(fù)載決定。在電網(wǎng)斷電前后，系統(tǒng)輸出電壓的相位有一個跳變，瞬時的電壓相位改變可以引起系統(tǒng)保護，孤島將被檢測。PJD易于實現(xiàn)，因為任何逆變電源都需要PLL來與電網(wǎng)同步，要實現(xiàn)PJD只需增加檢測到電流和電壓的相位誤差超過閾值時具有關(guān)斷逆變電源的能力。PJD不影響逆變電源輸出電能的質(zhì)量，也不會影響系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)。PJD缺點是相位誤差閾值難以確定。某些負(fù)荷(尤其是電動機)啟動時，經(jīng)常引起大幅度的瞬間相位突變，閾值設(shè)置過低會引起系統(tǒng)保護誤動作。 主動式本地孤島檢測方法 基于被動式檢測方法存在的種種問題，光伏系統(tǒng)需要應(yīng)用其他的主動式檢測方法。其通過對逆變器輸出電流的幅值、頻率、相位和輸出的有功無功進行一定的干擾。從而當(dāng)發(fā)生孤島情況時，這種擾動將造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。即使在輸出功率與負(fù)載功率平衡狀態(tài)下，也會通過擾動破壞系統(tǒng)平衡，造成系統(tǒng)電壓、頻率、變動，從而確定孤島產(chǎn)生。 主動式檢測有以下幾種方法： 1．輸出功率擾動法 功率擾動法是通過控制并網(wǎng)逆變器的輸出電流，對系統(tǒng)施以周期性的有功輸出和無功輸出擾動，當(dāng)孤島產(chǎn)生以后，由于系統(tǒng)以公共節(jié)點處的電壓作為輸出電流的參考信號，輸出電流的擾動將造成電壓的幅值和頻率的變動，而通過檢測環(huán)節(jié)，這種變動又能體現(xiàn)在輸出電流的控制之中，形成正反饋的形式，從而檢測出孤島現(xiàn)象。有功擾動檢測：對于電流控制型的逆變器，以一定的周期比時間內(nèi)，減小輸出電流的給定值，從而改變其輸出有功。當(dāng)電網(wǎng)正常時，逆變器輸出電壓恒為電網(wǎng)電壓，負(fù)載所需不足功率將從市電電網(wǎng)得到；當(dāng)市電斷電后，逆變器輸出電壓由負(fù)載決定，輸出電流的減小，將會引起負(fù)載側(cè)電壓的波動，經(jīng)過系統(tǒng)的反饋控制，輸出電流幅值將繼續(xù)改變，則負(fù)載上電壓隨之繼續(xù)變化，從而達到過/欠壓的保護限，即可檢測到孤島發(fā)生。由于此方法使光伏系統(tǒng)輸出功率是不恒定的有功，從而對光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟性運行產(chǎn)生影響，同時由于是固定周期擾動，其檢測速度由擾動周期決定。因此容易由于電網(wǎng)電壓的波動而產(chǎn)生誤動作，保護動作時間受檢測環(huán)節(jié)影響。但是其不改變輸出電流的頻率和相位，其并網(wǎng)電流質(zhì)量高。無功補償檢測：對于同時輸出有功和無功的并網(wǎng)逆變器，在并網(wǎng)運行時，負(fù)載端電壓頻率受電網(wǎng)電壓鉗制，而不受逆變器輸出的無功功率多少的影響。當(dāng)系統(tǒng)進入孤島狀態(tài)后，如果逆變器輸出的無功功率和負(fù)載需求不匹配，則負(fù)載電壓幅值或者頻率將發(fā)生變化。 此方法基于功率控制，控制策略比較復(fù)雜，考慮到固定無功功率功率有可能與負(fù)載需求一致，在設(shè)計中還需要對并網(wǎng)運行的負(fù)載無功需求隨時檢測，而系統(tǒng)只提供部分無功補償電流，其余部分由電網(wǎng)提供。 2．主動頻率/相位偏移法 如前所述，光伏逆變器型并網(wǎng)多采用輸出電流型控制模式，即采樣市電電壓，使輸出電流相位跟隨市電。頻率及相位偏移擾動檢測方法即在每周期將市電采樣值的頻率偏移一點，或直接在電壓過零點改變輸出電流的起始相位，則輸出電流相位或頻率也隨之偏移。當(dāng)電網(wǎng)存在時，逆變器輸出電流每周期都會和電網(wǎng)重新同步，并網(wǎng)電流干擾量一定；當(dāng)孤島產(chǎn)生后，逆變器的采樣的市電電壓為公共節(jié)點處的本地負(fù)載電壓，此輸出電壓頻率和相位由負(fù)載和輸出電流決定，此時輸出電流給定值每周期都在偏移，導(dǎo)致輸出電流頻率或相位持續(xù)變化，直至超出孤島電壓或頻率保護范圍，孤島將被檢測到。 基于此理論，產(chǎn)生了多種檢測方法：主動頻率偏移AFD(activefrequencydrift)，以及在此基礎(chǔ)上擴展的主動頻率偏移正反饋AFDAF/SFS。相位偏移法是使電流的給定相位受頻率影響，使相頻曲線滿足一條新的移相曲線，在并網(wǎng)時，系統(tǒng)工作在電網(wǎng)電壓額定頻率以及相角為0處。當(dāng)斷網(wǎng)后，相角頻率按給定曲線變化，直至與負(fù)載的相頻曲線重新相交，達到新的平衡。在這個過程中，頻率的波動超出繼電器判定范圍，則孤島被檢測出來。此類方法具有代表性的有滑動頻率偏移法(SMS)和自動移相法(APS)等等。 4總結(jié) 本文針對太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的最大功率跟蹤控制、并網(wǎng)控制、孤島效應(yīng)問題做了的部分研究，全文的工作可總結(jié)如下： 1.列舉了太陽能電池的最大功率跟蹤算法，對常用的幾種最大功率點跟蹤方法進行比較分析。 2.研究討論太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制技術(shù)。并網(wǎng)電流的跟蹤控制是研究光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文介紹了太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器的工作原理，并且對不同的逆變方法做了比較。 3.針對光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)所特有的孤島效應(yīng)問題，本論文介紹了多種反孤島效應(yīng)的策略，分析比較了各種常見的孤島檢測方法，主要包括主動檢測法和被動檢測法。 |
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