单相单级光伏并网逆变器孤岛检测及反孤制岛控策略研究

单相单级光伏并网逆变器孤岛检测及反孤制岛控策略研究调研报告一、课题研究背景自步入 21 世纪以来 , 能源危机和环境问题成为困扰世界各国 , 制约各国经济社会可持续发展的两大难题。 为有效改善生存环境 , 促进世界经济发展 , 实现现代社会的可持续发展 , 可再生清洁能源的开发与利用正越来越被人类所重视。太阳能因其可再生、无污染而被公认为未来理想的替代能源之一。近年来 , 光伏并网发电作为太阳能的一种直接利用方式而备受关注 , 其中 , 光伏并网逆变器的相关技术成为研究的热点。 作为无污染的绿色能源 , 太阳能正逐渐取代传统化石能源。而作为太阳能利用的主要形式 , 光伏并网发电必将得到迅猛发展。分布式发电是 21 世纪电力行业发展的重要方向。 随着电网中分布式发电系统数量的日益增多 , 尤其是基于可再生能源的并网发电装置在分布式发电系统中应用的日益广泛 , 分布式发电系统发生孤岛效应的可能性增大 , 孤岛效应发生造成的危险已不容忽视。 对孤岛效应的研究已经进行了二十余年 , 但大多数都是针对并网逆变器系统的反孤岛保护和测试展开 , 而没有对分布式发电系统的孤岛效应进行全面而系统的研究。二、课题研究意义我国与发达国家相比， 虽然在太阳能电池产量和太阳能资源方面有着十分巨大的优势，但光伏并网发电技术却十分落后。目前，我国 90%以上的太阳能电池及其组件出口到欧洲和北美等发达国家，实际安装量不到 5%，而且光伏发电的核心技术却主要依赖进口，光伏产业和光伏发电之间的发展严重失衡。近两年，我国传统的光伏产业发展方式也面临着技术的制约以及国内外市场的考验， 2011年 10 月，欧美对我国光伏产业进行的“双反”调查就证明了这一点。因此，为了促进我国光伏产业的发展、 增强光伏领域的核心竞争力、 解决能源危机和环境污染等问题， 深入开展光伏并网逆变技术的相关研究有着非常重要的现实意义和工程应用前景。三、光伏并网逆变器概述光伏并网发电系统一般由太阳能光伏阵列、 并网逆变器、 控制器、 储能装置以及本地负载等构成。光伏阵列一般由多块太阳能电池板组合而成， 利用光生伏打效应将采集到的太阳能转换成直流电能， 然后并网逆变器在控制器的控制下将直流电能转换能工频交流电能。 当光伏并网逆变器输出率大于本地负载所需功率时， 并网逆变器通过转换开关将电能供给本地负载， 多余的电能馈入电网， 当光伏并网逆变器输出功率小于本地负载所需功率时 ( 比如阴天或夜晚 ) ， 电网通过转换开关向本地负载供电，确保本地负载正常运行。国外的光伏并网逆变器很早就作为比较成熟的产品推向了市场。 欧洲作为全球光伏市场的领头羊， 并网逆变技术遥遥领先， 全球光伏逆变器市场基本被其占领； 美国、 加拿大、 日本等发达国家依靠其雄厚的工业基础和先进的半导体技术，他们在电路结构设计、 电气和自动控制方面具有很强的实力， 因此， 他们在光伏逆变器的生产和设计方面也占有一席之地，具有很强的竞争实力。我国从上个世纪 80 年代开始对光伏逆变器进行研究和开发，陆续出现了一批专门研究和生产光伏逆变器的公司和企业。 其中， 合肥阳光电源公司是国内最大的新能源逆变器供应商，占据 70％以上的光伏逆变器市场份额。此外，已经初具规模的还有北京科诺伟业、广东志诚冠军、南京冠亚、北京索英、上海英伟力新能源等。这些企业通过与国内高校和研究所建立产．学．研合作关系，具备了较强的研发实力，相关产品已经成功应用于国内一些大型光伏发电示范工程。由于起步较晚， 国内光伏并网逆变器的市场规模较小， 虽然具备了一定的研发实力和竞争力， 但在逆变器的技术质量、 转换效率、 功率等级和可靠性等方面和国外逆变器生产厂商仍然具有较大差距。不过在我国发展可再生能源政策的推动下， 市场的需求将会不断扩大， 未来的国内市场将是众多光伏并网逆变器企业争夺的焦点。四、孤岛效应及其危害所谓孤岛效应是指当大电网因故障事故或停电而断开时，用户端的并网光伏发电系统未能及时检测出停电状态而将自身切离市电网络， 而形成由光伏并网发电系统和周围的负载组成的一个电力公司无法控制的自给供电孤岛。孤岛现象一旦发生，会对电力维修人员、用电设备甚至电网都会造成很大的危害，这些危害包括：（ 1）、孤岛现象发生后，电力维修人员误以为供电系统已断电而接触孤岛运行线路，从而导致触电危险，危及人身安全；（ 2）、由于失去了电网的钳制作用，孤岛效应可能会导致光伏发电系统的输出电压及其频率发生较大的波动，从而损坏与孤岛运行线路相连的用电设备；（ 3）、由于孤岛后并网系统输出电压和电网电压存在相位差，当电网恢复供电时会产生很大的浪涌电流， 从而损坏发电装置以及所带负载， 甚至会引起电网再次跳闸；（ 4）、 若与光伏发电系统所连接的负载为三相负载， 孤岛后可能导致缺相运行；（ 5）、影响配电系统上保护开关的动作顺序等。因此， 无论是从供电还是用电安全角度来讲， 对孤岛效应及其保护措施进行研究，最大限度地减小孤岛现象带来的危害，具有十分重要的现实意义。五、孤岛效应的研究现状随着光伏新能源产业的兴起，近年来，光伏并网发电系统的孤岛效应研究成为了国内外的研究热点之一，研究内容主要集中在以下几个方面：1) 孤岛效应机理的研究国际能源机构 (Intemational EnergyAgency， IEA) 的 Task V工作组专门针对光伏并网发电系统孤岛效应发生的危险性和可能性进行了深入的研究， 分析了孤岛效应发生的稳定性、检测区域以及与功率匹配的关系，并在 IEC 61508 标准下采用图表分析法和故障树分析法对低压分布式电网中孤岛效应带来的危险性进行了评估。2) 反孤岛策略的研究为了避免光伏并网系统发生孤岛现象， 当电网断开后， 最直接的做法就是迅速关断并网逆变器的输出， 这就要求并网逆变器具备快速可靠地检测电网是否断开的性能， 即具有反孤岛检测功能。 目前， 针对并网逆变器的反孤岛策略主要有基于逆变器外部检测法、 逆变器内部无源检测法以及逆变器内部有源检测法三大类。 国内外学者先后提出了多达几十种反孤岛策略， 每种检测方法各有优缺点及适用范围，到目前为止，还没有一种统一适用的反孤岛检测策略。3) 反孤岛策略的有效性评估为了衡量孤岛检测方法的有效性，近年来，相关学者提出了各种评估方法：基于 APxAQ坐标系的有效性评估㈣、基于 L× Cn。舯坐标系的有效性评估㈣、基于 Q渐坐标系的有效性评估‘ 211、基于 Ofo× Cn。 m坐标系的有效性评估【 22】等。 现存的各种评估方法均是针对孤岛检测方法的 NDZ大小作为判断算法优劣的标准， 不能全面地衡量孤岛检测方法的检测性能， 尤其对于逆变器内部有源检测法而言，输出电能质量也是一个十分重要的指标之一。4) 光伏并网逆变器的反孤岛测试为了确保光伏并网发电系统孤岛检测的有效性， 在正式投入使用或出厂之前都要对其孤岛检测性能进行测试。 由于各国的电网技术标准存在差异， 所以对孤岛检测方案的要求和测试方法也各不相同， 比如， 北美采用并联 RLC负载来模拟本地负载， 并规定了反孤岛测试的电路和测试步骤； 德国的 VDE0126标准则规定通过检测电路阻抗的变化来判断孤岛的发生与否； 还有国家采用电机作为孤岛测试的负载等。我国目前还缺乏专门针对孤岛测试的相关标准。5) 孤岛效应的利用对于本地负载中某些重要负载或者不得间断供电的负载， 为了保证供电质量和重要设备的正常运行， 提高光伏并网发电系统的利用效率， 当电网断开后， 并不希望光伏并网发电系统停止供电。 这就是孤岛效应的另外一个选择， 即孤岛效应的利用。 例如 IEEEStd． 1547已经将孤岛效应的利用作为未来考虑的任务之一。