何道清太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理與應(yīng)用技術(shù)第9章 孤島檢測技術(shù)

1、129.1.1 9.1.1 孤島效應(yīng)的定義孤島效應(yīng)的定義 所謂的所謂的“孤島孤島”是指電力系統(tǒng)的一部分（含負載和正是指電力系統(tǒng)的一部分（含負載和正在運行的發(fā)電設(shè)備）與在運行的發(fā)電設(shè)備）與其余部分隔離其余部分隔離，能，能獨立供電運行獨立供電運行的一種的一種狀態(tài)。狀態(tài)。 光伏逆變器連接到公共電網(wǎng)上運行，由逆變器和電網(wǎng)共同光伏逆變器連接到公共電網(wǎng)上運行，由逆變器和電網(wǎng)共同向負載供電，當(dāng)電網(wǎng)因故障事故或停電維修等原因停電時，各向負載供電，當(dāng)電網(wǎng)因故障事故或停電維修等原因停電時，各個用戶端的逆變器未能及時檢測出停電狀態(tài)而將自身切離市電，個用戶端的逆變器未能及時檢測出停電狀態(tài)而將自身切離市電，并以其自身的

2、輸出頻率和電壓向周圍負載供電，這樣就形成由并以其自身的輸出頻率和電壓向周圍負載供電，這樣就形成由太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍負載形成的一個電力公司無法掌握太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍負載形成的一個電力公司無法掌握的自給供電的的自給供電的“孤島孤島”，并稱此時的逆變器運行在，并稱此時的逆變器運行在孤島狀態(tài)。孤島狀態(tài)。3 孤島效應(yīng)是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)特有的現(xiàn)象，具有相當(dāng)大的危害性，不僅會危害到整個配電系統(tǒng)及用戶端的設(shè)備，更嚴(yán)重的是會造成輸電線路維修人員的生命安全。目前，對孤島效應(yīng)的研究可以分為兩種情況，即反孤島效應(yīng)和利用孤島效應(yīng)。反孤島效應(yīng)（可簡稱為反孤島）是指禁止非計劃孤島效應(yīng)的發(fā)生利用孤島效應(yīng)是指按預(yù)先配置

3、的控制策略，有計劃地發(fā)生孤島效應(yīng)，具體是指在因電網(wǎng)故障或維修而造成供電中斷時，由分布式發(fā)電裝置繼續(xù)向周圍負載供電，從而減少因停電而帶來的損失，提高供電質(zhì)量和可靠性。本章主要對光伏并網(wǎng)中的反孤島效應(yīng)進行研究。49.1.2 9.1.2 孤島效應(yīng)發(fā)生的機理孤島效應(yīng)發(fā)生的機理 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與本地負載相連，通過投閘開關(guān)連接到配電網(wǎng)上，如圖9-1所示，當(dāng)電網(wǎng)停電或其他原因?qū)е峦堕l開關(guān)斷開時，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)完全有可能與其周圍本地負載一起形成孤島。1 1孤島效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因孤島效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因孤島效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因有以下幾個方面：1）公共電網(wǎng)檢測到故障，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)投閘開關(guān)跳開，但是并網(wǎng)發(fā)電裝置或者保護裝置

4、沒有檢測到故障而繼續(xù)運行。2）由于電網(wǎng)設(shè)備故障而導(dǎo)致正常供電的意外中斷。3）電網(wǎng)維修造成的供電中斷。4）工作人員的誤操作或蓄意破壞。5）自然災(zāi)害（風(fēng)、雨、雷電等）。5 以上幾種情況都是電網(wǎng)非正常運行時所引發(fā)的孤島效應(yīng)。此時由于負載需求功率與發(fā)電裝置輸出功率的不匹配以及缺乏適當(dāng)?shù)碾妷汉皖l率控制，所導(dǎo)致的不確定狀況將會給電網(wǎng)和用戶設(shè)備等帶來一系列不利影響。圖圖9-1 9-1 孤島研究的電網(wǎng)拓撲孤島研究的電網(wǎng)拓撲6 電流控制型并網(wǎng)逆變器發(fā)電系統(tǒng)的功率圖如圖9-2所示，dg表示分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。逆變器工作于單位功率因數(shù)正弦波控制模式，也即所帶的本地rlc負載的諧振頻率為電網(wǎng)頻率，局部負載用并聯(lián)rlc

5、電路表示。負載功率與逆變器輸出完全匹配的負載參數(shù)為r、l、c，不匹配的負載由r+r，l+l，c+c來表示。 圖圖9-2 9-2 斷網(wǎng)前后孤島區(qū)域等效電路圖斷網(wǎng)前后孤島區(qū)域等效電路圖a) a) 并網(wǎng)運行等效電路圖并網(wǎng)運行等效電路圖 b) b) 斷網(wǎng)后等效電路圖斷網(wǎng)后等效電路圖2 2孤島檢測的基本原理孤島檢測的基本原理7loadloadpppqqq 2urp2f2ulfq pf22q pcfv12flc當(dāng)電網(wǎng)正常運行時如圖9-2a所示，逆變器向負載提供的有功功率為p、無功功率為q，電網(wǎng)向負載提供的有功功率為p、無功功率為q，負載需求的有功功率為pload、無功功率為qload，u、f為公共耦合點a

6、的電壓和頻率，根據(jù)能量守恒定律，a處的功率為 8rupppl2)1(2cluqqqlruppl2 )1(2 cluqql正常運行時 孤島發(fā)生時 pruu2 22)1)(uqllc9 孤島形成前，電網(wǎng)提供的有功功率不為0，則公共點的電壓值就會發(fā)生變化 孤島形成前，只有電網(wǎng)提供的無功功率不為0，則公共點的頻率就會發(fā)生變化 只要檢測公共點處的電壓和頻率就可以檢測孤島， 實際上，由于公共電網(wǎng)的電壓和頻率在正常情況下也有小的波動，所以正常的電壓和頻率只能設(shè)定為一個范圍， 在這種情況下，只有p和q足夠大時，才能檢測出來。 如設(shè)定過大，則檢測盲區(qū)增大，過小則在電網(wǎng)正常波動時也會檢測出孤島，出現(xiàn)誤判。pruu

7、2 22)1)(uqllc10 (1)若 、 ,即并網(wǎng)逆變器輸出的有功功率、無功功率與負載所需的有功功率、無功功率不匹配，則公共電網(wǎng)斷網(wǎng)瞬間將會造成電壓幅值和頻率的突變，通過直接檢測pcc點的電壓幅值和頻率的變化是否超過閾值就能檢測出孤島（被動檢測法，不加入擾動）。 (2)若 、 ，即并網(wǎng)逆變器輸出的有功功率、無功功率與負載所需的有功功率、無功功率相匹配，公共電網(wǎng)斷開瞬間并不會造成電壓幅值或者頻率的突變，所以這種情況下一般需要采用加入擾動的主動檢測法才能檢測出孤島。 綜上所述，孤島檢測的基本原理是通過檢測公共耦合點(pcc)的電壓幅值或者頻率是否超過設(shè)定閾值來判斷是否存在孤島現(xiàn)象，即電壓幅值和

8、頻率的變化大小是檢測的關(guān)鍵。0p0q0p0q119.1.3 9.1.3 孤島效應(yīng)的危害孤島效應(yīng)的危害1）當(dāng)電網(wǎng)無法控制孤島發(fā)生區(qū)域中的電壓和頻率，可能發(fā)生供電電壓與頻率不穩(wěn)定的現(xiàn)象，電源的電壓和頻率可能會對孤島系統(tǒng)中的用電設(shè)備產(chǎn)生一定的損害。2）如果負載容量大于逆變電源容量，導(dǎo)致逆變電源過載運行，逆變電源容易被燒毀。3）孤島的電壓相量會相對于主網(wǎng)產(chǎn)生漂移，如果兩者相位相差很大，當(dāng)電網(wǎng)快速恢復(fù)時，可能引起孤島系統(tǒng)并網(wǎng)重合閘時再次跳閘，甚至損壞發(fā)電設(shè)備和其他連接設(shè)備。4）當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)處于孤島時，與逆變電源相連的線路仍然帶電，可能會危及電力線路的維護人員的安全，降低電網(wǎng)的安全性。5）妨礙供電系統(tǒng)正?；?/p>

9、復(fù)供電。孤島發(fā)生后，逆變電源的輸出與電網(wǎng)失去了同步時序，當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時可能因出現(xiàn)大的沖擊電流而導(dǎo)致該線路再次跳閘（重合閘失?。?，導(dǎo)致?lián)p壞逆變器和設(shè)備。12判斷孤島發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)判斷孤島發(fā)生標(biāo)準(zhǔn) 通過檢測光伏發(fā)電系統(tǒng)與主電網(wǎng)公共耦合點（pcc）的電壓幅值u u或頻率f f，如果電壓u或頻率f f超出并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的正常范圍，則并網(wǎng)逆變器停止運行。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，正常工作時主電網(wǎng)電壓u和頻率f的正常范圍為： 88%u u0u u 110%u u0 (193.6v242v) f f0-0.5f f f f0+0.5 其中，u u0和f f0分別為主電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓幅值和標(biāo)準(zhǔn)頻率13孤島檢測的

10、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)孤島檢測的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 檢測時間檢測時間：國家并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求在：國家并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求在0.2s0.2s內(nèi)內(nèi) 諧波失真度諧波失真度(thd)(thd)：國家并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求：國家并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求5%5% 負載品質(zhì)因數(shù)負載品質(zhì)因數(shù)q qf f: : 用來描述負載的諧振能力。用來描述負載的諧振能力。q qf f大于大于2.2.5 5的情況在實際中不存在，所以一般選取的情況在實際中不存在，所以一般選取q qf f =2.5 =2.5 并聯(lián)并聯(lián)rlcrlc負載負載：最難檢測的孤島現(xiàn)象狀況，能在該負：最難檢測的孤島現(xiàn)象狀況，能在該負載條件下成功檢測出孤島的檢測方法，在其他負載載條件下成功檢測出孤島的檢測方法，在其他

11、負載條件下也能有效檢測出孤島。條件下也能有效檢測出孤島。 14遠程通信檢測法遠程通信檢測法：利用公共電網(wǎng)端與逆變器端的遠程通信實現(xiàn)的，通過遠程通信手段監(jiān)控輸電線路、公共電網(wǎng)、分布式發(fā)電系統(tǒng)上所有繼電器的狀態(tài)，能夠及時有效地檢測出孤島效應(yīng)。優(yōu)點優(yōu)點：檢測效率高，并且也適用于多重逆變器的分布式發(fā)電系統(tǒng)中。缺點缺點：需要復(fù)雜的通信技術(shù)，成本高，尤其在小分式發(fā)電系統(tǒng)中性價比不高。被動檢測法被動檢測法：首先設(shè)定pcc點的電壓幅值、頻率等參數(shù)所允許變化的閾值，通過檢測這些參數(shù)是否超出所設(shè)閾值來判斷是否存在孤島。優(yōu)點優(yōu)點：算法實現(xiàn)簡單，不需要硬件設(shè)備，成本低，不影響電能質(zhì)量 缺點：缺點：存在較大的檢測盲區(qū)。

12、主動檢測法主動檢測法：通過人為向分布式發(fā)電系統(tǒng)注入適當(dāng)?shù)臄_動信號，使孤島發(fā)生時pcc點的電壓幅值或者頻率迅速偏移并超過設(shè)定閾值，從而檢測出孤島現(xiàn)象。優(yōu)點優(yōu)點：檢測效率高，檢測盲區(qū)小缺點缺點：引入的擾動帶來諧波失真，影響電能質(zhì)量常用的孤島檢測法常用的孤島檢測法159.3.1 9.3.1 過過/ /欠電壓和高欠電壓和高/ /低頻率檢測法低頻率檢測法1檢測原理 對于圖9-2，電網(wǎng)正常（開關(guān)s1閉合）時，逆變電源輸出功率為p+jq，。此時，公共耦合點a的電壓幅值和頻率由電網(wǎng)決定，ovp/uvp、ofp/ufp不會動作，即不會干擾系統(tǒng)正常運行。如果p0，逆變器輸出有功功率與負載有功功率不匹配，則公共耦合

13、點電壓將發(fā)生變化；如果q0，逆變器輸出無功功率與負載無功功率不匹配，則公共耦合點電壓的頻率將發(fā)生變化。如果它們的變化超出了正常范圍，就會使ovp/uvp、ofp/ufp動作，實現(xiàn)孤島狀態(tài)檢測從而防止孤島發(fā)生。9.3 9.3 被動式孤島檢測法被動式孤島檢測法16 電壓相位突跳檢測是通過監(jiān)測逆變電流和公共點電壓之間的相位差來檢測孤島狀態(tài)的， 由鎖相環(huán)(pll)控制逆變器輸出電流與公共點電壓在過零點同 步，在兩個過零點之間的波形則是確定的正弦波。 當(dāng)電網(wǎng)斷開后，逆變器輸出電壓不能被電網(wǎng)電壓鎖定。 在過零點之間，逆變器電流波形已經(jīng)由上一次過零點確定， 其頻率不變， 因為負載相位不會因電網(wǎng)斷開而變化，因

14、此在非純阻性負載的情況下，斷網(wǎng)后公共點電壓必然跳到新的相位。在電網(wǎng)斷開后的第一個過零點，就會檢測 到公共點電壓和逆變器輸出電流間的相位差超過設(shè)定閾值，即可判斷正處于孤島狀態(tài)。 本方法的優(yōu)點是易于實現(xiàn)，但也存在檢測盲區(qū)問題，當(dāng)某些負載起動(尤其是電動機)時，可能會產(chǎn)生較大的相位突跳9.3.2 9.3.2 電壓相位突變檢測法電壓相位突變檢測法1718 通 過監(jiān)測公共點電壓總諧波失真(thd)來檢測孤島狀態(tài)。 在正常并網(wǎng)時，電網(wǎng)阻抗小，逆變器輸出電流諧波主要注入電網(wǎng)，公共點電壓被電網(wǎng)鉗制，電壓諧波很 小。 孤島時，逆變器諧波電流流入負載產(chǎn)生電壓諧波。 其次，逆變器一般為電流控制模式，具有電流源特性，

15、變壓器原邊(電網(wǎng)側(cè))斷路后，逆變器電流對變壓器副 邊繞組勵磁，由于變壓器的磁滯特性和非線性特性，電壓波形含有較大thd。 另外，某些非線性負載也會產(chǎn)生電壓畸變。 此方法優(yōu)點是即使在逆變器與負載功率匹配的情況下，也能很好的檢測出孤島。缺點是同樣存在檢測盲區(qū)，負載非線性嚴(yán)重時，閾值難以設(shè)定。9.3.3 9.3.3 電壓諧波檢測法電壓諧波檢測法199.4 9.4 主動式孤島檢測方法主動式孤島檢測方法 主動式孤島檢測方法的原理是通過引入干擾打破孤島運行下逆變系統(tǒng)和負載之間的平衡。在并網(wǎng)運行時這種擾動并不明顯，但在孤島運行時，該擾動可以加速a點的電壓幅值或者頻率越限超出閾值范圍。由逆變器輸出電流的表達式

16、可以看出，可施加擾動的量有電流幅值im、電流頻率f、電流相位，由此產(chǎn)生了基于幅值的擾動，代表算法為sandia電壓偏移（svs）法；基于頻率的擾動，代表算法為主動頻率偏移（afd）法、正反饋主動頻率漂移（afdpf）法；基于相位的擾動，代表算法為滑模頻漂檢測（sms）法；自動移相（aps）法等。其中svs 法對能量有損失，而afd 法和aps 法在對輸出電能質(zhì)量干擾較小的情況下即可有效檢測出孤島，且在多機運行下同樣有效。pvmsin()iit209.4.1 9.4.1 頻率偏移檢測法頻率偏移檢測法 1afd的基本原理 逆變器正常并網(wǎng)運行時，輸出電流與公共點電壓同頻同相，由鎖相環(huán)檢測公共點電壓的

17、頻率作為輸出電流的頻率，每個電壓過零點為電流新半波的開始，這樣保證電流與電壓同頻同相。主動頻率偏移法是通過采樣公共節(jié)點處的頻率，進行偏移后作為逆變器的輸出電流頻率，造成對負載端電壓頻率的擾動，如圖9-8所示。圖9-8 主動頻率偏移法的電流波形21 輸出電流與公共點電壓的相位差總是固定不變的 在逆變器正常并網(wǎng)時，公共點電壓頻率由電網(wǎng)嵌制，孤島時，畸變電流流過負載，迫使公共點電壓頻率改變，經(jīng)過幾個周期的累加作用，最終因公共點電壓頻率超出閾值而被檢測出孤島狀態(tài)。 22 2afd檢測失敗原因孤島檢測成功的關(guān)鍵是公共點頻率在失壓后能有較大的偏移，而afd就是通過人為增加電流頻率偏移來達到使電壓頻率偏移的

18、目的電網(wǎng)失壓后的公共點頻率變化情況如下： 1）如果負載呈阻性，則電壓與電流同頻同相，電流頻率的變化被完全傳遞到電壓上，頻率每個周期都能在上一周期的基礎(chǔ)上持續(xù)不斷地單向偏移，所以afd 對純電阻負載沒有檢測盲區(qū)。 2）若負載呈容性，電壓將與電流同頻但滯后于電流一定的相位角，滯后的角度由負載相位角決定，電壓的滯后延緩了電壓過零點的到達時刻，使檢測到的電壓周期值增大。由此，afd算法中電流給定使頻率加快的改變不能完全傳遞到電壓上，afd對頻率的擾動效應(yīng)被負載相位角抵消了一部分。如果兩者正好相抵，則相鄰周期間電壓過零時間間隔不發(fā)生變化，頻率不會偏移，孤島檢測失敗。23 3）若負載呈感性，電壓將超前電流，加快了電壓過零點的到來，使頻率偏移在電流給定頻率偏移的基礎(chǔ)上進一步提速，電壓頻率被迅速增大，由此不會有檢測盲區(qū)。但若afd算法使頻率反向擾動，則感性負載有可能導(dǎo)致檢測失敗，而容性負載下孤島能被順利檢出。 至于rlc負載，如果rlc諧振頻率與電