并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)及反孤島策略課件

項(xiàng)目三光伏發(fā)電系統(tǒng)

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孤島效應(yīng)及反孤島策略

《太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其逆變控制》項(xiàng)目三光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1孤島效應(yīng)的基本問題

相對(duì)于離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)具有較高的光伏電能利用率，然而由于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)直接將光伏陣列發(fā)出的電能逆變后饋送到電網(wǎng)，因此在工作時(shí)必須滿足并網(wǎng)的技術(shù)要求，以確保系統(tǒng)安裝者的安全以及電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。對(duì)于通常系統(tǒng)工作時(shí)可能出現(xiàn)的功率器件過電流、功率器件過熱、電網(wǎng)過/欠電壓等故障狀態(tài)，比較容易通過硬件電路與軟件配合進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別并處理。但對(duì)于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，還應(yīng)考慮一種特殊故障狀態(tài)下的應(yīng)對(duì)方案，這種特殊故障狀態(tài)就是所謂的孤島效應(yīng)。2.1孤島效應(yīng)的基本問題

相對(duì)于離網(wǎng)孤島效應(yīng)的發(fā)生會(huì)給系統(tǒng)設(shè)備和相關(guān)人員帶來如下危害：

1)孤島效應(yīng)使電壓及其頻率失去控制，如果分布式發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電裝置沒有電壓和頻率的調(diào)節(jié)能力，且沒有電壓和頻率保護(hù)繼電器來限制電壓和頻率的偏移，孤島系統(tǒng)中的電壓和頻率將會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng)，從而對(duì)電網(wǎng)和用戶設(shè)備造成損壞。

2）孤島系統(tǒng)被重新接入電網(wǎng)時(shí)，由于重合W時(shí)系統(tǒng)中的分布式發(fā)電裝置可能與電網(wǎng)不同步而使電路斷路器裝置受到損壞，并且可能產(chǎn)生很高的沖擊電流，從而損害孤島系統(tǒng)中的分布式發(fā)電裝置，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)重新跳閘。

3）孤島效應(yīng)可能導(dǎo)致故障不能清除（如接地故障或相間短路故障），從而可能導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)備的損害，并且干擾電網(wǎng)正常供電系統(tǒng)的自動(dòng)或手動(dòng)恢復(fù)。

4）孤島效應(yīng)使得一些被認(rèn)為已經(jīng)與所有電源斷開的線路帶電，這會(huì)給相關(guān)人員（如電網(wǎng)維修人員和用戶）帶來電擊的危險(xiǎn)。

由上可知，當(dāng)主電網(wǎng)跳閘時(shí)，分布式發(fā)電裝置.的孤島運(yùn)行將對(duì)用戶以及配電設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p害，因此在包括并網(wǎng)光伏發(fā)電等系統(tǒng)在內(nèi)的分布式發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)發(fā)電裝置必須具備反孤島保護(hù)的功能，即具有檢測(cè)孤島效應(yīng)并及時(shí)與電網(wǎng)切離的功能。

孤島效應(yīng)的發(fā)生會(huì)給系統(tǒng)設(shè)備和相關(guān)人員帶來如下危害：

2.1.1.1孤島效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理

下面以典型的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)為例分析其孤島效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理，闡述孤島效應(yīng)發(fā)生的必要條件。2.1.1孤島效應(yīng)的發(fā)生與檢測(cè)

圖是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率流圖，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列和逆變器組成，該發(fā)電系統(tǒng)通常通過一臺(tái)變壓器（可能安裝在逆變器外或不安裝）和斷路器QF連接到電網(wǎng)。當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，假設(shè)圖7-2系統(tǒng)中的逆變器工作于單位功率因數(shù)正弦波控制模式，而相關(guān)的局部負(fù)載用并聯(lián)RLC電路來模擬，并且假設(shè)逆變器向負(fù)載提供的有功功率、無功功率分別為P、Q,電網(wǎng)向負(fù)載提供的有功功率、無功功率分別為AP、AQ,負(fù)載需求的有功功率、無功功率為Pload、Qload。2.1.1.1孤島效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理2.1.1孤島效應(yīng)的發(fā)生與檢

根據(jù)能量守恒定律，公共連接點(diǎn)（PointofCommonCoupling，PCC)處的功率流具有以下規(guī)律：

Pbad=P+AP

(7-1)

Qload=Q+AQ

當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，通常情況下，由于并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率和負(fù)載功率之間的巨大差異會(huì)引起系統(tǒng)的電壓和頻率的較大變化，因而通過對(duì)系統(tǒng)電壓和頻率的檢測(cè)，可以很容易地檢測(cè)到孤島效應(yīng)。但是如果逆變器提供的功率與負(fù)載需求的功率相匹配，那么當(dāng)線路維修或故障而導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)斷路器QF跳閘時(shí)，公共連接點(diǎn)（PCC)處電壓和頻率的變化很小，很難通過對(duì)系統(tǒng)電壓和頻率的檢測(cè)來判斷孤島的發(fā)生，這樣逆變器可能繼續(xù)向負(fù)載供電，從而形成由并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和周圍負(fù)載構(gòu)成的一個(gè)自給供電的孤島發(fā)電系統(tǒng)。

從以上分析可以看出，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)發(fā)生的必要條件是：1）發(fā)電裝置提供的有功功率與負(fù)載的有功功率相匹配；2）發(fā)電裝置提供的無功功率與負(fù)載的無功功率相匹配，即滿足相位平衡關(guān)系。根據(jù)能量守恒定律，公共連接點(diǎn)（PointofCo2.1.1.2孤島效應(yīng)的檢測(cè)

了解島效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理后，重要的是要能夠及時(shí)而有效地檢測(cè)出孤島效應(yīng)，即1）必須能夠檢測(cè)出不同形式的孤島系統(tǒng)，每個(gè)孤島系統(tǒng)可能由不同的負(fù)載和分布式發(fā)電裝置（如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等）組成，其運(yùn)行狀況可能存在很大差異。一個(gè)可靠的反孤島方案必須能夠檢測(cè)出所有吋能的孤島系統(tǒng)。2）必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到孤島效應(yīng)。這主要是為了防止并網(wǎng)發(fā)電裝置不同步的重合閘?？諝忾_關(guān)通常在0.5~Is的延遲后重新合上，反孤島方案必須在重合閘發(fā)生之前使并網(wǎng)發(fā)電裝置停止運(yùn)行。2.1.1.2孤島效應(yīng)的檢測(cè)

了解島效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理后2.1.2孤島效應(yīng)發(fā)生的可能性與危險(xiǎn)性

孤島效應(yīng)的發(fā)生可能會(huì)帶來一系列危害，其中給相關(guān)人員帶來的電擊危險(xiǎn)應(yīng)當(dāng)是最嚴(yán)重的，因此這里提到的危險(xiǎn)性主要是指孤島效應(yīng)產(chǎn)生電擊的危險(xiǎn)性。

2.1.2.1可能性分析

對(duì)孤島效應(yīng)發(fā)生的可能性認(rèn)識(shí)常存在兩種極端：一方面，孤島效應(yīng)被認(rèn)為是可能性很小的事件，不需要特別考慮；另一方面，僅理論上的分析都足以使人們對(duì)孤島效應(yīng)發(fā)生的可能性引起重視。實(shí)際上，孤島效應(yīng)發(fā)生的可能性介于兩種極端觀點(diǎn)之間。研究孤島效應(yīng)發(fā)生可能性的主要困難是缺少孤島效應(yīng)發(fā)生的頻率、持續(xù)時(shí)間以及發(fā)生時(shí)帶來危險(xiǎn)的實(shí)際數(shù)據(jù)，并且關(guān)于孤島效應(yīng)的討論不少還是基于個(gè)人的“感覺”或“直覺”。

針對(duì)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)，荷蘭相應(yīng)的研究機(jī)構(gòu)曾做過深人的研究，并提供了配電網(wǎng)中孤島效應(yīng)發(fā)生的頻率以及持續(xù)時(shí)間的實(shí)際數(shù)據(jù)[3]。該項(xiàng)研究是通過測(cè)量安裝有并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型居民區(qū)的負(fù)荷情況來進(jìn)行的，并在兩年中連續(xù)測(cè)量了每一秒鐘負(fù)載需求的有功功率和無功功率，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)用于離線分析，由于電網(wǎng)負(fù)載和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)提供的功率之間存在直接相關(guān)性，因而離線分析是可行的。通過對(duì)安裝有并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型居民區(qū)的孤島效應(yīng)研究得出了以下結(jié)論：2.1.2孤島效應(yīng)發(fā)生的可能性與危險(xiǎn)性

孤島效應(yīng)的發(fā)

1）如果電網(wǎng)中并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠提供的最大功率約為夜間最小負(fù)載的2~3倍，那么負(fù)載與并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)功率匹配的狀況就不會(huì)發(fā)生；

2）如果每個(gè)住戶所安裝的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率不超過400W,功率匹配狀況也不會(huì)發(fā)生；

3）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量不會(huì)顯著影響功率匹配狀況發(fā)生的頻率和時(shí)間；

4）無論并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量在總發(fā)電量中的比例高低，功率匹配狀況發(fā)生的可能性都非常??；

5）功率匹配狀況發(fā)生的可能性與連接到饋電線上的住戶的數(shù)域無關(guān)；

6）低壓電網(wǎng)中功率匹配狀況發(fā)生的可能性小于10_6 ~丨0_5次/年；

7）功率匹配同時(shí)電網(wǎng)供電中斷的可能性即孤島效應(yīng)發(fā)生的可能性幾乎為0。

以上研究結(jié)論表明：并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中功率匹配狀況發(fā)生的可能性非常小，而孤島效應(yīng)發(fā)生的可能性幾乎為0。

雖然荷蘭相關(guān)機(jī)構(gòu)在對(duì)某個(gè)典型居民區(qū)孤島效應(yīng)的研究中得出了孤島效應(yīng)發(fā)生的可能性幾乎為0的結(jié)論，但是畢竟研究的范圍有限，也不能滿足未來發(fā)展的要求，因此孤島效應(yīng)作為一個(gè)技術(shù)問題，必須對(duì)其危險(xiǎn)性有足夠的重視，并采用適當(dāng)?shù)姆桨竵砑右苑乐够蚶谩?/p>

1）如果電網(wǎng)中并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠提供的最大2.1.2.2危險(xiǎn)性分析

孤島效應(yīng)一旦發(fā)生將帶來具有以下不利影響的危險(xiǎn)性，即1）孤島效應(yīng)引起的重合閘問題2）孤島效應(yīng)對(duì)正常供電的自動(dòng)或手動(dòng)恢復(fù)產(chǎn)生的干擾3）孤島效應(yīng)給相關(guān)人員帶來電擊的危險(xiǎn)

針對(duì)上述危害，雖然已研究出多種反孤島方案，但這些方案仍然有以下局限性：1.執(zhí)行成本髙；2.需要光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)；3.易誤檢測(cè)（誤跳閘）；4.在某些情況下具有不可檢測(cè)性；5.降低電網(wǎng)供電質(zhì)量以及電壓和頻率的穩(wěn)定性。2.1.2.2危險(xiǎn)性分析

孤島效應(yīng)一旦發(fā)生將帶來具有以下不

總結(jié)以上分析，只有在下列事件都發(fā)生的情況下，孤島效應(yīng)才會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)：

1.電網(wǎng)因故障或維修等原因而造成供電中斷；

2.發(fā)電裝置的輸出（有功和無功）與孤島系統(tǒng)中的負(fù)載需求非常匹配；

3.當(dāng)孤島系統(tǒng)的工作狀況在反孤島方案的NDZ以內(nèi)，此時(shí)發(fā)電裝置無法檢測(cè)到孤島效應(yīng)即檢測(cè)失敗；

4.工作人員接觸了與并網(wǎng)系統(tǒng)相連的不絕緣的帶電導(dǎo)體。

在考慮了以上4個(gè)因素的基礎(chǔ)上，英國(guó)的一項(xiàng)研究計(jì)算出了孤島效應(yīng)產(chǎn)生電擊對(duì)人身傷害的總危險(xiǎn)性水平，相關(guān)的研究結(jié)果可以歸納如下：

1.當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)電裝置相對(duì)負(fù)載來說輸出功率較低，即輸出功率小于平均最大需求功率的30%時(shí)，功率匹配的可能性幾乎為0;然而當(dāng)發(fā)電裝置輸出功率相對(duì)增加時(shí)，功率匹配的可能性隨之增加。

2.利用英國(guó)關(guān)于電網(wǎng)跳闡、發(fā)電裝置輸出功率高等情況發(fā)生的可能性的數(shù)據(jù)，以及對(duì)并網(wǎng)逆變器反孤島能力的合理假設(shè)，孤島效應(yīng)造成電擊的總危險(xiǎn)性約為10_9次/年，而英國(guó)一般電擊發(fā)生的危險(xiǎn)性約為1(T6次/年，顯然前者比后者要小得多。

可見由孤島效應(yīng)造成的電擊危險(xiǎn)，即使是在并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)輸出功率很髙時(shí)，只要正確處理，也不會(huì)增加本身就存在的電擊危險(xiǎn)。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量避免選擇理論上不可檢測(cè)區(qū)小但可靠性低的反孤島方案。總結(jié)以上分析，只有在下列事件都發(fā)生的情況下，孤島效應(yīng)2.1.3并網(wǎng)逆變器發(fā)生孤島效應(yīng)時(shí)的理論分析

2.1.3.1并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)

逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，輸出電壓由電網(wǎng)電壓鉗位，逆變器所能控制的只是輸人電網(wǎng)的電流。其中，并網(wǎng)電流的頻率和相位應(yīng)與電網(wǎng)電壓的相同，而幅值是根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的控制來決定的。2.1.3.2反孤島測(cè)試電路中的負(fù)栽品質(zhì)因數(shù)1.負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Qf的定義2.1.3并網(wǎng)逆變器發(fā)生孤島效應(yīng)時(shí)的理論分析

2.1.3.2.負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Qf的確定

將并聯(lián)RLC諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Qf與負(fù)載電路的位移功率因數(shù)（Displace-mentPowerFactor,DPF)聯(lián)系起來將更有利于反孤島測(cè)試中對(duì)負(fù)載品質(zhì)因數(shù)（>f

的確定，那么負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Qf與位移功率因數(shù)（DPF)究竟有何關(guān)系呢？

為了便于定量分析，首先做下列假設(shè)[5]:

1.假設(shè)負(fù)載電路中不含補(bǔ)償功率因數(shù)的電容，并a已知負(fù)載電路消耗的有功功率和負(fù)載電路的功率因數(shù)，由這兩個(gè)數(shù)據(jù)和電網(wǎng)電壓及頻率，可以計(jì)算出負(fù)載電路中的電阻和電感L;

2.假設(shè)并上的無功補(bǔ)償電容剛好使負(fù)載電路的功率因數(shù)為1。這種假設(shè)是合理的，因?yàn)樨?fù)載電路的功率因數(shù)等于1意味著負(fù)載電路的諧振頻率等于電網(wǎng)頻率，而這是反孤島保護(hù)所面臨的最嚴(yán)重情況（任何其他的諧振頻率都將有助于而不是有礙于反孤島保護(hù)），此時(shí)A和C將有一個(gè)固定的關(guān)系。

2.1.3.3有功功率和無功功率的不匹配分析1.孤島時(shí)系統(tǒng)的功率流圖及相關(guān)分析2.孤島時(shí)系統(tǒng)的功率匹配分析2.負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Qf的確定

將并聯(lián)RLC諧振電路的品2.1.4孤島效應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與研究狀況

由于一系列技術(shù)和經(jīng)濟(jì)障礙，使得近些年對(duì)孤島效應(yīng)的利用是不可能推廣的，這主要是因?yàn)閷?duì)于孤島效應(yīng)的利用需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行滿足孤島安全運(yùn)行模式的重新設(shè)計(jì)，于是現(xiàn)階段還是要求必須及時(shí)檢測(cè)并禁止孤島效應(yīng)的發(fā)生。國(guó)際上先后制定的并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如UL1741[6]、IEEEStd.929⑴和IEEEStd.1547.l7]等都規(guī)定了并網(wǎng)發(fā)電裝置必須具有反孤島保護(hù)功能，并設(shè)計(jì)出具體的反孤島測(cè)試電路和測(cè)試方法。

近年來，關(guān)于孤島效應(yīng)的研究主要集中于以下幾個(gè)方面：1.孤島效應(yīng)的機(jī)理研究；2.反孤島策略的研究；3.反孤島策略的有效性評(píng)估；4.并網(wǎng)光伏發(fā)電裝置的反孤島測(cè)試；5.孤島效應(yīng)的利用。2.1.4孤島效應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與研究狀況

由于一系列技2.1.5并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的反孤島測(cè)試

為了驗(yàn)證實(shí)際中反孤島方案的有效性，必須對(duì)并網(wǎng)光伏發(fā)電裝置進(jìn)行反孤島測(cè)試，以驗(yàn)證并網(wǎng)光伏發(fā)電裝置是否能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到孤島效應(yīng)，并停止運(yùn)行。本傳根據(jù)IEC62116Edition1_0的標(biāo)準(zhǔn)，介紹了基于并網(wǎng)逆變器的反孤島測(cè)試電路，并詳述了孤島測(cè)試的步驟及測(cè)試判據(jù)。1.反孤島測(cè)試電路組成2.測(cè)試要求3.具體測(cè)試步驟2.1.5并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的反孤島測(cè)試

為了驗(yàn)證實(shí)際中反2.2基于并網(wǎng)逆變器的被動(dòng)式反孤島策略

在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，基于并網(wǎng)逆變器的反孤島策略主要分為兩類：第一類稱為被動(dòng)式反孤島策略，如不正常的電壓和頻率、相位監(jiān)視和諧波監(jiān)視等；第二類稱為主動(dòng)式反孤島策略，如頻率偏移和輸出功率擾動(dòng)等。第-類方法只能在電源一負(fù)載不匹配程度較大時(shí)才能有效，在其他情況（例如逆變器輸出負(fù)載并聯(lián)電容）下可能會(huì)導(dǎo)致將孤島檢測(cè)的失效。第二類方法如頻率偏移法，則是通過在控制信號(hào)中人為注入擾動(dòng)成分，從而使得頻率或者相位偏移，這類主動(dòng)式方法雖然使系統(tǒng)的反孤島能力得到了加強(qiáng)，但仍然存在不可檢測(cè)區(qū)，即當(dāng)電壓幅值和頻率變化范圍小于某一值時(shí)，系統(tǒng)無法檢測(cè)到孤島的存在。本節(jié)及下一節(jié)主要將介紹并網(wǎng)逆變器的被動(dòng)與主動(dòng)兩種反孤島策略。

2.2.1過/欠電壓、過/欠頻率反孤島策略1.過/欠電壓反孤島策略（OVP/UVP)2.過/欠頻率反孤島策略（OFP/UFP)2.2基于并網(wǎng)逆變器的被動(dòng)式反孤島策略

在并網(wǎng)光伏發(fā)3.優(yōu)缺點(diǎn)

過/欠電壓、過/欠頻率反孤島策略的作用不只限于檢測(cè)孤島效應(yīng)，還可以用來保護(hù)用戶設(shè)備，并且其他產(chǎn)生異常電壓或頻率的反孤島方案也依靠過/欠電壓、過/欠頻率保護(hù)方案來觸發(fā)并網(wǎng)逆變器停止工作；它是孤島效應(yīng)檢測(cè)的一個(gè)低成本選擇，而成本對(duì)并網(wǎng)光伏逆變器的推廣應(yīng)用是很重要的；由于是被動(dòng)式反孤島策略，因此IK常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，逆變器不會(huì)影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量；多臺(tái)并網(wǎng)逆變器運(yùn)行時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生稀釋效應(yīng)。從過/欠電壓、過/欠頻率保護(hù)檢測(cè)孤島效應(yīng)的方面出發(fā)，此反孤島策略的NDZ相對(duì)較大，并且這種方案的反應(yīng)時(shí)間是不可預(yù)測(cè)的。

2.2.2基于相位跳變的反孤島策略1.基本原理相位跳變反孤島策略是通過監(jiān)控并網(wǎng)逆變器端電壓與輸出電流之間的相位差來檢測(cè)孤島效應(yīng)的一種被動(dòng)式反孤島策略[22]。3.優(yōu)缺點(diǎn)

過/欠電壓、過/欠頻率反孤島策略的作用不2.優(yōu)缺點(diǎn)

相位跳變方案的主要優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)，由于并網(wǎng)逆變器本身就需要鎖相環(huán)用于同步，執(zhí)行該方案只需增加在。,與\間的相位差超出閾值時(shí)使逆變器停土工作的功能就可以了；作為被動(dòng)式反孤島方案，相位跳變不會(huì)影響并網(wǎng)逆變器輸出電能的質(zhì)量，也不會(huì)干擾系統(tǒng)的哲態(tài)響應(yīng)；和其他被動(dòng)式方案一樣，在系統(tǒng)連接有多臺(tái)并網(wǎng)逆變器時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生稀釋效應(yīng)。

但該方案很難選擇不會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)作的閾值。一些特定負(fù)載的啟動(dòng)，尤其是電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程經(jīng)常產(chǎn)生相當(dāng)大的暫態(tài)相位跳變，如果閾值設(shè)置的太低，將導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器的誤跳閘，并且相位跳變的閾值可能要根據(jù)安裝地點(diǎn)而改變，這也給實(shí)際應(yīng)用帶來不便。

2.2.3基于電壓諧波檢測(cè)的反孤島策略1.工作原理[23’24]

電壓諧波檢測(cè)反孤島策略是通過監(jiān)控并網(wǎng)逆變器輸出端電壓諧波失真來檢測(cè)孤島效應(yīng)的一種被動(dòng)式反孤島策略。

當(dāng)電網(wǎng)連接時(shí)，電網(wǎng)可以看作為一個(gè)很大的電壓源，并網(wǎng)逆變器產(chǎn)生的諧波電流將流人低阻抗的電網(wǎng)，這些很小的諧波電流與低值的電網(wǎng)阻抗在并網(wǎng)逆變器輸出端處的電壓響應(yīng)Ua僅含有非常小的諧波（THD?0)。

2.優(yōu)缺點(diǎn)

相位跳變方案的主要優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)，由于并2.優(yōu)缺點(diǎn)

理論上，電壓諧波檢測(cè)反孤島策略能在很大范圍內(nèi)檢測(cè)孤島效應(yīng)；在系統(tǒng)連接有多臺(tái)逆變器的情況下不會(huì)產(chǎn)生稀釋效應(yīng)；即使在功率匹配的情況下，也能檢測(cè)到孤島效應(yīng)；作為被動(dòng)式反孤島方案，不會(huì)影響并網(wǎng)逆變器輸出電能的質(zhì)量，也不會(huì)干擾系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)。

然而和相位跳變反孤島策略一樣，電壓諧波檢測(cè)反孤島策略也存在閾值的選擇問題。并網(wǎng)專用標(biāo)準(zhǔn)如IEEEStd.929要求并網(wǎng)光伏逆變器輸出電流的THD小于額定電流的5%,通常為留有裕量，設(shè)計(jì)并網(wǎng)逆變器時(shí)允許的THD比標(biāo)準(zhǔn)要求的更低=但是如果局部非線性負(fù)載很大，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓諧波可能大于5%,并且失真的大小隨非線性負(fù)載的接人和切離而迅速改變，這樣就很難選擇閾值，既要考慮并網(wǎng)逆變器輸出電流諧波相對(duì)低的要求，乂要使得閾值大于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中可能允許出現(xiàn)的電壓THD;另一個(gè)實(shí)際的問題是：當(dāng)前的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定反孤島測(cè)試電路使用線性K/X負(fù)載來代表局部負(fù)載，忽略了可能提高孤島系統(tǒng)中電壓THD的非線性負(fù)載的影響，因此電壓諧波檢測(cè)方案還不能廣泛應(yīng)用。

2.優(yōu)缺點(diǎn)

理論上，電壓諧波檢測(cè)反孤島策略能在很大范2.3基于并網(wǎng)逆變器的主動(dòng)式反孤島策略

以上討論了幾類被動(dòng)式反孤島策略，主要包括：過/欠電壓（OVP/UVP)和過/欠頻率（OFP/UFP)反孤島策略、相位突變反孤島策略以及電壓諧波檢測(cè)反孤島等方案。其中，相位突變反孤島策略以及電壓諧波檢測(cè)反孤島方案由于孤島檢測(cè)的閾值難以確定，因而較少應(yīng)用，而過/欠電壓（OVP/UVP)和過/欠頻率(OFP/UFP)反孤島策略則應(yīng)用較多，徂通過實(shí)驗(yàn)與仿真分析可知，這兩種反孤島策略具有較大的NDZ，即在某些情況下無法檢測(cè)孤島的發(fā)生，為了減小甚至消除NDZ，研究人員提出了多種主動(dòng)式反孤島策略方案。本節(jié)主要介紹的主動(dòng)式反孤島策略方案有頻移法、功率擾動(dòng)法和阻抗測(cè)量法，以下分類介紹。

2.3.1頻移法2.3.1.1主動(dòng)頻移反孤島策略一AFD方案原理及優(yōu)缺點(diǎn)2.3.1.2基于正反饋的主動(dòng)頓移——Sandia頻移方案[22]原理及優(yōu)缺點(diǎn)2.3.1.3滑模頻率偏移法原理及優(yōu)缺點(diǎn)2.3基于并網(wǎng)逆變器的主動(dòng)式反孤島策略

以上討論了幾2.3.2基于功率擾動(dòng)的反孤島策略

2.3.2.1基于有功功率擾動(dòng)的反孤島策略工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

2.3.2.2基于無功功率擾動(dòng)的反孤島策略工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

2.3.3阻抗測(cè)量方案

在并網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)連接時(shí)，電網(wǎng)可以看做一個(gè)很大的電壓源，此時(shí)公共耦合點(diǎn)處的阻抗很低；而當(dāng)電網(wǎng)斷開時(shí)，在公共耦合點(diǎn)處測(cè)得的即為負(fù)載阻抗，通常都遠(yuǎn)大于電網(wǎng)連接時(shí)的阻抗。顯然，可以通過測(cè)量公共耦合點(diǎn)處電路阻抗的變化來檢測(cè)孤島效應(yīng)。

暫態(tài)測(cè)量法的主要特點(diǎn)就是可以快速得到測(cè)it結(jié)果，這一點(diǎn)比較符合孤島檢測(cè)的要求。但是這一方案對(duì)采樣環(huán)節(jié)和數(shù)字處理環(huán)節(jié)的要求比較高，這對(duì)于常規(guī)的并網(wǎng)逆變系統(tǒng)將很難實(shí)現(xiàn)。

總體來說，阻抗測(cè)量法雖然可以很好防止孤島的發(fā)生，但還存在以下缺點(diǎn)：持續(xù)地輸人擾動(dòng)會(huì)影響電網(wǎng)質(zhì)量（但如果擾動(dòng)諧波的頻率選為電網(wǎng)頻率，可以減小對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量的影響）；對(duì)于弱電網(wǎng)或者電網(wǎng)本身波動(dòng)較大的情況，很難實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)阻抗監(jiān)測(cè)；當(dāng)多個(gè)并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，其檢測(cè)信號(hào)會(huì)相互干擾，從而使得阻抗估算錯(cuò)誤。2.3.2基于功率擾動(dòng)的反孤島策略

2.3.2.12.4不可檢測(cè)區(qū)域（NDZ)與反孤島策略的有效性評(píng)估

反孤島保護(hù)是并網(wǎng)發(fā)電裝置必須具備的功能。然而幾乎所冇的反孤島方案都存在檢測(cè)失敗的情況，即不可檢測(cè)區(qū)域（Non-DetectionZone，NDZ),這些檢測(cè)失敗的情況包括功宇?匹配狀況以及一些特殊負(fù)載等。為此，應(yīng)通過理論分析尋找孤島檢測(cè)失敗的原因，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)目偨Y(jié)，以評(píng)估不同孤島檢測(cè)算法的適用范圍和影響不可檢測(cè)區(qū)域（NDZ)的相關(guān)因素，從而提高孤島檢測(cè)的有效性。

2.4.1基于△Px△Q坐標(biāo)系孤島檢測(cè)的有效性評(píng)估[15]

2.4.1.1△Px△Q坐標(biāo)系中孤島檢測(cè)的NDZ

2.4.1.2△Px△Q坐標(biāo)系中電路的功率流及不匹配功率的影響14]2.4.1.3△Px△Q坐標(biāo)系中孤島檢測(cè)的NDZ邊界2.4不可檢測(cè)區(qū)域（NDZ)與反孤島策略的有效性評(píng)估

2.4.2基于LxCnorm坐標(biāo)系孤島檢測(cè)的有效性評(píng)估[11]

2.4.2.1LxCnorm坐標(biāo)系及其孤島檢測(cè)的相位判據(jù)2.4.2.2LxCnorm坐標(biāo)系中孤島檢測(cè)的NDZ邊界1.過/欠頻率孤島檢測(cè)的NDZ邊界2.相位跳變孤島檢測(cè)的NDZ邊界3.滑模頻移孤島檢測(cè)的NDZ邊界4.主動(dòng)式頻移方案的NDZ邊界5.Sandia頻移方案的NDZ邊界2.4.2基于LxCnorm坐標(biāo)系孤島檢測(cè)的有效性評(píng)估2.4.3基于負(fù)載特征參數(shù)Qf×f0坐標(biāo)系的有效性評(píng)估

2.4.3.1Qf×f0坐標(biāo)系及其孤島檢測(cè)的相位判據(jù)

2.4.3.2Qf×f0坐標(biāo)系屮孤島檢測(cè)的NDZ邊界

1.過/欠頻率保護(hù)方案的NDZ邊界

2.過/欠頻率保護(hù)方案的NDZ邊界

3.滑模頻移方案的NDZ邊界

4.主動(dòng)式頻移方案的NDZ邊界

5.Sandia頻移方案的NDZ邊界

2.4.3基于負(fù)載特征參數(shù)Qf×f0坐標(biāo)系的有效性評(píng)估2.4.4基于負(fù)載特征參數(shù)Qf0XCnorm坐標(biāo)系的有效性評(píng)估

2.4.4.1Qf0XCnorm坐標(biāo)系及其孤島檢測(cè)的相位判據(jù)

2.4.4.2Qf0XCnorm坐標(biāo)系中孤島檢測(cè)的NDZ分析

1.過/欠頻率方案的NDZ分析

2.相位跳變方案的NDZ分析

3.主動(dòng)式頻移（AFD)方案的NDZ分析

4.

Sandia頻移(AFDPF)方案的NDZ分析

5.滑模頻移（SMS)方案的NDZ分析2.4.4基于負(fù)載特征參數(shù)Qf0XCnorm坐標(biāo)系的有2.5多逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的孤島檢測(cè)分析

目前光伏逆變器的反孤島研究主要集中于針對(duì)單臺(tái)逆變器的檢測(cè)算法與參數(shù)優(yōu)化，而實(shí)際中常常出現(xiàn)的是系統(tǒng)連接有多臺(tái)并網(wǎng)逆變器的情形。對(duì)于被動(dòng)式孤島檢測(cè)方案，過/欠電壓（OVP/UVP)和過/欠頻率（OFP/UFP)反孤島策略由于其簡(jiǎn)便易行而應(yīng)用較多，但這兩種反孤島策略具有較大的不可檢測(cè)區(qū)域(NDZ),即在某些情況下無法檢測(cè)孤島的發(fā)生；相位突變反孤島策略以及電壓諧波檢測(cè)反孤島方案由于孤島檢測(cè)的閾值難以確定，因而也較少應(yīng)用。而主動(dòng)頻移反孤島方案（AFD)、基于功率擾動(dòng)的反孤島方案以及阻抗測(cè)量法等主動(dòng)式反孤島方案，在單臺(tái)逆變器運(yùn)行條件下的確比被動(dòng)式反孤島方案具有更小的不可檢測(cè)區(qū)域。但當(dāng)多臺(tái)并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，上述主動(dòng)式反孤島方案會(huì)因?yàn)橄♂屝?yīng)而使其反孤島性能降低。然而，在主動(dòng)式反孤島方案中，基于正反饋的主動(dòng)頻移法（AFDPF)和滑模頻率偏移法（SMS)在多臺(tái)并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的條件下仍然可以保持較小的不可檢測(cè)區(qū)域。

2.5多逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的孤島檢測(cè)分析

目前光伏逆變2.5.1部分逆變器使用被動(dòng)式反孤島方案

并網(wǎng)光伏逆變器通常采用了基于單位功率因數(shù)的正弦波電流直接控制模式，因此可將只采用被動(dòng)式孤島檢測(cè)的并網(wǎng)逆變器等效為一個(gè)負(fù)電阻，即向電網(wǎng)輸送有功而不是消耗有功。

2.5.2系統(tǒng)中同時(shí)使用主動(dòng)頻移法（AFD)和滑膜頻率偏移法（SMS)

設(shè)使用AFD方法的并網(wǎng)逆變器的頻率偏移為A/，為本地負(fù)載提供了比例為KUPFpu的有功功率；而設(shè)使用SMS方法的并網(wǎng)逆變器的頻率偏移為或人-/g(其中人是最大相位偏移1發(fā)生時(shí)的頻率，/g為電網(wǎng)頻率），為本地負(fù)載提供了比例為的有功功率。2.5.3系統(tǒng)中同時(shí)使用主動(dòng)頓移法（AFD)和基于正反饋的主動(dòng)頻移法

AFD法施加單方向的擾動(dòng)，使系統(tǒng)向頻率增加的方向移動(dòng)而不考慮本地負(fù)載的容感特性，而AFDPF法使斷網(wǎng)后的系統(tǒng)頻率既可向增加也可向減小的方向移動(dòng)，主要取決于本地負(fù)載的特性，因此，多機(jī)系統(tǒng)中同時(shí)存在這兩種方法時(shí)會(huì)相互影響。2.5.1部分逆變器使用被動(dòng)式反孤島方案

并網(wǎng)光2.5.4系統(tǒng)中兩臺(tái)并網(wǎng)逆變器均使用基于正反饋的主動(dòng)頻移法

為分析起見，首先假設(shè)這兩臺(tái)并網(wǎng)逆變器之間具有產(chǎn)生稀釋效應(yīng)的可能。2.5.5系統(tǒng)中兩臺(tái)并網(wǎng)逆變器均使用滑模頻率偏移法

綜上分析，針對(duì)多并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的孤島檢測(cè)問題分析，可以得出以下結(jié)論：

1.當(dāng)系統(tǒng)中同時(shí)使用主動(dòng)式和被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法時(shí)，被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法的使用增大了不可檢測(cè)區(qū)域，增大了孤島發(fā)生的概率；2.當(dāng)系統(tǒng)中同時(shí)使用兩種主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法時(shí)，檢測(cè)效果介于這兩種孤島檢測(cè)方法之間，并且隨著使用較差的方法進(jìn)行孤島檢測(cè)的逆變器為本地負(fù)載提供的有功功率的比例的增大，不可檢測(cè)區(qū)域也隨之增大，導(dǎo)致孤島發(fā)生概率的增加；3.當(dāng)系統(tǒng)中僅使用AFDPF方法或SMS方法進(jìn)行孤島檢測(cè)時(shí)，考慮進(jìn)行頻率測(cè)量的傳感器誤差最嚴(yán)重的情形（幅值相同而極性相反時(shí)），對(duì)孤島檢測(cè)性能影響較小。2.5.4系統(tǒng)中兩臺(tái)并網(wǎng)逆變器均使用基于正反饋的主動(dòng)頻移法

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)及反孤島策略課件項(xiàng)目三光伏發(fā)電系統(tǒng)

——2

孤島效應(yīng)及反孤島策略

《太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其逆變控制》項(xiàng)目三光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1孤島效應(yīng)的基本問題

相對(duì)于離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)具有較高的光伏電能利用率，然而由于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)直接將光伏陣列發(fā)出的電能逆變后饋送到電網(wǎng)，因此在工作時(shí)必須滿足并網(wǎng)的技術(shù)要求，以確保系統(tǒng)安裝者的安全以及電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。對(duì)于通常系統(tǒng)工作時(shí)可能出現(xiàn)的功率器件過電流、功率器件過熱、電網(wǎng)過/欠電壓等故障狀態(tài)，比較容易通過硬件電路與軟件配合進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別并處理。但對(duì)于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，還應(yīng)考慮一種特殊故障狀態(tài)下的應(yīng)對(duì)方案，這種特殊故障狀態(tài)就是所謂的孤島效應(yīng)。2.1孤島效應(yīng)的基本問題

相對(duì)于離網(wǎng)孤島效應(yīng)的發(fā)生會(huì)給系統(tǒng)設(shè)備和相關(guān)人員帶來如下危害：

1)孤島效應(yīng)使電壓及其頻率失去控制，如果分布式發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電裝置沒有電壓和頻率的調(diào)節(jié)能力，且沒有電壓和頻率保護(hù)繼電器來限制電壓和頻率的偏移，孤島系統(tǒng)中的電壓和頻率將會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng)，從而對(duì)電網(wǎng)和用戶設(shè)備造成損壞。

2）孤島系統(tǒng)被重新接入電網(wǎng)時(shí)，由于重合W時(shí)系統(tǒng)中的分布式發(fā)電裝置可能與電網(wǎng)不同步而使電路斷路器裝置受到損壞，并且可能產(chǎn)生很高的沖擊電流，從而損害孤島系統(tǒng)中的分布式發(fā)電裝置，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)重新跳閘。

3）孤島效應(yīng)可能導(dǎo)致故障不能清除（如接地故障或相間短路故障），從而可能導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)備的損害，并且干擾電網(wǎng)正常供電系統(tǒng)的自動(dòng)或手動(dòng)恢復(fù)。

4）孤島效應(yīng)使得一些被認(rèn)為已經(jīng)與所有電源斷開的線路帶電，這會(huì)給相關(guān)人員（如電網(wǎng)維修人員和用戶）帶來電擊的危險(xiǎn)。

由上可知，當(dāng)主電網(wǎng)跳閘時(shí)，分布式發(fā)電裝置.的孤島運(yùn)行將對(duì)用戶以及配電設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p害，因此在包括并網(wǎng)光伏發(fā)電等系統(tǒng)在內(nèi)的分布式發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)發(fā)電裝置必須具備反孤島保護(hù)的功能，即具有檢測(cè)孤島效應(yīng)并及時(shí)與電網(wǎng)切離的功能。

孤島效應(yīng)的發(fā)生會(huì)給系統(tǒng)設(shè)備和相關(guān)人員帶來如下危害：

2.1.1.1孤島效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理

下面以典型的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)為例分析其孤島效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理，闡述孤島效應(yīng)發(fā)生的必要條件。2.1.1孤島效應(yīng)的發(fā)生與檢測(cè)

圖是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率流圖，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列和逆變器組成，該發(fā)電系統(tǒng)通常通過一臺(tái)變壓器（可能安裝在逆變器外或不安裝）和斷路器QF連接到電網(wǎng)。當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，假設(shè)圖7-2系統(tǒng)中的逆變器工作于單位功率因數(shù)正弦波控制模式，而相關(guān)的局部負(fù)載用并聯(lián)RLC電路來模擬，并且假設(shè)逆變器向負(fù)載提供的有功功率、無功功率分別為P、Q,電網(wǎng)向負(fù)載提供的有功功率、無功功率分別為AP、AQ,負(fù)載需求的有功功率、無功功率為Pload、Qload。2.1.1.1孤島效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理2.1.1孤島效應(yīng)的發(fā)生與檢

根據(jù)能量守恒定律，公共連接點(diǎn)（PointofCommonCoupling，PCC)處的功率流具有以下規(guī)律：

Pbad=P+AP

(7-1)

Qload=Q+AQ

當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，通常情況下，由于并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率和負(fù)載功率之間的巨大差異會(huì)引起系統(tǒng)的電壓和頻率的較大變化，因而通過對(duì)系統(tǒng)電壓和頻率的檢測(cè)，可以很容易地檢測(cè)到孤島效應(yīng)。但是如果逆變器提供的功率與負(fù)載需求的功率相匹配，那么當(dāng)線路維修或故障而導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)斷路器QF跳閘時(shí)，公共連接點(diǎn)（PCC)處電壓和頻率的變化很小，很難通過對(duì)系統(tǒng)電壓和頻率的檢測(cè)來判斷孤島的發(fā)生，這樣逆變器可能繼續(xù)向負(fù)載供電，從而形成由并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和周圍負(fù)載構(gòu)成的一個(gè)自給供電的孤島發(fā)電系統(tǒng)。

從以上分析可以看出，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)發(fā)生的必要條件是：1）發(fā)電裝置提供的有功功率與負(fù)載的有功功率相匹配；2）發(fā)電裝置提供的無功功率與負(fù)載的無功功率相匹配，即滿足相位平衡關(guān)系。根據(jù)能量守恒定律，公共連接點(diǎn)（PointofCo2.1.1.2孤島效應(yīng)的檢測(cè)

了解島效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理后，重要的是要能夠及時(shí)而有效地檢測(cè)出孤島效應(yīng)，即1）必須能夠檢測(cè)出不同形式的孤島系統(tǒng)，每個(gè)孤島系統(tǒng)可能由不同的負(fù)載和分布式發(fā)電裝置（如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等）組成，其運(yùn)行狀況可能存在很大差異。一個(gè)可靠的反孤島方案必須能夠檢測(cè)出所有吋能的孤島系統(tǒng)。2）必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到孤島效應(yīng)。這主要是為了防止并網(wǎng)發(fā)電裝置不同步的重合閘?？諝忾_關(guān)通常在0.5~Is的延遲后重新合上，反孤島方案必須在重合閘發(fā)生之前使并網(wǎng)發(fā)電裝置停止運(yùn)行。2.1.1.2孤島效應(yīng)的檢測(cè)

了解島效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理后2.1.2孤島效應(yīng)發(fā)生的可能性與危險(xiǎn)性

孤島效應(yīng)的發(fā)生可能會(huì)帶來一系列危害，其中給相關(guān)人員帶來的電擊危險(xiǎn)應(yīng)當(dāng)是最嚴(yán)重的，因此這里提到的危險(xiǎn)性主要是指孤島效應(yīng)產(chǎn)生電擊的危險(xiǎn)性。

2.1.2.1可能性分析

對(duì)孤島效應(yīng)發(fā)生的可能性認(rèn)識(shí)常存在兩種極端：一方面，孤島效應(yīng)被認(rèn)為是可能性很小的事件，不需要特別考慮；另一方面，僅理論上的分析都足以使人們對(duì)孤島效應(yīng)發(fā)生的可能性引起重視。實(shí)際上，孤島效應(yīng)發(fā)生的可能性介于兩種極端觀點(diǎn)之間。研究孤島效應(yīng)發(fā)生可能性的主要困難是缺少孤島效應(yīng)發(fā)生的頻率、持續(xù)時(shí)間以及發(fā)生時(shí)帶來危險(xiǎn)的實(shí)際數(shù)據(jù)，并且關(guān)于孤島效應(yīng)的討論不少還是基于個(gè)人的“感覺”或“直覺”。

針對(duì)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)，荷蘭相應(yīng)的研究機(jī)構(gòu)曾做過深人的研究，并提供了配電網(wǎng)中孤島效應(yīng)發(fā)生的頻率以及持續(xù)時(shí)間的實(shí)際數(shù)據(jù)[3]。該項(xiàng)研究是通過測(cè)量安裝有并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型居民區(qū)的負(fù)荷情況來進(jìn)行的，并在兩年中連續(xù)測(cè)量了每一秒鐘負(fù)載需求的有功功率和無功功率，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)用于離線分析，由于電網(wǎng)負(fù)載和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)提供的功率之間存在直接相關(guān)性，因而離線分析是可行的。通過對(duì)安裝有并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型居民區(qū)的孤島效應(yīng)研究得出了以下結(jié)論：2.1.2孤島效應(yīng)發(fā)生的可能性與危險(xiǎn)性

孤島效應(yīng)的發(fā)

1）如果電網(wǎng)中并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠提供的最大功率約為夜間最小負(fù)載的2~3倍，那么負(fù)載與并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)功率匹配的狀況就不會(huì)發(fā)生；

2）如果每個(gè)住戶所安裝的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率不超過400W,功率匹配狀況也不會(huì)發(fā)生；

3）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量不會(huì)顯著影響功率匹配狀況發(fā)生的頻率和時(shí)間；

4）無論并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量在總發(fā)電量中的比例高低，功率匹配狀況發(fā)生的可能性都非常?。?/p>

5）功率匹配狀況發(fā)生的可能性與連接到饋電線上的住戶的數(shù)域無關(guān)；

6）低壓電網(wǎng)中功率匹配狀況發(fā)生的可能性小于10_6 ~丨0_5次/年；

7）功率匹配同時(shí)電網(wǎng)供電中斷的可能性即孤島效應(yīng)發(fā)生的可能性幾乎為0。

以上研究結(jié)論表明：并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中功率匹配狀況發(fā)生的可能性非常小，而孤島效應(yīng)發(fā)生的可能性幾乎為0。

雖然荷蘭相關(guān)機(jī)構(gòu)在對(duì)某個(gè)典型居民區(qū)孤島效應(yīng)的研究中得出了孤島效應(yīng)發(fā)生的可能性幾乎為0的結(jié)論，但是畢竟研究的范圍有限，也不能滿足未來發(fā)展的要求，因此孤島效應(yīng)作為一個(gè)技術(shù)問題，必須對(duì)其危險(xiǎn)性有足夠的重視，并采用適當(dāng)?shù)姆桨竵砑右苑乐够蚶谩?/p>

1）如果電網(wǎng)中并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠提供的最大2.1.2.2危險(xiǎn)性分析

孤島效應(yīng)一旦發(fā)生將帶來具有以下不利影響的危險(xiǎn)性，即1）孤島效應(yīng)引起的重合閘問題2）孤島效應(yīng)對(duì)正常供電的自動(dòng)或手動(dòng)恢復(fù)產(chǎn)生的干擾3）孤島效應(yīng)給相關(guān)人員帶來電擊的危險(xiǎn)

針對(duì)上述危害，雖然已研究出多種反孤島方案，但這些方案仍然有以下局限性：1.執(zhí)行成本髙；2.需要光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)；3.易誤檢測(cè)（誤跳閘）；4.在某些情況下具有不可檢測(cè)性；5.降低電網(wǎng)供電質(zhì)量以及電壓和頻率的穩(wěn)定性。2.1.2.2危險(xiǎn)性分析

孤島效應(yīng)一旦發(fā)生將帶來具有以下不

總結(jié)以上分析，只有在下列事件都發(fā)生的情況下，孤島效應(yīng)才會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)：

1.電網(wǎng)因故障或維修等原因而造成供電中斷；

2.發(fā)電裝置的輸出（有功和無功）與孤島系統(tǒng)中的負(fù)載需求非常匹配；

3.當(dāng)孤島系統(tǒng)的工作狀況在反孤島方案的NDZ以內(nèi)，此時(shí)發(fā)電裝置無法檢測(cè)到孤島效應(yīng)即檢測(cè)失?。?/p>

4.工作人員接觸了與并網(wǎng)系統(tǒng)相連的不絕緣的帶電導(dǎo)體。

在考慮了以上4個(gè)因素的基礎(chǔ)上，英國(guó)的一項(xiàng)研究計(jì)算出了孤島效應(yīng)產(chǎn)生電擊對(duì)人身傷害的總危險(xiǎn)性水平，相關(guān)的研究結(jié)果可以歸納如下：

1.當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)電裝置相對(duì)負(fù)載來說輸出功率較低，即輸出功率小于平均最大需求功率的30%時(shí)，功率匹配的可能性幾乎為0;然而當(dāng)發(fā)電裝置輸出功率相對(duì)增加時(shí)，功率匹配的可能性隨之增加。

2.利用英國(guó)關(guān)于電網(wǎng)跳闡、發(fā)電裝置輸出功率高等情況發(fā)生的可能性的數(shù)據(jù)，以及對(duì)并網(wǎng)逆變器反孤島能力的合理假設(shè)，孤島效應(yīng)造成電擊的總危險(xiǎn)性約為10_9次/年，而英國(guó)一般電擊發(fā)生的危險(xiǎn)性約為1(T6次/年，顯然前者比后者要小得多。

可見由孤島效應(yīng)造成的電擊危險(xiǎn)，即使是在并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)輸出功率很髙時(shí)，只要正確處理，也不會(huì)增加本身就存在的電擊危險(xiǎn)。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量避免選擇理論上不可檢測(cè)區(qū)小但可靠性低的反孤島方案?？偨Y(jié)以上分析，只有在下列事件都發(fā)生的情況下，孤島效應(yīng)2.1.3并網(wǎng)逆變器發(fā)生孤島效應(yīng)時(shí)的理論分析

2.1.3.1并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)

逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，輸出電壓由電網(wǎng)電壓鉗位，逆變器所能控制的只是輸人電網(wǎng)的電流。其中，并網(wǎng)電流的頻率和相位應(yīng)與電網(wǎng)電壓的相同，而幅值是根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的控制來決定的。2.1.3.2反孤島測(cè)試電路中的負(fù)栽品質(zhì)因數(shù)1.負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Qf的定義2.1.3并網(wǎng)逆變器發(fā)生孤島效應(yīng)時(shí)的理論分析

2.1.3.2.負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Qf的確定

將并聯(lián)RLC諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Qf與負(fù)載電路的位移功率因數(shù)（Displace-mentPowerFactor,DPF)聯(lián)系起來將更有利于反孤島測(cè)試中對(duì)負(fù)載品質(zhì)因數(shù)（>f

的確定，那么負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Qf與位移功率因數(shù)（DPF)究竟有何關(guān)系呢？

為了便于定量分析，首先做下列假設(shè)[5]:

1.假設(shè)負(fù)載電路中不含補(bǔ)償功率因數(shù)的電容，并a已知負(fù)載電路消耗的有功功率和負(fù)載電路的功率因數(shù)，由這兩個(gè)數(shù)據(jù)和電網(wǎng)電壓及頻率，可以計(jì)算出負(fù)載電路中的電阻和電感L;

2.假設(shè)并上的無功補(bǔ)償電容剛好使負(fù)載電路的功率因數(shù)為1。這種假設(shè)是合理的，因?yàn)樨?fù)載電路的功率因數(shù)等于1意味著負(fù)載電路的諧振頻率等于電網(wǎng)頻率，而這是反孤島保護(hù)所面臨的最嚴(yán)重情況（任何其他的諧振頻率都將有助于而不是有礙于反孤島保護(hù)），此時(shí)A和C將有一個(gè)固定的關(guān)系。

2.1.3.3有功功率和無功功率的不匹配分析1.孤島時(shí)系統(tǒng)的功率流圖及相關(guān)分析2.孤島時(shí)系統(tǒng)的功率匹配分析2.負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Qf的確定

將并聯(lián)RLC諧振電路的品2.1.4孤島效應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與研究狀況

由于一系列技術(shù)和經(jīng)濟(jì)障礙，使得近些年對(duì)孤島效應(yīng)的利用是不可能推廣的，這主要是因?yàn)閷?duì)于孤島效應(yīng)的利用需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行滿足孤島安全運(yùn)行模式的重新設(shè)計(jì)，于是現(xiàn)階段還是要求必須及時(shí)檢測(cè)并禁止孤島效應(yīng)的發(fā)生。國(guó)際上先后制定的并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如UL1741[6]、IEEEStd.929⑴和IEEEStd.1547.l7]等都規(guī)定了并網(wǎng)發(fā)電裝置必須具有反孤島保護(hù)功能，并設(shè)計(jì)出具體的反孤島測(cè)試電路和測(cè)試方法。

近年來，關(guān)于孤島效應(yīng)的研究主要集中于以下幾個(gè)方面：1.孤島效應(yīng)的機(jī)理研究；2.反孤島策略的研究；3.反孤島策略的有效性評(píng)估；4.并網(wǎng)光伏發(fā)電裝置的反孤島測(cè)試；5.孤島效應(yīng)的利用。2.1.4孤島效應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與研究狀況

由于一系列技2.1.5并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的反孤島測(cè)試

為了驗(yàn)證實(shí)際中反孤島方案的有效性，必須對(duì)并網(wǎng)光伏發(fā)電裝置進(jìn)行反孤島測(cè)試，以驗(yàn)證并網(wǎng)光伏發(fā)電裝置是否能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到孤島效應(yīng)，并停止運(yùn)行。本傳根據(jù)IEC62116Edition1_0的標(biāo)準(zhǔn)，介紹了基于并網(wǎng)逆變器的反孤島測(cè)試電路，并詳述了孤島測(cè)試的步驟及測(cè)試判據(jù)。1.反孤島測(cè)試電路組成2.測(cè)試要求3.具體測(cè)試步驟2.1.5并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的反孤島測(cè)試

為了驗(yàn)證實(shí)際中反2.2基于并網(wǎng)逆變器的被動(dòng)式反孤島策略

在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，基于并網(wǎng)逆變器的反孤島策略主要分為兩類：第一類稱為被動(dòng)式反孤島策略，如不正常的電壓和頻率、相位監(jiān)視和諧波監(jiān)視等；第二類稱為主動(dòng)式反孤島策略，如頻率偏移和輸出功率擾動(dòng)等。第-類方法只能在電源一負(fù)載不匹配程度較大時(shí)才能有效，在其他情況（例如逆變器輸出負(fù)載并聯(lián)電容）下可能會(huì)導(dǎo)致將孤島檢測(cè)的失效。第二類方法如頻率偏移法，則是通過在控制信號(hào)中人為注入擾動(dòng)成分，從而使得頻率或者相位偏移，這類主動(dòng)式方法雖然使系統(tǒng)的反孤島能力得到了加強(qiáng)，但仍然存在不可檢測(cè)區(qū)，即當(dāng)電壓幅值和頻率變化范圍小于某一值時(shí)，系統(tǒng)無法檢測(cè)到孤島的存在。本節(jié)及下一節(jié)主要將介紹并網(wǎng)逆變器的被動(dòng)與主動(dòng)兩種反孤島策略。

2.2.1過/欠電壓、過/欠頻率反孤島策略1.過/欠電壓反孤島策略（OVP/UVP)2.過/欠頻率反孤島策略（OFP/UFP)2.2基于并網(wǎng)逆變器的被動(dòng)式反孤島策略

在并網(wǎng)光伏發(fā)3.優(yōu)缺點(diǎn)

過/欠電壓、過/欠頻率反孤島策略的作用不只限于檢測(cè)孤島效應(yīng)，還可以用來保護(hù)用戶設(shè)備，并且其他產(chǎn)生異常電壓或頻率的反孤島方案也依靠過/欠電壓、過/欠頻率保護(hù)方案來觸發(fā)并網(wǎng)逆變器停止工作；它是孤島效應(yīng)檢測(cè)的一個(gè)低成本選擇，而成本對(duì)并網(wǎng)光伏逆變器的推廣應(yīng)用是很重要的；由于是被動(dòng)式反孤島策略，因此IK常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，逆變器不會(huì)影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量；多臺(tái)并網(wǎng)逆變器運(yùn)行時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生稀釋效應(yīng)。從過/欠電壓、過/欠頻率保護(hù)檢測(cè)孤島效應(yīng)的方面出發(fā)，此反孤島策略的NDZ相對(duì)較大，并且這種方案的反應(yīng)時(shí)間是不可預(yù)測(cè)的。

2.2.2基于相位跳變的反孤島策略1.基本原理相位跳變反孤島策略是通過監(jiān)控并網(wǎng)逆變器端電壓與輸出電流之間的相位差來檢測(cè)孤島效應(yīng)的一種被動(dòng)式反孤島策略[22]。3.優(yōu)缺點(diǎn)

過/欠電壓、過/欠頻率反孤島策略的作用不2.優(yōu)缺點(diǎn)

相位跳變方案的主要優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)，由于并網(wǎng)逆變器本身就需要鎖相環(huán)用于同步，執(zhí)行該方案只需增加在。,與\間的相位差超出閾值時(shí)使逆變器停土工作的功能就可以了；作為被動(dòng)式反孤島方案，相位跳變不會(huì)影響并網(wǎng)逆變器輸出電能的質(zhì)量，也不會(huì)干擾系統(tǒng)的哲態(tài)響應(yīng)；和其他被動(dòng)式方案一樣，在系統(tǒng)連接有多臺(tái)并網(wǎng)逆變器時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生稀釋效應(yīng)。

但該方案很難選擇不會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)作的閾值。一些特定負(fù)載的啟動(dòng)，尤其是電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程經(jīng)常產(chǎn)生相當(dāng)大的暫態(tài)相位跳變，如果閾值設(shè)置的太低，將導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器的誤跳閘，并且相位跳變的閾值可能要根據(jù)安裝地點(diǎn)而改變，這也給實(shí)際應(yīng)用帶來不便。

2.2.3基于電壓諧波檢測(cè)的反孤島策略1.工作原理[23’24]

電壓諧波檢測(cè)反孤島策略是通過監(jiān)控并網(wǎng)逆變器輸出端電壓諧波失真來檢測(cè)孤島效應(yīng)的一種被動(dòng)式反孤島策略。

當(dāng)電網(wǎng)連接時(shí)，電網(wǎng)可以看作為一個(gè)很大的電壓源，并網(wǎng)逆變器產(chǎn)生的諧波電流將流人低阻抗的電網(wǎng)，這些很小的諧波電流與低值的電網(wǎng)阻抗在并網(wǎng)逆變器輸出端處的電壓響應(yīng)Ua僅含有非常小的諧波（THD?0)。

2.優(yōu)缺點(diǎn)

相位跳變方案的主要優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)，由于并2.優(yōu)缺點(diǎn)

理論上，電壓諧波檢測(cè)反孤島策略能在很大范圍內(nèi)檢測(cè)孤島效應(yīng)；在系統(tǒng)連接有多臺(tái)逆變器的情況下不會(huì)產(chǎn)生稀釋效應(yīng)；即使在功率匹配的情況下，也能檢測(cè)到孤島效應(yīng)；作為被動(dòng)式反孤島方案，不會(huì)影響并網(wǎng)逆變器輸出電能的質(zhì)量，也不會(huì)干擾系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)。

然而和相位跳變反孤島策略一樣，電壓諧波檢測(cè)反孤島策略也存在閾值的選擇問題。并網(wǎng)專用標(biāo)準(zhǔn)如IEEEStd.929要求并網(wǎng)光伏逆變器輸出電流的THD小于額定電流的5%,通常為留有裕量，設(shè)計(jì)并網(wǎng)逆變器時(shí)允許的THD比標(biāo)準(zhǔn)要求的更低=但是如果局部非線性負(fù)載很大，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓諧波可能大于5%,并且失真的大小隨非線性負(fù)載的接人和切離而迅速改變，這樣就很難選擇閾值，既要考慮并網(wǎng)逆變器輸出電流諧波相對(duì)低的要求，乂要使得閾值大于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中可能允許出現(xiàn)的電壓THD;另一個(gè)實(shí)際的問題是：當(dāng)前的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定反孤島測(cè)試電路使用線性K/X負(fù)載來代表局部負(fù)載，忽略了可能提高孤島系統(tǒng)中電壓THD的非線性負(fù)載的影響，因此電壓諧波檢測(cè)方案還不能廣泛應(yīng)用。

2.優(yōu)缺點(diǎn)

理論上，電壓諧波檢測(cè)反孤島策略能在很大范2.3基于并網(wǎng)逆變器的主動(dòng)式反孤島策略

以上討論了幾類被動(dòng)式反孤島策略，主要包括：過/欠電壓（OVP/UVP)和過/欠頻率（OFP/UFP)反孤島策略、相位突變反孤島策略以及電壓諧波檢測(cè)反孤島等方案。其中，相位突變反孤島策略以及電壓諧波檢測(cè)反孤島方案由于孤島檢測(cè)的閾值難以確定，因而較少應(yīng)用，而過/欠電壓（OVP/UVP)和過/欠頻率(OFP/UFP)反孤島策略則應(yīng)用較多，徂通過實(shí)驗(yàn)與仿真分析可知，這兩種反孤島策略具有較大的NDZ，即在某些情況下無法檢測(cè)孤島的發(fā)生，為了減小甚至消除NDZ，研究人員提出了多種主動(dòng)式反孤島策略方案。本節(jié)主要介紹的主動(dòng)式反孤島策略方案有頻移法、功率擾動(dòng)法和阻抗測(cè)量法，以下分類介紹。

2.3.1頻移法2.3.1.1主動(dòng)頻移反孤島策略一AFD方案原理及優(yōu)缺點(diǎn)2.3.1.2基于正反饋的主動(dòng)頓移——Sandia頻移方案[22]原理及優(yōu)缺點(diǎn)2.3.1.3滑模頻率偏移法原理及優(yōu)缺點(diǎn)2.3基于并網(wǎng)逆變器的主動(dòng)式反孤島策略

以上討論了幾2.3.2基于功率擾動(dòng)的反孤島策略

2.3.2.1基于有功功率擾動(dòng)的反孤島策略工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

2.3.2.2基于無功功率擾動(dòng)的反孤島策略工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

2.3.3阻抗測(cè)量方案

在并網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)連接時(shí)，電網(wǎng)可以看做一個(gè)很大的電壓源，此時(shí)公共耦合點(diǎn)處的阻抗很低；而當(dāng)電網(wǎng)斷開時(shí)，在公共耦合點(diǎn)處測(cè)得的即為負(fù)載阻抗，通常都遠(yuǎn)大于電網(wǎng)連接時(shí)的阻抗。顯然，可以通過測(cè)量公共耦合點(diǎn)處電路阻抗的變化來檢測(cè)孤島效應(yīng)。

暫態(tài)測(cè)量法的主要特點(diǎn)就是可以快速得到測(cè)it結(jié)果，這一點(diǎn)比較符合孤島檢測(cè)的要求。但是這一方案對(duì)采樣環(huán)節(jié)和數(shù)字處理環(huán)節(jié)的要求比較高，這對(duì)于常規(guī)的并網(wǎng)逆變系統(tǒng)將很難實(shí)現(xiàn)。

總體來說，阻抗測(cè)量法雖然可以很好防止孤島的發(fā)生，但還存在以下缺點(diǎn)：持續(xù)地輸人擾動(dòng)會(huì)影響電網(wǎng)質(zhì)量（但如果擾動(dòng)諧波的頻率選為電網(wǎng)頻率，可以減小對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量的影響）；對(duì)于弱電網(wǎng)或者電網(wǎng)本身波動(dòng)較大的情況，很難實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)阻抗監(jiān)測(cè)；當(dāng)多個(gè)并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，其檢測(cè)信號(hào)會(huì)相互干擾，從而使得阻抗估算錯(cuò)誤。2.3.2基于功率擾動(dòng)的反孤島策略

2.3.2.12.4不可檢測(cè)區(qū)域（NDZ)與反孤島策略的有效性評(píng)估

反孤島保護(hù)是并網(wǎng)發(fā)電裝置必須具備的功能。然而幾乎所冇的反孤島方案都存在檢測(cè)失敗的情況，即不可檢測(cè)區(qū)域（Non-DetectionZone，NDZ),這些檢測(cè)失敗的情況包括功宇?匹配狀況以及一些特殊負(fù)載等。為此，應(yīng)通過理論分析尋找孤島檢測(cè)失敗的原因，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)目偨Y(jié)，以評(píng)估不同孤島檢測(cè)算法的適用范圍和影響不可檢測(cè)區(qū)域（NDZ)的相關(guān)因素，從而提高孤島檢測(cè)的有效性。

2.4.1基于△Px△Q坐標(biāo)系孤島檢測(cè)的有效性評(píng)估[15]

2.4.1.1△Px△Q坐標(biāo)系中孤島檢測(cè)的NDZ

2.4.1.2△Px△Q坐標(biāo)系中電路的功率流及不匹配功率的影響14]2.4.1.3△Px△Q坐標(biāo)系中孤島檢測(cè)的NDZ邊界2.4不可檢測(cè)區(qū)域（NDZ)與反孤島策略的有效性評(píng)估

2.4.2基于LxCnorm坐標(biāo)系孤島檢測(cè)的有效性評(píng)估[11]

2.4.2.1L