ปรากฏการณ์เกาะในโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์

ปรากฏการณ์เกาะหมายความว่าเมื่อโครงข่ายไฟฟ้าขาดตอนเนื่องจากไฟฟ้าขัดข้องหรือปัจจัยทางธรรมชาติ ระบบผลิตไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ยังคงจ่ายไฟฟ้าให้กับโหลดโดยรอบ จึงเกิดเป็นเกาะแหล่งจ่ายไฟฟ้าที่สามารถพึ่งพาตนเองได้ซึ่งบริษัทไฟฟ้าไม่สามารถควบคุมได้

เมื่อระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ทำงานคู่ขนานกับโครงข่ายไฟฟ้า โครงข่ายไฟฟ้าจะหยุดทำงานเนื่องจากการบำรุงรักษาอุปกรณ์ที่ผิดพลาดหรือข้อผิดพลาดในการทำงาน ซึ่งหมายความว่าเอฟเฟกต์เกาะเป็นปัญหาทั่วไปในระบบผลิตไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ ดังนั้นจึงสามารถตรวจจับเอฟเฟกต์เกาะได้อย่างแม่นยำและทันท่วงที ซึ่งเป็นปัญหาสำคัญในการออกแบบระบบผลิตไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

① ระบบไฟฟ้าไม่สามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าและความถี่ภายในเกาะได้ หากแรงดันไฟฟ้าและความถี่เกินช่วงที่อนุญาต อาจทำให้อุปกรณ์ของผู้ใช้เสียหายได้

② หากความสามารถในการรับน้ำหนักมากกว่าความสามารถในการรับน้ำหนักของอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้า แหล่งจ่ายไฟจะรับน้ำหนักเกินและไหม้ได้ง่าย

③สายไฟที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟอินเวอร์เตอร์ยังคงมีประจุอยู่ ทำให้เกิดอันตรายต่อเจ้าหน้าที่บำรุงรักษาและลดความปลอดภัยของระบบไฟฟ้า

④การปิดเกาะอีกครั้งจะทำให้สายไฟสะดุดอีกครั้ง และอาจทำให้แหล่งจ่ายไฟอินเวอร์เตอร์และอุปกรณ์อื่นๆ เสียหายได้

ปรากฏการณ์เกาะส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อความปลอดภัยและการทำงานปกติของระบบไฟฟ้า จากมุมมองของความปลอดภัยและคุณภาพไฟฟ้า ปรากฏการณ์เกาะไม่สามารถเกิดขึ้นได้ เมื่อเกิดปรากฏการณ์เกาะ อินเวอร์เตอร์ที่เชื่อมต่อกับกริดจะต้องถูกตัดออกอย่างรวดเร็วและแม่นยำ ดังนั้น จึงควรตรวจจับและควบคุมปรากฏการณ์เกาะ

วิธีการตรวจจับปรากฏการณ์เกาะแบบพาสซีฟจะตัดสินว่าปรากฏการณ์เกาะเกิดขึ้นหรือไม่ โดยการตรวจจับว่าเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์เบี่ยงเบนไปจากช่วงที่กำหนดโดยมาตรฐานที่เชื่อมต่อกับกริด เช่น แรงดันไฟฟ้า ความถี่ หรือเฟส หลักการทำงานของวิธีนี้ง่ายและใช้งานได้สะดวก แต่เมื่อกำลังเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์สมดุลกับกำลังโหลดในพื้นที่แล้ว จะไม่สามารถตรวจจับปรากฏการณ์เกาะได้

วิธีการตรวจจับแบบ Active Islanding Detection หมายถึงการควบคุมอินเวอร์เตอร์ให้มีการรบกวนความถี่และเฟสของกำลังไฟฟ้าขาออก เมื่อระบบไฟฟ้าทำงานปกติ การรบกวนเหล่านี้จะไม่สามารถตรวจจับได้เนื่องจากความสมดุลของระบบไฟฟ้า เมื่อระบบไฟฟ้าขัดข้อง กระแสไฟฟ้าที่อินเวอร์เตอร์ส่งออกจะสะสมอย่างรวดเร็วและเกินช่วงที่มาตรฐานที่เชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้ากำหนดไว้ ทำให้เกิดวงจรป้องกันปรากฏการณ์ Island Effect วิธีการนี้มีความแม่นยำในการตรวจจับสูงและมีพื้นที่บอดในการตรวจจับน้อย แต่การควบคุมมีความซับซ้อนมากขึ้น และคุณภาพของกำลังไฟฟ้าขาออกของอินเวอร์เตอร์ก็ลดลง

หลักการทำงานของวิธีการตรวจจับปรากฏการณ์ไอส์แลนด์แบบพาสซีฟ คือการประเมินว่าปรากฏการณ์ไอส์แลนด์เกิดขึ้นหรือไม่ โดยพิจารณาจากการเปลี่ยนแปลงของแรงดันเอาต์พุตและความถี่ของอินเวอร์เตอร์เมื่อระบบไฟฟ้าถูกตัด เมื่อระบบไฟฟ้าขัดข้อง นอกจากแรงดันเอาต์พุตและความถี่เอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์แล้ว ฮาร์มอนิกเฟสของแรงดันเอาต์พุตก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย

ดังนั้น วิธีการตรวจจับเอฟเฟกต์เกาะแบบพาสซีฟจึงสามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์ที่กล่าวถึงข้างต้นได้ เพื่อตรวจสอบว่าโครงข่ายไฟฟ้ามีข้อบกพร่องหรือไม่ แต่หากพลังงานเอาต์พุตของระบบโฟโตโวลตาอิคส์สมดุลกับพลังงานโหลดในพื้นที่ วิธีการตรวจจับแบบพาสซีฟจะสูญเสียความสามารถในการตรวจจับ

วิธีการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าและความถี่เป็นวิธีการตรวจจับเพื่อหยุดการทำงานของอินเวอร์เตอร์ที่เชื่อมต่อกับกริดเมื่อแอมพลิจูดและความถี่ของแรงดันไฟฟ้าของจุดเชื่อมต่อร่วมเกินช่วงปกติ ในระหว่างการทำงานของระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่เชื่อมต่อกับกริด นอกจากการป้องกันการเกิดปรากฏการณ์เกาะแล้ว ยังจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าขาออกของอินเวอร์เตอร์สอดคล้องกับกริดด้วย ดังนั้น จึงต้องตรวจจับแอมพลิจูดและความถี่ของแรงดันไฟฟ้าของกริดอย่างต่อเนื่องเพื่อป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินหรือต่ำเกินไป ความถี่เกินหรือต่ำเกินไป และความผิดปกติอื่นๆ

ดังนั้น วิธีการตรวจจับไอส์แลนดิงแบบพาสซีฟสำหรับการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าและความถี่จึงจำเป็นต้องใช้เพียงพารามิเตอร์การตรวจจับที่มีอยู่เพื่อตัดสินโดยไม่ต้องเพิ่มวงจรตรวจจับ ข้อเสียเปรียบที่ใหญ่ที่สุดของวิธีนี้คือ เมื่อกำลังไฟฟ้าขาออกของอินเวอร์เตอร์สมดุลกับกำลังไฟฟ้าของโหลด แรงดันไฟฟ้าและความถี่ที่ปลายขาออกของอินเวอร์เตอร์จะยังคงไม่เปลี่ยนแปลงหลังจากตัดกระแสไฟฟ้า ส่งผลให้การตัดสินการตรวจจับไอส์แลนดิงผิดพลาด

หลักการของวิธีการตรวจจับเฟสแรงดันเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์นั้นคล้ายคลึงกับวิธีการตรวจจับแรงดันและความถี่ เมื่อระบบไฟฟ้าขัดข้อง อิมพีแดนซ์โหลดของอินเวอร์เตอร์ของระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์จะเปลี่ยนแปลง ส่งผลให้แรงดันเอาต์พุตและเฟสกระแสเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์เปลี่ยนแปลงไปหลังจากระบบไฟฟ้าขัดข้อง ระบบสามารถประเมินว่าระบบไฟฟ้าขัดข้องหรือไม่จากการเปลี่ยนแปลงเฟส

เนื่องจากโหลดเหนี่ยวนำเป็นโหลดที่พบได้ทั่วไปในโครงข่ายไฟฟ้า วิธีนี้จึงดีกว่าวิธีการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าและความถี่ในการตรวจจับผลกระทบแบบไอส์แลนดิง อย่างไรก็ตาม เมื่อโหลดเป็นโหลดแบบต้านทานหรือโครงข่ายไฟฟ้าถูกตัดขาด และลักษณะเฉพาะของอิมพีแดนซ์ของโหลดยังคงไม่เปลี่ยนแปลง วิธีนี้จะทำให้สูญเสียความสามารถในการตรวจจับผลกระทบแบบไอส์แลนดิง

วิธีการตรวจจับฮาร์มอนิกหมายความว่า เมื่อระบบไฟฟ้าล้มเหลวและหยุดทำงาน อันเนื่องมาจากการสูญเสียสมดุลของระบบไฟฟ้า จะเกิดฮาร์มอนิกจำนวนมากขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าขาออกของระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ไหลผ่านอุปกรณ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้น เช่น หม้อแปลงไฟฟ้า เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของฮาร์มอนิก จะสามารถประเมินได้ว่าระบบไฟฟ้ากำลังอยู่ในสถานะผิดปกติหรือไม่

การวิจัยเชิงทดลองและการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติแสดงให้เห็นว่าวิธีนี้มีประสิทธิภาพในการตรวจจับที่ดี แต่เนื่องจากมีอุปกรณ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้นจำนวนมากในโครงข่ายไฟฟ้าที่มีการเปลี่ยนแปลงฮาร์มอนิกที่ซับซ้อน จึงเป็นการยากที่จะกำหนดมาตรฐานฮาร์มอนิกรวมสำหรับการตรวจจับเอฟเฟกต์เกาะ

ปัจจุบันวิธีการทั้งสามวิธีข้างต้นเป็นวิธีการตรวจจับแบบเกาะแบบพาสซีฟที่นิยมใช้กันมากขึ้น และมีการประยุกต์ใช้งานในระบบโฟโตโวลตาอิกจริง โซนบอดในการตรวจจับขนาดใหญ่

วิธีการตรวจจับแบบแอคทีฟของเอฟเฟกต์เกาะ หมายถึง ในระหว่างการทำงานของอินเวอร์เตอร์ อินเวอร์เตอร์จะถูกควบคุมไม่ให้ทำให้เกิดการรบกวนเป็นระยะๆ ในระบบส่งกำลัง เมื่อระบบไฟฟ้าอยู่ในสภาวะปกติ เนื่องจากระบบส่งกำลังมีความสมดุล ระบบไฟฟ้าของอินเวอร์เตอร์จะยังคงสอดคล้องกับระบบไฟฟ้า และสัญญาณรบกวนจะไม่ส่งผลกระทบใดๆ ถือเป็นการทำงานผิดปกติ

ในปัจจุบัน มีวิธีการตรวจจับแบบแอคทีฟหลักๆ อยู่ 3 วิธี ได้แก่ วิธีการรบกวนกำลังไฟฟ้าขาออกของอินเวอร์เตอร์ วิธีการรบกวนแรงดันไฟขาออกและความถี่ของอินเวอร์เตอร์ และวิธีการตรวจจับการชดเชยความถี่โหมดเลื่อน

วิธีการรบกวนกำลังไฟฟ้าขาออกคือการทำให้กำลังไฟฟ้าที่ส่งออกโดยระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์เปลี่ยนแปลงเป็นระยะ ๆ ผ่านการควบคุมกำลังไฟฟ้าขาออกของอินเวอร์เตอร์ เมื่อเกิดปรากฏการณ์ไอส์แลนดิง แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วขาออกของอินเวอร์เตอร์จะเปลี่ยนแปลงเนื่องจากสัญญาณรบกวนกำลังไฟฟ้า ซึ่งเป็นตัวสะท้อนว่าปรากฏการณ์ไอส์แลนดิงเกิดขึ้นหรือไม่

ในการใช้งานจริง เพื่อลดผลกระทบของวิธีนี้ต่อกำลังไฟฟ้าขาออกของอินเวอร์เตอร์ โดยทั่วไปอินเวอร์เตอร์จะถูกควบคุมเป็น N รอบการทำงาน เพื่อให้กำลังไฟฟ้าขาออกต่ำกว่าค่าปกติหรือศูนย์ในช่วงเวลาหนึ่งหรือครึ่งรอบ

ด้วยการพัฒนาระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ จำนวนระบบผลิตไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ในระบบโครงข่ายไฟฟ้าท้องถิ่นจะเพิ่มขึ้น ในกรณีนี้ เมื่อเกิดปรากฏการณ์ไอส์แลนดิง อิทธิพลของสัญญาณรบกวนไฟฟ้าที่มีต่อแรงดันไฟฟ้าขาออกของอินเวอร์เตอร์จะลดลง ส่งผลให้ผลการทดสอบลดลง นอกจากนี้ หากมีโหลดแบบไม่เชิงเส้นจำนวนมากในระบบโครงข่ายไฟฟ้า เมื่อโครงข่ายไฟฟ้าหยุดทำงาน โหลดแบบไม่เชิงเส้นจะจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับโหลด ซึ่งจะทำให้ผลการตรวจจับสัญญาณรบกวนไฟฟ้าที่มีต่อปรากฏการณ์ไอส์แลนดิงของวิธีการตรวจจับสัญญาณรบกวนไฟฟ้าลดลง

เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการรบกวนกำลังขับ การรบกวนความถี่ขาออกของแรงดันไฟฟ้าอินเวอร์เตอร์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากกว่าในการตรวจจับปรากฏการณ์ไอส์แลนด์ ปัจจุบันวิธีการตรวจจับปรากฏการณ์ไอส์แลนด์ของการรบกวนความถี่ขาออกที่นิยมใช้กันคือ Active Frequency Drift (AFD)

หลักการทำงานของวิธีการชดเชยความถี่แบบแอคทีฟ: โดยการชดเชยความถี่ของสัญญาณสุ่มตัวอย่างแรงดันไฟฟ้าของกริด ณ จุดเชื่อมต่อ จะทำให้เกิดการรบกวนความถี่แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วโหลด ตามปกติแล้ว ลูปล็อกเฟสจะทำหน้าที่ควบคุมความคลาดเคลื่อนของความถี่ให้อยู่ในช่วงแคบ แต่เมื่อกริดไฟฟ้าขัดข้อง ลูปล็อกเฟสก็จะขัดข้อง ความถี่ของอินเวอร์เตอร์จะเปลี่ยนแปลง และเมื่อความคลาดเคลื่อนเพิ่มขึ้น ความผิดพลาดก็จะเพิ่มขึ้นและสะสมจนถึงช่วงที่กำหนด จึงจะมีวิธีการแบบพาสซีฟเพื่อตรวจจับ

เนื่องจากทิศทางของสัญญาณรบกวนถูกกำหนดไว้ วิธีการชดเชยความถี่แบบแอคทีฟอาจส่งผลเสียต่อวิธีการนี้เนื่องจากลักษณะของโหลด ตัวอย่างเช่น โหลดแบบคาปาซิทีฟมีความต้านทานต่ำกว่าโหลดแบบเหนี่ยวนำ และโหลดแบบเหนี่ยวนำมีความต้านทานสูงกว่า ดังนั้น หากทิศทางของสัญญาณรบกวนหักล้างคุณสมบัติอิมพีแดนซ์ของโหลด สัญญาณรบกวนอาจไม่สะสม

เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดเหตุการณ์เช่นนี้ จึงได้นำวิธีการดริฟท์ความถี่แบบแอคทีฟ (active frequency drift) มาใช้ ซึ่งเป็นการป้อนกลับเชิงบวก ทิศทางของสัญญาณรบกวนจะถูกกำหนดแบบไดนามิกโดยการเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงของความถี่ทั้งสองก่อนและหลัง หากความถี่เพิ่มขึ้น ความถี่จะเป็นบวก และหากความถี่ลดลง ความถี่จะเป็นลบ

การเลื่อนความถี่โหมดสลิป (SMS) เป็นวิธีการตรวจจับแบบไอส์แลนดิ้งแบบแอคทีฟ วิธีนี้ควบคุมกระแสเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์ให้มีค่าเฟสต่างกันระหว่างอินเวอร์เตอร์กับแรงดันไฟฟ้าจุดร่วม เมื่อแรงดันไฟฟ้าในระบบไฟฟ้าลดลง ความถี่ของจุดร่วมจะเบี่ยงเบนออกจากช่วงปกติเพื่อระบุไอส์แลนดิ้ง

ภายใต้สถานการณ์ปกติ เส้นโค้งตอบสนองมุมเฟสของอินเวอร์เตอร์ได้รับการออกแบบให้อยู่ในช่วงความถี่ของระบบ และโหลดของมุมเฟส RLC (ย่อมาจาก Resistance, Inductance, and Capacitance Combination Circuit) ของอินเวอร์เตอร์จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าเป็นหน่วย เมื่ออินเวอร์เตอร์ทำงานแบบขนานกับเครือข่ายจำหน่าย เครือข่ายจำหน่ายจะกำหนดมุมเฟสและความถี่อ้างอิงคงที่เพื่อรักษาเสถียรภาพของจุดทำงานของอินเวอร์เตอร์ที่ความถี่กำลังไฟฟ้า

เมื่อเกิดไอส์แลนด์ หากความถี่แรงดันเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์ผันผวนเล็กน้อย เส้นโค้งการตอบสนองเฟสของอินเวอร์เตอร์จะเพิ่มค่าความผิดพลาดของเฟสและไปถึงจุดเสถียรใหม่ ความถี่ของจุดสถานะใหม่ต้องเกินเกณฑ์การทำงานของรีเลย์ความถี่ และอินเวอร์เตอร์จะถูกปิดการทำงานเนื่องจากความผิดพลาดของความถี่

วิธีการตรวจจับนี้สามารถทำการเปลี่ยนความถี่ได้จริงผ่านการเปลี่ยนเฟส เช่นเดียวกับวิธีการชดเชยความถี่แบบแอคทีฟ AFD วิธีนี้มีความได้เปรียบตรงที่ใช้งานง่าย ไม่จำเป็นต้องใช้ฮาร์ดแวร์เพิ่มเติม และมีความน่าเชื่อถือสูงในการตรวจจับแบบไอส์แลนด์ นอกจากนี้ยังมีจุดอ่อนที่คล้ายคลึงกัน นั่นคือ เมื่อปัจจัยคุณภาพโหลดเพิ่มขึ้น การตรวจจับแบบไอส์แลนด์ก็จะมีโอกาสเกิดความล้มเหลวเพิ่มขึ้น

สรุปแล้ว ข้อดีของวิธีการตรวจจับแบบแอคทีฟคือมีจุดบอดในการตรวจจับที่เล็กและความเร็วในการตรวจจับที่รวดเร็ว แต่ข้อเสียก็เห็นได้ชัดเช่นกัน นั่นคือ มีผลกระทบต่อคุณภาพพลังงานในระดับหนึ่ง

นอกจากวิธีการตรวจจับผลกระทบแบบไอส์แลนด์ที่ใช้กันทั่วไปทั้งแบบพาสซีฟและแอคทีฟที่กล่าวถึงข้างต้นแล้ว ยังมีวิธีการตรวจจับภายนอกอินเวอร์เตอร์อีกด้วย ตัวอย่างเช่น “วิธีการสอดแทรกอิมพีแดนซ์ฝั่งกริด” วิธีนี้หมายถึงการใส่อิมพีแดนซ์ขนาดใหญ่ลงในด้านโหลดของกริดโดยอัตโนมัติเมื่อกริดเกิดความล้มเหลว ทำให้อิมพีแดนซ์ของฝั่งกริดเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญอย่างกะทันหัน ส่งผลให้สมดุลพลังงานของระบบถูกทำลาย ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า ความถี่ และเฟส นอกจากนี้ยังมีการใช้สัญญาณความผิดพลาดจากระบบกริดไฟฟ้าเพื่อควบคุม เมื่อกริดเกิดความล้มเหลว ระบบตรวจสอบฝั่งกริดจะส่งสัญญาณควบคุมไปยังระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ เพื่อให้สามารถตัดการทำงานแบบขนานของระบบพลังงานแบบกระจายและกริดไฟฟ้าได้ทันเวลา