何道清太陽(yáng)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(cè)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(fù)載和正是指電力系統(tǒng)的一部分（含負(fù)載和正在運(yùn)行的發(fā)電設(shè)備）與在運(yùn)行的發(fā)電設(shè)備）與其余部分隔離其余部分隔離，能，能獨(dú)立供電運(yùn)行獨(dú)立供電運(yùn)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(yùn)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(yùn)行，由逆變器和電網(wǎng)共同向負(fù)載供電，當(dāng)電網(wǎng)因故障事故或停電維修等原因停電時(shí)，各向負(fù)載供電，當(dāng)電網(wǎng)因故障事故或停電維修等原因停電時(shí)，各個(gè)用戶(hù)端的逆變器未能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而將自身切離市電，個(gè)用戶(hù)端的逆變器未能及時(shí)檢測(cè)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?chē)?fù)載供電，這樣就形成由并以其自身的輸出頻率和電壓向周?chē)?fù)載供電，這樣就形成由太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周?chē)?fù)載形成的一個(gè)電力公司無(wú)法掌握太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周?chē)?fù)載形成的一個(gè)電力公司無(wú)法掌握的自給供電的的自給供電的“孤島孤島”，并稱(chēng)此時(shí)的逆變器運(yùn)行在，并稱(chēng)此時(shí)的逆變器運(yùn)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(huì)危害到整個(gè)配電系統(tǒng)及用戶(hù)端的設(shè)備，更嚴(yán)重的是會(huì)造成輸電線路維修人員的生命安全。目前，對(duì)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(jiǎn)稱(chēng)為反孤島）是指禁止非計(jì)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(jì)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(shí)，由分布式發(fā)電裝置繼續(xù)向周?chē)?fù)載供電，從而減少因停電而帶來(lái)的損失，提高供電質(zhì)量和可靠性。本章主要對(duì)光伏并網(wǎng)中的反孤島效應(yīng)進(jìn)行研究。49.1.2 9.1.2 孤島效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理孤島效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與本地負(fù)載相連，通過(guò)投閘開(kāi)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)完全有可能與其周?chē)镜刎?fù)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(gè)方面：1）公共電網(wǎng)檢測(cè)到故障，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)投閘開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，但是并網(wǎng)發(fā)電裝置或者保護(hù)裝置

4、沒(méi)有檢測(cè)到故障而繼續(xù)運(yùn)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(yùn)行時(shí)所引發(fā)的孤島效應(yīng)。此時(shí)由于負(fù)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(huì)給電網(wǎng)和用戶(hù)設(shè)備等帶來(lái)一系列不利影響。圖圖9-1 9-1 孤島研究的電網(wǎng)拓?fù)涔聧u研究的電網(wǎng)拓?fù)? 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(fù)載的諧振頻率為電網(wǎng)頻率，局部負(fù)載用并聯(lián)rlc

5、電路表示。負(fù)載功率與逆變器輸出完全匹配的負(fù)載參數(shù)為r、l、c，不匹配的負(fù)載由r+r，l+l，c+c來(lái)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(yùn)行等效電路圖并網(wǎng)運(yùn)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(cè)的基本原理孤島檢測(cè)的基本原理7loadloadpppqqq 2urp2f2ulfq pf22q pcfv12flc當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)如圖9-2a所示，逆變器向負(fù)載提供的有功功率為p、無(wú)功功率為q，電網(wǎng)向負(fù)載提供的有功功率為p、無(wú)功功率為q，負(fù)載需求的有功功率為pload、無(wú)功功率為qload，u、f為公共耦合點(diǎn)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(yùn)行時(shí) 孤島發(fā)生時(shí) 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(diǎn)的電壓值就會(huì)發(fā)生變化 孤島形成前，只有電網(wǎng)提供的無(wú)功功率不為0，則公共點(diǎn)的頻率就會(huì)發(fā)生變化 只要檢測(cè)公共點(diǎn)處的電壓和頻率就可以檢測(cè)孤島， 實(shí)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(dòng)，所以正常的電壓和頻率只能設(shè)定為一個(gè)范圍， 在這種情況下，只有p和q足夠大時(shí)，才能檢測(cè)出來(lái)。 如設(shè)定過(guò)大，則檢測(cè)盲區(qū)增大，過(guò)小則在電網(wǎng)正常波動(dòng)時(shí)也會(huì)檢測(cè)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(wú)功功率與負(fù)載所需的有功功率、無(wú)功功率不匹配，則公共電網(wǎng)斷網(wǎng)瞬間將會(huì)造成電壓幅值和頻率的突變，通過(guò)直接檢測(cè)pcc點(diǎn)的電壓幅值和頻率的變化是否超過(guò)閾值就能檢測(cè)出孤島（被動(dòng)檢測(cè)法，不加入擾動(dòng)）。 (2)若 、 ，即并網(wǎng)逆變器輸出的有功功率、無(wú)功功率與負(fù)載所需的有功功率、無(wú)功功率相匹配，公共電網(wǎng)斷開(kāi)瞬間并不會(huì)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(dòng)的主動(dòng)檢測(cè)法才能檢測(cè)出孤島。 綜上所述，孤島檢測(cè)的基本原理是通過(guò)檢測(cè)公共耦合點(diǎn)(pcc)的電壓幅值或者頻率是否超過(guò)設(shè)定閾值來(lái)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(cè)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(wú)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(huì)對(duì)孤島系統(tǒng)中的用電設(shè)備產(chǎn)生一定的損害。2）如果負(fù)載容量大于逆變電源容量，導(dǎo)致逆變電源過(guò)載運(yùn)行，逆變電源容易被燒毀。3）孤島的電壓相量會(huì)相對(duì)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(shí)，可能引起孤島系統(tǒng)并網(wǎng)重合閘時(shí)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(shí)，與逆變電源相連的線路仍然帶電，可能會(huì)危及電力線路的維護(hù)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(shí)序，當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)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?。瑢?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(guò)檢測(cè)光伏發(fā)電系統(tǒng)與主電網(wǎng)公共耦合點(diǎn)（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(yùn)行。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，正常工作時(shí)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(cè)的

10、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)孤島檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 檢測(cè)時(shí)間檢測(cè)時(shí)間：國(guó)家并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求在：國(guó)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(guó)家并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求：國(guó)家并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求5%5% 負(fù)載品質(zhì)因數(shù)負(fù)載品質(zhì)因數(shù)q qf f: : 用來(lái)描述負(fù)載的諧振能力。用來(lái)描述負(fù)載的諧振能力。q qf f大于大于2.2.5 5的情況在實(shí)際中不存在，所以一般選取的情況在實(shí)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(fù)載負(fù)載：最難檢測(cè)的孤島現(xiàn)象狀況，能在該負(fù)：最難檢測(cè)的孤島現(xiàn)象狀況，能在該負(fù)載條件下成功檢測(cè)出孤島的檢測(cè)方法，在其他負(fù)載載條件下成功檢測(cè)出孤島的檢測(cè)方法，在其他

11、負(fù)載條件下也能有效檢測(cè)出孤島。條件下也能有效檢測(cè)出孤島。 14遠(yuǎn)程通信檢測(cè)法遠(yuǎn)程通信檢測(cè)法：利用公共電網(wǎng)端與逆變器端的遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)遠(yuǎn)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(shí)有效地檢測(cè)出孤島效應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)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(diǎn)缺點(diǎn)：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?xún)r(jià)比不高。被動(dòng)檢測(cè)法被動(dòng)檢測(cè)法：首先設(shè)定pcc點(diǎn)的電壓幅值、頻率等參數(shù)所允許變化的閾值，通過(guò)檢測(cè)這些參數(shù)是否超出所設(shè)閾值來(lái)判斷是否存在孤島。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要硬件設(shè)備，成本低，不影響電能質(zhì)量 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：存在較大的檢測(cè)盲區(qū)。

12、主動(dòng)檢測(cè)法主動(dòng)檢測(cè)法：通過(guò)人為向分布式發(fā)電系統(tǒng)注入適當(dāng)?shù)臄_動(dòng)信號(hào)，使孤島發(fā)生時(shí)pcc點(diǎn)的電壓幅值或者頻率迅速偏移并超過(guò)設(shè)定閾值，從而檢測(cè)出孤島現(xiàn)象。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)效率高，檢測(cè)盲區(qū)小缺點(diǎn)缺點(diǎn)：引入的擾動(dòng)帶來(lái)諧波失真，影響電能質(zhì)量常用的孤島檢測(cè)法常用的孤島檢測(cè)法159.3.1 9.3.1 過(guò)過(guò)/ /欠電壓和高欠電壓和高/ /低頻率檢測(cè)法低頻率檢測(cè)法1檢測(cè)原理 對(duì)于圖9-2，電網(wǎng)正常（開(kāi)關(guān)s1閉合）時(shí)，逆變電源輸出功率為p+jq，。此時(shí)，公共耦合點(diǎn)a的電壓幅值和頻率由電網(wǎng)決定，ovp/uvp、ofp/ufp不會(huì)動(dòng)作，即不會(huì)干擾系統(tǒng)正常運(yùn)行。如果p0，逆變器輸出有功功率與負(fù)載有功功率不匹配，則公共耦合

13、點(diǎn)電壓將發(fā)生變化；如果q0，逆變器輸出無(wú)功功率與負(fù)載無(wú)功功率不匹配，則公共耦合點(diǎn)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(huì)使ovp/uvp、ofp/ufp動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)孤島狀態(tài)檢測(cè)從而防止孤島發(fā)生。9.3 9.3 被動(dòng)式孤島檢測(cè)法被動(dòng)式孤島檢測(cè)法16 電壓相位突跳檢測(cè)是通過(guò)監(jiān)測(cè)逆變電流和公共點(diǎn)電壓之間的相位差來(lái)檢測(cè)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(diǎn)電壓在過(guò)零點(diǎn)同 步，在兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)之間的波形則是確定的正弦波。 當(dāng)電網(wǎng)斷開(kāi)后，逆變器輸出電壓不能被電網(wǎng)電壓鎖定。 在過(guò)零點(diǎn)之間，逆變器電流波形已經(jīng)由上一次過(guò)零點(diǎn)確定， 其頻率不變， 因?yàn)樨?fù)載相位不會(huì)因電網(wǎng)斷開(kāi)而變化，因

14、此在非純阻性負(fù)載的情況下，斷網(wǎng)后公共點(diǎn)電壓必然跳到新的相位。在電網(wǎng)斷開(kāi)后的第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)，就會(huì)檢測(cè) 到公共點(diǎn)電壓和逆變器輸出電流間的相位差超過(guò)設(shè)定閾值，即可判斷正處于孤島狀態(tài)。 本方法的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，但也存在檢測(cè)盲區(qū)問(wèn)題，當(dāng)某些負(fù)載起動(dòng)(尤其是電動(dòng)機(jī))時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生較大的相位突跳9.3.2 9.3.2 電壓相位突變檢測(cè)法電壓相位突變檢測(cè)法1718 通 過(guò)監(jiān)測(cè)公共點(diǎn)電壓總諧波失真(thd)來(lái)檢測(cè)孤島狀態(tài)。 在正常并網(wǎng)時(shí)，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(diǎn)電壓被電網(wǎng)鉗制，電壓諧波很 小。 孤島時(shí)，逆變器諧波電流流入負(fù)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(duì)變壓器副 邊繞組勵(lì)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(fù)載也會(huì)產(chǎn)生電壓畸變。 此方法優(yōu)點(diǎn)是即使在逆變器與負(fù)載功率匹配的情況下，也能很好的檢測(cè)出孤島。缺點(diǎn)是同樣存在檢測(cè)盲區(qū)，負(fù)載非線性嚴(yán)重時(shí)，閾值難以設(shè)定。9.3.3 9.3.3 電壓諧波檢測(cè)法電壓諧波檢測(cè)法199.4 9.4 主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法 主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法的原理是通過(guò)引入干擾打破孤島運(yùn)行下逆變系統(tǒng)和負(fù)載之間的平衡。在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)這種擾動(dòng)并不明顯，但在孤島運(yùn)行時(shí)，該擾動(dòng)可以加速a點(diǎn)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(dá)式

16、可以看出，可施加擾動(dòng)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(dòng)，代表算法為sandia電壓偏移（svs）法；基于頻率的擾動(dòng)，代表算法為主動(dòng)頻率偏移（afd）法、正反饋主動(dòng)頻率漂移（afdpf）法；基于相位的擾動(dòng)，代表算法為滑模頻漂檢測(cè)（sms）法；自動(dòng)移相（aps）法等。其中svs 法對(duì)能量有損失，而afd 法和aps 法在對(duì)輸出電能質(zhì)量干擾較小的情況下即可有效檢測(cè)出孤島，且在多機(jī)運(yùn)行下同樣有效。pvmsin()iit209.4.1 9.4.1 頻率偏移檢測(cè)法頻率偏移檢測(cè)法 1afd的基本原理 逆變器正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，輸出電流與公共點(diǎn)電壓同頻同相，由鎖相環(huán)檢測(cè)公共點(diǎn)電壓的

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

18、目的電網(wǎng)失壓后的公共點(diǎn)頻率變化情況如下： 1）如果負(fù)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(gè)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(duì)純電阻負(fù)載沒(méi)有檢測(cè)盲區(qū)。 2）若負(fù)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(fù)載相位角決定，電壓的滯后延緩了電壓過(guò)零點(diǎn)的到達(dá)時(shí)刻，使檢測(cè)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(duì)頻率的擾動(dòng)效應(yīng)被負(fù)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(guò)零時(shí)間間隔不發(fā)生變化，頻率不會(huì)偏移，孤島檢測(cè)失敗。23 3）若負(fù)載呈感性，電壓將超前電流，加快了電壓過(guò)零點(diǎn)的到來(lái)，使頻率偏移在電流給定頻率偏移的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提速，電壓頻率被迅速增大，由此不會(huì)有檢測(cè)盲區(qū)。但若afd算法使頻率反向擾動(dòng)，則感性負(fù)載有可能導(dǎo)致檢測(cè)失敗，而容性負(fù)載下孤島能被順利檢出。 至于rlc負(fù)載，如果rlc諧振頻率與電